Основные положения процесса молекулярно-лучевой эпитаксии

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………...3

Основные положения процесса молекулярно-лучевой эпитаксии…………….4

Устройство установки и принципы действия………………………………….10

Рабочий объем…………………………………………………………………...12

Эффузионные ячейки……………………………………………………………13

Картины на экране ДБЭ…………………………………………………………18

Подготовка подложки…………………………………………………………...20

Применение………………………………………………………………………21

Заключение……………………………………………………………………….28

Список литературы………………………………………………………………29

 

ВВЕДЕНИЕ

Работы по исследованию искусственно созданных полупроводниковых сверхрешеток были инициированы идеей о создании одномерной периодической структуры чередующихся сверхтонких слоев, высказанной в 1969 г. Эсаки и Цу. Изготовление подобной кристаллической структуры из сверхтонких слоев представляло в то время необычайно сложную задачу. Выбор метода изготовления наноструктур определяется требуемой точностью воспроизведения заданного химического состава и толщин слоев. Из опыта известно, что в обычном высоком вакууме 10-6 Торр атомарно чистая поверхность покрывается монослоем из адсорбированных молекул за несколько секунд. Поэтому для контроля процесса нанесения на уровне монослоев необходимы:

· сверхвысокий вакуум, то есть остаточное давление порядка 10-10 Торр;

· особо тщательная очистка подложек от окисных пленок;

· особо чистые исходные материалы;

· "измельчение" частиц в осаждаемом пучке до размера отдельных молекул;

· контроль за атомной структурой растущих наноструктур в реальном режиме времени.

Только метод молекулярно - лучевой эпитаксии (МЛЭ) удовлетворяет всем этим требованиям. Поэтому, несмотря на дороговизну, он широко применяется при изготовлении наноструктур.

 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЦЕССА МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ

Молекулярно-лучевая эпитаксия появилась как развитие метода химического осаждения пленок в сверхвысоком вакууме (давление остаточных газов ниже 10-7 Торр - высокий вакуум, 10-11 - сверхвысокий). Использование чистых источников напыляемых материалов, сверхвысокий вакуум, точный контроль температуры подложки, различные методы диагностики растущей пленки в сочетании с компьютерной системой управления параметрами процесс - все это вместе привело к созданию качественно новой технологии, способной решать сложные задачи выращивания тонких пленок.

МЛЭ была изобретена Альфредом Чо и Джоном Артуром в Bell Labs в 1968 году[4]. Широкое использование МЛЭ началось с появлением промышленного вакуумного оборудования в начале 70-х годов, развитие которого позволило проводить контролируемое осаждение последовательных атомных слоев. МЛЭ в своей основе является утонченной модификацией метода вакуумного напыления. Рост пленок при МЛЭ, представляющей собой вакуумное напыление, определяется в основном кинетикой взаимодействия пучков с поверхностью кристалла в отличие от других методов, таких как жидкостная эпитаксия или химическое осаждение, которые происходят в условиях, близких к равновесным. Кроме того, поскольку процесс МЛЭ происходит в сверхвысоком вакууме, его можно контролировать "in situ" с помощью таких диагностических методов, как дифракция отраженных быстрых электронов (ДОБЭ), электронная ожеспектрометрия (ЭОС), вторично-ионная масс-спектрометрия (ВИМС), рентгеновская фотоэлектрическая спектроскопия (ФЭС) и т. д., поместив в систему соответствующую аппаратуру вместе с квадрупольным массанализатором для контроля интенсивности пучков и ионной пушкой для очистки поверхности. Эти богатые возможности контроля и анализа, устраняющие большую часть сомнений, безусловно дают МЛЭ существенные преимущества перед другими технологическими методами. Перечислим важнейшие задачи, решение которых обеспечивается специфическими чертами МЛЭ:

а) получение монокристаллов высокой чистоты - за счет роста в сверхвысоком вакууме и высокой чистоты потоков веществ;

б) выращивание сверхтонких структур с резкими изменениями состава на границах - за счет относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии;

в) получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпитаксии - за счет ступенчатого механизма роста;

г) получение сверхтонких слоев с контролируемой толщиной - за счет точности управления потоками и относительно малых скоростей роста;

л) создание структур со сложными профилями состава и(или) легирования;

е) создание структур с заданными внутренними напряжениями растяжения или сжатия, локально модифицирующими зонную диаграмму, - "зонная инженерия".

Молекулярно-лучевая эпитаксия представляет собой усовершенствованную разновидность методики термического напыления в условиях сверхвысокого вакуума. Давление остаточных газов в вакуумной камере поддерживается ниже 10-8 Па (~10-10 мм рт. ст.).

Потоки атомов (или молекул) необходимых элементов направляются на нагретую монокристаллическую подложку в сверхвысоком вакууме и осаждаются там с образованием тонкой пленки требуемого состава. Как только атомы примеси окажутся на поверхности подложки, они движутся в результате диффузии, пока не достигнут термодинамически выгодного расположения на подложке. Высокая температура способствует быстрой миграции атомов по поверхности, в результате чего они занимают строго определенные положения, ориентированные относительно подложки - происходит эпитаксиальный рост кристаллической пленки.

Основным блоком системы МЛЭ является ростовая камера, в которой потоки атомов или молекул образуются за счет испарения жидких или сублимации твердых материалов из эффузионных ячеек (эффузия - медленное истечение газов через малые отверстия). Эффузионная ячейка представляет собой цилиндрический либо конический тигель диаметром 1-2 см и длиной 5-10 см. На выходе ячейка имеет круглое отверстие - диафрагму диаметром 5-8 мм.

Схематическое изображение основных узлов установки МЛЭ приведено на рисунке 1.1. В одной ростовой камере может располагаться несколько испарителей, каждый из которых предназначен для нанесения одного вещества. Количество эффузионных ячеек зависит от состава пленки и наличия легирующих примесей. Для выращивания элементарных полупроводников (Si, Gе) требуется один источник основного материала и источники легирующей примеси n- и р-типа. В случае сложных полупроводников (двойных, тройных соединений) требуется отдельный источник для испарения каждого компонента пленки. Температура эффузионной ячейки определяет величину потока частиц, поступающих на подложку, и тщательно контролируется. Она подбирается таким образом, чтобы давление паров испаряемых материалов было достаточным для формирования соответствующих молекулярных пучков. Ячейки располагаются так, чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались на подложке. Управление составом основного материала и легирующих примесей осуществляется с помощью заслонок, перекрывающих тот или иной поток. Использование этих заслонок позволяет резко прерывать или возобновлять попадание любого из молекулярных пучков на подложку. Если в ходе выращивания структуры требуется резко менять концентрацию одной и той же примеси, то используют несколько источников этой примеси при разной температуре эффузионной ячейки. Однородность состава пленки по площади и ее кристаллическая структура определяются однородностью молекулярных пучков. В некоторых случаях для повышения однородности подложка с растущей пленкой постоянно вращается.

 

 

 

Наиболее важная для технологического процесса область ростовой камеры находится между эффузионными ячейками и подложкой (рисунок). Эту область можно разделить на три зоны, которые обозначены на рисунке цифрами I, II и III. Зона I - зона генерации молекулярных пучков, в этой зоне молекулярные пучки, формируемые каждой из эффузионных ячеек, не пересекаются и не влияют друг на друга. Во второй зоне (зона II - зона смешения испаряемых элементов) молекулярные пучки пересекаются и происходит перемешивание различных компонент. О физических процессах, происходящих в этой зоне известно в настоящее время очень мало. В непосредственной близости от поверхности подложки располагается зона III -зона кристаллизации. В этой зоне происходит эпитаксиальный рост в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии.

Для достижения желаемой концентрации пленки важно учитывать не только скорость потока вещества, но и его поведение на подложке. При низком давлении потока примесей происходит десорбция на поверхности подложки и поведение осаждаемого материала очень зависит от температуры. Для получения гетероструктуры GaAs из твердых источников испаряют Ga и As. Температура, как правило, поддерживается для давления паров 10-2 до 10-3 Торр внутри эффузионной ячейки, в результате чего получается плотность потока около 1015 молекул/см2 при открытом затворе ячейки. Форма и размер отверстия ячейки оптимизирован для равномерного распределения частиц на подложку. При этом получается потоки из элементарного Ga и тетрамерного As4. Для подложки GaAs поток Ga имеет коэффициент прилипания очень близкий к 1, что указывает на большую вероятность адсорбции атомов. Крекинг-установка часто используют для As4 целью получения As2, что приводит к ускорению роста и более эффективному использованию источника материала. Крекинг-установка используется для получения мономерных (иногда димерных или тетрамерных) частиц из источника. Крекинг-установки расположены таким образом, что поток вещества проходит через них сразу после эффузионной ячейки. Поток вещества, выходящий из эффузионной ячейки, проходит через крекинг-установку, которая производит диссоциацию молекул этого вещества. Некоторые элементы, такие как кремний, имеют достаточно низкое давление пара, поэтому для его испарения используют методы прямого нагрева, такие как электронная бомбардировка или нагрев лазерным излучением. Для электронного пучка используют электромагнитную фокусировку с целью предотвращения попадания кремния в источник электронов. Поскольку материал испаряется с поверхности, загрязнение стенок тигля уменьшается. Кроме того, для этой конструкции не требуется затвор. Модуляцией пучка можно производить очень резкие границы на подложке. Подложки подвергаются предварительной обработке перед процедурой МЛЭ. Сейчас производители подложек поставляют чистые подложки, готовые к эпитаксиальному росту и защищенные слоем окисла, выращенного в тщательно контролируемой окислительной атмосфере[2]. Они проходят химическую очистку, а затем помещаются в загрузочную камеру, где подвергаются бомбардировке ионами аргона с последующим отжигом. Этим процессом удаляют верхний слой окисла. Отжиг исправляет дефекты, вызванные бомбардировкой. Условия сверхвысокого вакуума и требование к низкому уровня загрязнения требуют определенного подхода к выбору материалов, из которых будут изготовлены компоненты установки МЛЭ. В первую очередь материал должен иметь низкое давление пара. Низкая скорость испарения уменьшает концентрацию загрязняющих веществ в рабочем объеме. Поэтому для изготовления компонентов установки используют тугоплавкие металлы. Система МЛЭ должна находиться всегда под высоким давлением. При разгерметизации камера наполняется загрязнениями. Чем меньше система будет возвращаться к атмосферному давлению, тем эффективней будут происходить в ней процессы выращивания. Современные системы состоят из двух камер: загрузки подложек и выращивания. При загрузке подложек камера роста остается в сверхвысоком вакууме. Так же можно выделить дополнительную секцию для эффузионных ячеек. Это позволить наполнять их без разгерметизации камеры роста. Ростовые камеры современных технологических комплексов МПЭ оборудованы, как правило, квадрупольным масс-спектрометром для анализа остаточной атмосферы в камере и контроля элементного состава на всем технологическом процессе. Для контроля структуры и морфологии формируемых эпитаксиальных структур в камере роста располагается также дифрактометр отраженных быстрых электронов. Часто ростовые камеры или в многокамерных комплексах МЛЭ в камере для подготовки и анализа подложек и эпитаксиальных структур располагаются электронная пушка с энергоанализатором вторичных электронов и ионная пушка для очистки подложек ионным травлением и послойного анализа состава эпитаксиальных структур. Так же для исследования гладкости поверхности используют метод эллипсометрии. Возможность контроля непосредственно в процессе выращивания - одно из значительных преимуществ МЛЭ. В настоящее время большинство установок для МЛЭ состоят из автоматизированных модулей, которые подразделяются на технологические и вспомогательные. Технологические модули предназначены для проведения определенного технологического процесса - очистки подложек, осаждения пленок, анализа формируемых структур и т.д. Вспомогательными являются, например, модуль загрузки-выгрузки, модуль предварительной откачки и обезгаживания вакуумных камер и др. Входящие в состав комплекса МЛЭ модули соединяются между собой шлюзовыми устройствами и системой перемещения подложек и образцов из одного модуля к другой без нарушения вакуума.