Легування плівок в процесі мпе
Легування в процесі МПЕ здійснюється двома способами. Перший заснований на випаровуванні легуючої домішки і розміщенні її в кристалічній решітці за механізмом, аналогічним процесу росту кремнію.
В якості джерел домішки використовують сурму Sb, галій Ga або алюміній Аl. При виборі легуючих домішок визначальними є значення швидкості осадження атомів і коефіцієнта акомодації. Малі значення коефіцієнта акомодації свідчать про високу ймовірність процесу десорбаціі домішки з підкладки, тобто, про труднощі утворення зародків на її поверхні. Наявність температурної залежності коефіцієнта акомодації викликає необхідність точного підтримання температури підкладки 1.
При іншому способі легування використовується процес іонної імплантації. У цьому випадку для легування шару, що нарощується, застосовують іонні пучки струмом 1 мкА з енергією 0,1-3,0 кеВ. Низька енергія імплантації забезпечує введення домішки на невелику глибину під поверхню шару, що нарощується, і внесення її у кристалічну решітку. При цьому способі легування поряд з сурмою, галієм і алюмінієм можливе використання таких домішок як бор, фтор і миш'як.
Застосування іонного легування в процесі МПЕ дозволяє отримувати складні профілі легування, що практично неможливо здійснити, використовуючи методи епітаксії з парогазової фази. У той же час впровадження МПЕ в технологічний процес виготовлення інтегральних мікросхем та напівпровідникових кремнієвих приладів довгий час стримувалося відсутністю необхідного промислового обладнання. В останні роки налагоджено випуск систем для проведення процесу МПЕ, які відрізняються високою вартістю і складністю 1, 4.
Установка та вирощування плівок у процесі мпе
Одна з можливих схем сучасної установки для здійснення процесу молекулярно-променевої епітаксії кремнію зображена на рис. 2. 1. ЇЇ основою є вакуумна камера 1, в якій розташовані джерела молекулярних пучків кремнію і легуючої домішки 2, спрямовані до нагрітої підкладки 3. Матеріал тигля, в якому знаходиться кремній, повинен бути термічно стійким і хімічно інертним. В якості такого матеріалу застосовують піролітичний нітрид бору або графіт, максимальні робочі температури яких становлять відповідно 1800 і 2000 °С.
Для нагрівання кремнію використовуються два електронно-промених випарника , потужність яких становить 14 кВт. Постійна інтенсивності потоку атомів забезпечується контролером температури випаровування. Для більш рівномірного нагріву підкладки повинні бути розташовані якомога ближче до нагрівача 1.
Рис. 2.1. Схема установки для вирощування плівок методом МПЕ 1: 1 – вакуумна камера; 2 – джерело пучків; 3 – підкладка; 4,5 – вікна; 6 – завантажувальний шлюзовий пристрій; 7 – пристрій для магнітного переміщення завантажувальної штанги; 8 – завантажуюче вікно; 9 – клапан; 10 – іонна гармата
Контроль температури процесу здійснюється різними методами (за допомогою термопар, ІЧ-датчиків, оптичних параметрів). З метою очищення поверхні зразка використовують потік іонів інертного газу невеликої потужності, джерелом яких є іонна гармата 10. Контроль структури і чистоти як вихідної підкладки, так і сформованого шару здійснюють за допомогою складних пристроїв. Чистота поверхні, її елементний склад визначаються методом ожеспектроскопіі.
Кристалографічний аналіз підкладок і плівок проводиться методом дифракції електронів. Пучок електронів, який направляється на підкладку під кутом близьким до 1°, утворює дифракційну картину, за якою можна визначити параметри елементарної комірки, виявити в процесі росту шарів небажані структури і відкоригувати робочі параметри процесу. Для хімічного аналізу поверхні використовують метод рентгеноелектронної спектроскопії. Вікна 4, 5 призначені для візуального спостереження за процесом. В установках МПЕ крім основних технологічних операцій (очищення поверхні підкладки, епітаксійного осадження, аналізу осадженого шару) виконуються також допоміжні операції: введення підкладки в зону осадження, транспортування підкладки з однієї камери в іншу 1, 2.
Для запобігання багаторазових і тривалих контактів високовакуумної системи з повітрям використовується завантажувальний шлюзовий пристрій 6, до складу якого входять два вакуумних сорбційних і один іонний насоси, продуктивністю 30 л/с, пристрій для магнітного переміщення завантажувальної штанги 7, завантажуюче вікно 8 , клапан 9.
На відміну від епітаксії з парогазової фази виконання МПЕ не пов'язане з прийняттям особливих заходів з техніки безпеки. Метод МПЕ є досить перспективним у виробництві високочастотних і оптоелектронних приладів 1.