5.3.3 Молекулярно-лучевая эпитаксия

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) основана на конденсации молекулярных пучков в вакууме. По сравнению с методами, рассмотренными ранее, наращивание эпитаксиальных слоев происходит при относительно низких температурах подложки (400 – 800 ºС), вследствие чего уменьшается влияние процессов диффузии на распределение примесей в эпитаксиальном слое. Другой характерной особенностью метода МЛЭ является возможность контроля параметров слоев непосредственно в процессе роста.

Типичная установка МЛЭ показана на рис. 5.9 [10]. Рабочий вакуум в ростовой камере близок к 10^-8 Па. Подложки помещают в камеру через вакуумный шлюз. Испарительные ячейки представляют собой небольшие нагреваемые камеры («стаканы»), открытые в сторону подложки. С целью уменьшения теплового взаимовлияния и предотвращения взаимозагрязнения источников испарительные ячейки разделяют экранами, охлаждаемыми жидким азотом. Такой же экран помещают позади держателя образца для уменьшения загрязнения остаточной (фоновой) атмосферы в камере. С этой же целью держатели источника и подложки изготавливают из материалов с низким давлением паров, таких, как алунд, тантал, графит.

Рисунок 5.9 – Установка для выращивания слоев методом

молекулярно-лучевой эпитаксии:

1 – испарительные ячейки; 2 – заслонки; 3 – основная заслонка; 4 – электронная пушка дифрактометра; 5 – ионный вакуумметр; 6 – вакуумный затвор; 7 – шлюзовая камера для смены образцов; 8 – подложка; 9 – экраны, охлаждаемые жидким азотом; 10 – манипулятор держателя подложки; 11 – флюоресцентный экран; 12 – инфракрасный пирометр

Скоростью наращивания и уровнем легирования растущего слоя можно управлять, изменяя параметры источников, в частности их температуру, а следовательно, и плотности потоков. Основная заслонка и заслонки испарительных ячеек позволяют очень быстро перекрывать пучки. Это дает возможность изменять состав или уровень легирования выращиваемых структур буквально на межатомном расстоянии.

Для контроля молекулярных или атомных пучков и выращиваемых слоев непосредственно в процессе выращивания используются дифрактометр электронов высоких энергий «на отражение», масс-спектрометр, оже-спектрометр и ионный вакуумметр, контролирующий нейтральные атомные пучки. Масс-спектрометр используют для анализа как атомных, так и молекулярных пучков и фоновой атмосферы. Дифрактометр электронов высоких и средних энергий «на отражение» дает информацию о поверхности пленки в процессе выращивания и после него. Дифрактометр состоит из электронной пушки, испускающей электронный пучок под углом скольжения 2°, и флюоресцентного экрана, на котором наблюдается картина дифракции. Электронная оже-спектроскопия дает полуколичественную информацию о составе сплава, резкости границ и взаимной диффузии. Чувствительным, но разрушающим методом анализа состава слоев и распределения примеси в них является вторичная ионная масс-спектроскопия.

При МЛЭ кремния легировать растущий слой можно тремя способами: испарением легирующего материала из дополнительного источника, переносом примеси из легированного кремниевого источника, одновременной имплантацией медленных ионов (400 – 800 эВ) в процессе роста.

Наращивание слоев GaAs методом МЛЭ осуществляется, как правило, из элементарных веществ (Ga и As). Испарение галлия и мышьяка ведется из самостоятельных источников. Доминирующими технологическими факторами являются чистота и температура подложки, плотность потока атомов Gа и молекул мышьяка (Аs₂ и Аs₄), давление остаточных газов.

Температура подложки определяет процессы адсорбции и десорбции атомов Gа и Аs и их поверхностной диффузии. При Т > 300 ºС атомы Аs легко десорбируются и скорость десорбции увеличивается с ростом температуры. Поскольку атомы Gа при таких температурах практически не испаряются с подложек, то нарушается стехиометрия соединения. Обеспечить стехиометрию слоя GaAs можно за счет увеличения потока Аs к подложке. Обычно плотность потока галлия составляет около 10¹⁵ атом/(см²·с), а для мышьяка она в 5-10 раз выше.

МЛЭ считается лучшим методом получения многослойных эпитаксиальных структур с атомной гладкостью границ, прецизионно заданными толщинами слоев, их составом и профилем легирования. Применение высокочувствительных средств контроля параметров получаемых структур и управления процессом их синтеза обеспечивает высокую воспроизводимость этих параметров. Основными факторами, ограничивающими качество структур, являются глубина и чистота вакуума, производительность откачной системы установки, а также наличие стенок вакуумной камеры, накапливающих и отдающих компоненты молекулярных пучков и атмосферы остаточных газов, загрязняющих подложку и пленку.

Значительный интерес представляют исследования синтеза полупроводниковых многослойных эпитаксиальных структур в космическом вакууме за так называемым молекулярным экраном - полированным диском из нержавеющей стали, движущимся с первой космической скоростью на высоте 200 ÷ 400 км. В кильватерной области молекулярного экрана можно получить такое разрежение, что появление одного атома кислорода¹⁵ на площадке в один квадратный дециметр придется ожидать миллион лет. Все давление за экраном будет определяться атомами гелия и водорода, источником которых является Солнце, а также веществом, испаряющимся с поверхности самого экрана. Отметим, что в наземных сверхвысоковакуумных технологических установках с криогенными насосами достигается предельное разрежение в сотни и тысячи раз хуже, чем было практически получено в первых космических экспериментах с молекулярным экраном.

Несомненные преимущества открытого космоса - глубокий вакуум и почти неограниченная скорость откачки компонент рабочего молекулярного пучка - создают уникальную возможность для сверхбыстрой смены химического состава газовой фазы в зоне роста на поверхности подложки. Большое значение имеет полное отсутствие стенок рабочей камеры и возможность существенного пространственного удаления элементов технологической оснастки от зоны эпитаксиального роста. Становится возможным значительное увеличение расстояния от подложки до источника молекулярного пучка. Кроме того, могут использоваться токсичные летучие жидкости и газы (гидриды, металлоорганические соединения) в качестве исходных материалов для синтеза пленок без загрязнения окружающей среды. Эти соединения быстро рассеиваются до безопасных концентраций и легко разлагаются на безопасные компоненты под действием солнечного ионизирующего излучения. В перспективе возможно создание в открытом околоземном космическом пространстве полностью интегрированных вакуумных производств.