1.2 Методы формирования пленочных компонентов полупроводниковых преобразователей оптических излучений

Для синтеза новых высокоэффективных полупроводниковых ИП оптических излучений требуется решение проблемы, связанной с исследованием известных методов получения пленочных твердотельных компонентов, многослойных структур на базе проводящих, диэлектрических, полупроводниковых и магнит­ных материалов применительно к их комплексному использованию в техпроцес­се производства ИП излучений. В этой связи решение указанной проблемы по­требовало доработки известных и создания новых методов формирования полу­проводниковых приборных структур под конкретную задачу создания комплекс­ной технологии формирования многофункциональных миниатюрных ИП опти­ческих излучений.

Преобразователи оптических излучений реализуются на основе пленочных структур типа металл-полупроводник-диэлектрик и обладают высокими электрофизические свойства. Важным фактором надежной и качественной работы миниатюр­ных ИП является точное определение соответствующих методов и средств соз­дания металлических, полупроводниковых и диэлектрических компонентов.

К наиболее эффективным методам формирования пленочных структур ИП на базе металлов, диэлектриков и полу­проводников относятся: выращивание из расплава, из раствора; электролитическое осаждение; термическое испа­рение в вакууме; ионно-плазменное распыление и химическое осаждение из газовой фазы.

Формирования однородных по составу и структуре тонких пленок ИП из ме­таллов, полупроводников и диэлектриков напылением в вакууме осуществляем следующими методами: электронно­лучевым, ионно-плазменным и лазерным напылением термическим и дискретным испарением. Это возможен, если температура распыляемого материала Т₀ ниже температуры плавления Т_пл и процесс испарения представляет возгонку распыляемого вещества.

При наращивании проводящих слоев испари­тели изготавливаем из тех же проводящих материалов. Если Т₀ ≥ Т_пл, а расплав­ляемый материал образует с металлическим испарителем химическое соедине­ние - источник загрязнения, используем выполненные из инертных термостой­ких материалов тигли с косвенным подогревом. Перспективным следует считать высокочастотный индукционный нагрев, поскольку он позволяет непосредствен­но передавать энергию испаряемому материалу. При этом отпадает необходи­мость поддерживать температуру тигля для создания теплового потока выше температуры испарения.

Получение пленочных структур ИП из разлагающихся сплавов, химических соединений полупроводников и диэлектриков распылением в вакууме связано с рядом трудностей, обусловленных разложением таких структур при плавлении. Поэтому предложено [56] использовать дискретное испарение. При этом напы­ляемое вещество наносится последовательно и малыми порциями, чтобы состав конденсата на подложке практически соответствовал исходному составу частиц. Большое значение при дискретном испарении имеет выбор материала и конст­рукции испарителя. Поскольку испаритель работает при температурах порядка2000°С, для испарения массы и слабой реакции с испаряемым веществом ис­пользуем плоские ленты из тугоплавких металлов.

Для формирования пленочных компонентов ИП оптических излучений из соединений типа А₃В₅ и А₂В₆ разработан метод трех температур [57], который основывается на раздельном испарении в вакууме компонентов бинарных соеди­нений АВ из двух отдельных испарителей, нагретых до различных температур. Формирование стехиометрических пленок обеспечивается тем, что температуруподложки поддерживаем в интервале .

Ионно-плазменное распыление представляет собой наиболее гибкий и управляемый способ формирования металлических, полупроводниковых и ди­электрических пленок ИП высокой чистоты [58].

Используются три варианта ионного распыления для получении пленочных компонентов ИП:

1. стандартная диодная система тлеющего разряда;

2. диодный вариант на переменном токе с ассиметричной схемой;

3. распыление в плазме несамостоятельного разряда низкого давления с термоэлектрическим катодом.

Пленки диэлектриков и высокоомных полупроводников в структурах ми­ниатюрных ИП оптических излучений формируем методом высокочастного рас­пыления по указанному в [58, 59] технологическому режиму. Данный метод предусматривает периодиче­ский съем создаваемого бомбардирующими ионами положительного заряда пу­тем подачи, например на металлический электрод с диэлектрической мишенью, высокочастотного (ВЧ) напряжения. Наиболее часто используем в техпроцессе формирования пленок ИП два вида систем ВЧ-распыления: с вспомогательным (триодная система) и высокочастотным (диодная система) разрядами. Также при синтезе пленочных приборных структур ИП используем химические методы формирования: осаждение из паровой (газовой) фазы и электрохимическое, в основе которых лежат электрическое разделение ионов (при электрохимическом осаждении) или тепловые эффекты (при осаждении из паровой фазы)[58, 60]. Методы электрохимического осаждения [61] позволил формировать пленочные структуры металлов, сплавов и оксидов.

При формировании пленочных структур ИП химическим осаждением вещества из газовой фазы используем две группы, отличающиеся способом доставки атомов от источника к растущему кристаллу [58, 61].

К первой группе относятся методы диссоциации и восстановления газо­образных химических соединений, а ко второй - методы газотранспортных реак­ций. Обе группы характеризуются разной системой переноса ве­ществ газовой фазы - закрытой или открытой.

В закрытой системе переноса действует двухзонный температурный ре­жим , обеспечивающий эпитаксиальное наращивание в структурах ИП пленок эле­ментарных полупроводников, соединений АзВ₆ и А₂В₆ методом ионного транс­порта [62, 63]. К достоинствам закрытой системы относятся простота аппаратурной реализации и исключение возможности какого-либо вмешательст­ва в ход процесса.

Методы формирования пленочных структур ИП в открытой [58, 62] и за­крытой системах аналогичны, только в первом случае постоянным остается дав­ление, а во втором - объем. Кроме того, в открытой системе реализован двухзон­ный или трехзонный профиль печи. Метод осаждения в этой системе обладает высокой производительностью, универсальностью, обеспечивает эффективный контроль кристалличности и степени легирования формируемых пленок. Поэто­му он является перспективным для формирования слоев элементарных полупро­водников и химических соединений на любых твердых подложках ИП с задан­ными параметрами.

В создаваемых нами миниатюрных ИП оптических излучений на основе пленочных структур из интерметаллических соединений А₃В₅, А₂В₆ обычно ме­таллическое основание является омическим контактом к полупроводниковому слою. Перспективными для создания таких структур преобразователей является метод реакционной диффузии [64], посредством которого на металлическом компоненте соединения - омическом контакте, расположенном в первой терми­ческой зоне вакуумной двухзонной камеры, наращивается пленка соединения вследствие диффузии атомарного потока металлоида из второй зоны камеры и химического взаимодействия ионов на поверхности растущей пленки.

При выборе требуемых методов формирования пленочных структур из за­данных материалов в техпроцессе производства полупроводниковых ИП оптиче­ских излучения учитываем их основные технические характеристики, сложность используемого оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры, длитель­ность технологических процессов. Кроме того, учитываем тип требуемой плен­ки, ограничения в выборе подложек, а в случае формирования многослойных структур преобразователей - совместимость различных процессов (таблица 2.1).

Таблица 2.1 – Сравнительная характеристика методов получения тонких пленок

Метод	Контролируемые параметры	Преимущества	Недостатки
1	2	3	4
Вакуумное испарение;	Температура испа­рителя, температура	Большой выбор ис­паряемых материалов и под­ложек	Необходимость сложного ваку­умного оборудования, евозможность испарения тугоплавких ме­таллов и сплавов,разлагающихсясоединений,загрязнений, кон­денсата остаточными газами
Дискретное	Температура испа­рителя и подложки, степень вакуума	Возможность испаренияразлагающих­ся химических со­единений и сплавов	Высокая критичность температу­ры испарителя: при температурах испарителя ниже оптимальной наблюдается фракионирование сплава на составляющие, при Тисп выше оптимальной - выброс расплавленных частиц
Индукци­онное	Температура тигля и подложки, степень вакуума	Возможность испа­рения термостойких материалов, незна­чительное загрязне­ние испаряемого вещества ионами тигля	Невозможность испарения разла­гающихся сплавов и соединений. Образование шлаков, затруд­няющих процесс нанесения пле­нок. Загрязнение конденсата ос­таточными газами
Электрон­но-лучевое	Ток луча, темпера­тура подложки, сте­пень вакуума, время испарения	Возм-ть испа­рения тугоплав. металлов. Отсут­ствие заимод-я между испари­т. и испаряемым вещ-ом	Загрязнение конденсата продук­тами полимеризации паров ваку­умного масла (при масляной от­качке). Влияние рентгеновского излучения на качество готовых структур
			Продолжение таблицы 2.1
Лазерное	Мощность луча, время испарения, температура под­ложки, степень ва­куума	Возможность испа­рения тугоплавких металлов и сплавов без выброса частиц жидкой и твердой фазы. Возможность локального форми­рования пленок. От­сутствие источников загрязнения испа­ряемого вещества	Сложность оборудования
Ионно-плазменное распыление: по диодной схеме	Температура под­ложки, плотность ионного тока, по­тенциал мишени	Возможность полу­чения пленок метал­лов, сплавов и со­единений при высоких давлениях (4 МПа и выше)	Значительное загрязнение пленки примесями газовой атмосферы камеры, а также примесями мате­риала подложки или подложко-держателя. Обратная диффузия атомов распыляемого материала к мишени. Необходимость охла­ждения мишени
По триодной схеме	Плотность ионного тока, потенциал мишени, температу­ра подложки	Устранение обрат­ной диффузии ато­мов распыляемого материала к мише­ни. Возможность распыления метал­лов, сплавов и со­единений при низ­ких температурах	Загрязнение пленок примесями газовой атмосферы камеры, а также примесями материала под­ложки испарителя. Необходи­мость охлаждения мишени Продолжение таблицы 2.1
Осаждение	Энергия ионов, сте­пень вакуума	Возможность рас­пыления металлов сплавов и соедине­ний в условиях вы­сокого вакуума. Возможность кон­троля содержания примесей газа в пленках	Загрязнение пленок атомами, распыляемыми из ускоряющихся электронов. Необходимость ох­лаждения мишени
Химические методы: электрохи­мическое осаждение	Плотность тока	Возможность осаж­дения металличе­ских пленок на твер­ды подложки. Простота оборудования и техпроцесса	Ограниченное число материалов, подверженных электролизу (14 из 70 металлов)
Восстанов­ление	Давление газа, тем­пература подложки	Возможность ис­ключения в реакци­ях разложения за­грязнения форми­руемой пленки про­дуктами побочных реакций	Критичность к выбору опти­мальной температуры подложки, высокая ее температура, ограни­ченное число материалов, удов­летворяющих условиям реакции получения качественных пленок
Разложение с термиче­ским нагре­вом	Температура разло­жения соединений, температура под­ложки, давление	Возможность полу­чения пленок раз­личных материалов (в том числе и туго­плавких) на различ­ных подложках. Простота оборудо­вания	Загрязнение побочными продук­тами реакции конденсата. Труд­ности управления реакцией раз­ложения и высокая температура подложки, что ограничивает вы­бор реакции Продолжение таблицы 2.1
Разложение с нетерми­ческим на­гревом	Пороговая энергия соответствующего излучения, темпера­тура подложки, дав­ление	Снижение темпера­туры подложки и температуры разло­жения соответст­вующего вещества, возможность созда­ния сложных тонко­пленочных компо­зиций, минуя про­цессы фотолитогра­фии	Возможность загрязнения пленок продуктами побочных реакций и продуктами полимеризации, об­разующимися в процессе облу­чения. Сложное оборудование
Реакционная диффузия (терм. выращ)	Температура под­ложки, давление па­ров	Простое оборудова­ние и технология	Ограниченная толщина. Ограни­ченное число материалов, даю­щих когерентную пленку

Вывод:

В результате исследования наиболее предпочтительными мето­дами формирования металлических, полупроводниковых и диэлектрических пленочных структур ИП являются методы вакуумного испарения и ионно-плазменного распыления из газовой фазы вследствие их универсальности, боль­ших функциональных возможностей и высокого качества формируемых пленок.