Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические основы процессов микро- и нанотехнологий. Учебно-методическое пособие
.pdf
Рис. 1.3. Схема простейшей установки МЛЭ:
1 – держатель образца с нагревателем; 2 – образец; 3 – масс-
спектрометр; 4 – эффуционная ячейка; 5 – заслонки; 6 – манипулятор;
7 – электронная пушка ДОБЭ; 8 – люминесцентный экран
Зона I – зона генерации молекулярных пучков, где молекулярные
пучки, формируемые каждой из эффузионных ячеек, не пересекаются и не влияют друг на друга. В зоне II (зона смешения испаряемых
элементов) молекулярные пучки пересекаются и происходит перемешивание различных компонент. В непосредственной близости от
поверхности подложки располагается зона III – зона кристаллизации.
В этой зоне происходит эпитаксиальный рост в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии. Подробно процессы, происходящие в зоне
кристаллизации, будут рассмотрены в следующем разделе.
В промышленности, научно-исследовательских лабораториях широкое распространение в настоящее время получили автоматизированные многомодульные комплексы для молекулярно-лучевой эпитаксии. Модуль – это часть установки, выделенная по функциональным и конструктивным признакам. Модули подразделяются на тех-
11
нологические и вспомогательные. Каждый технологический модуль
предназначен для проведения определенного технологического процесса (очистка подложек и анализ состояния их поверхности, эпитаксия полупроводниковых пленок, осаждение металлов и диэлектриков
и т.д.). Вспомогательными модулями являются, например, модуль
загрузки – выгрузки подложек, модуль предварительной откачки и
обезгаживания вакуумных камер и др. Комплекс для МЛЭ в зависимости от технологических задач может быть укомплектован различным количеством специализированных модулей, соединенных между собой шлюзовыми устройствами и системой перемещения подложек и образцов из одного модуля в другой без нарушения вакуума.
Тенденции развития разработок в направлении создания установок для МЛЭ связаны со все более широким применением встроенного аналитического оборудования и автоматизацией технологического процесса, что позволяет улучшить воспроизводимость свойств
выращиваемых эпитаксиальных структур и создавать сложные многослойные структуры.
Другим направлением является технология осаждения слоев МЛЭ
с применением газообразных источников ростовых компонентов,
таких как AsH
и PH3, и высокотемпературной диафрагмы, на кото-
3
рой происходит их дислокация.
1.1. Механизмы эпитаксиального роста
тонких пленок
Вопросы, связанные с механизмами роста, становятся чрезвычайно важными при создании гетероструктур и многослойных структур,
от которых требуется высшая степень однородности состава при
толщине менее 10 нм.
Наиболее важные индивидуальные атомные процессы, сопровождающие эпитаксиальный рост, следующие (рис. 1.4):
– адсорбция составляющих атомов или молекул на поверхности
подложки;
– поверхностная миграция атомов и диссоциация адсорбированных молекул;
– присоединение атомов к кристаллической решетке подложки
или эпитаксиальным слоям, выращенным ранее;
– термическая десорбция атомов или молекул, не внедренных в
кристаллическую решетку.
12
MkT
Рис. 1.4. Схематическое изображение поверхностных процессов,
происходящих при выращивании тонких пленок технологией МЛЭ:
1 – поверхностная диффузия; 2 – десорбция; 3 – взаимодиффузия;
4 – встраивание в решетку; 5 – зародышеобразование
(поверхностная агрегация)
На этом рисунке поверхности подложки и растущего эпитаксиального слоя разделены на «кристаллические участки», с которыми
взаимодействуют поступающие на поверхность из молекулярных
источников компоненты. Каждый участок поверхности представляет
собой небольшую область подложки и характеризуется индивидуальной химической активностью.
Конденсация на подложку материала из газовой фазы определяется скоростью столкновения атомов или молекул с подложкой (число
частиц, поступающих за единицу времени на единицу площади):
r=
p
, (1.2)
2π
где p – давление паров, Па; М – молекулярная масса частиц, кМ; k –
постоянная Больцмана; Т – температура источника, К.
13
Частица, конденсированная из газовой фазы, может сразу же по-
s
kT
кинуть поверхность подложки или диффундировать по поверхности.
Процесс поверхностной диффузии может привести к адсорбции частицы на поверхности подложки или растущей пленки либо к процессу поверхностной агрегации, сопровождающимся образованием на
поверхности зародышей новой кристаллической фазы конденсируемого материала. Адсорбция отдельных атомов, как правило, происходит на ступеньках роста или других дефектах. Атомный процесс
взаимодиффузии, при котором атомы пленки и подложки обмениваются местами, играет важную роль в процессе эпитаксиального роста. В результате этого процесса граница между подложкой и растущей пленкой становится более гладкой.
Процессы на поверхности, сопровождающие эпитаксиальный рост
при МЛЭ, могут быть описаны количественно. Каждый из индивидуальных атомных процессов, рассмотренных выше, характеризуется
собственной энергией активации и может быть в первом приближении представлен экспоненциальным законом. Например, скорость
десорбции (мм/ч)
⎛⎞
E
exp
ν∼
d
, (1.3)
⎜⎟
⎝⎠
– энергия активации процесса десорбции (кДж/моль), Ts– тем-
где E
d
пература подложки, К.
На феноменологическом уровне различают три основных типа
роста тонких эпитаксиальных пленок:
1. Послойный рост (layer-by-layer growth). При этом механизме
роста каждый последующий слой пленки начинает формироваться
только после полного завершения роста предыдущего слоя. Этот механизм называют также механизмом роста Франка–Ван дер Мерве
(Frank–van der Merve, FM). Послойный рост имеет место, когд
взаимодействие между подложкой и слоем атомов значительно
больше, чем между ближайшими атомами в слое. Схематическое
представление послойного роста пленки для различной степени покрытия σ (в долях монослоев) показано на рис. 1.5, а.
2. Островковый рост, или рост Вольмера – Вебера (island growth,
Vollmer – Weber, VW). Этот механизм является полной противопо-
ложностью послойному росту. Условием его реализации является
преобладание взаимодействия между ближайшими атомами над
взаимодействием этих атомов с подложкой. При островковом меха-
а
14
низме роста вещество с самого начала оседает на поверхности в виде
dF l
многослойных конгломератов атомов.
3. Промежуточным между этими двумя механизмами является
рост Странски – Крастанова (Stransky – Krastanov, SK, layer-plusisland grows), при котором первый слой полностью покрывает по-
верхность подложки, а на нем происходит рост трехмерных островков пленки. К этому механизму могут приводить многие факторы, в
частности достаточно большое несоответствие между параметрами
кристаллических решеток пленки и подложки.
Схематические иллюстрации островкового механизма роста и
роста Странски – Крастанова приведены на рис. 1.5, б и 1.5, в соответственно.
Рис. 1.5. Схематическое представление трех важнейших механизмов
роста: a – послойный рост; б – островковый рост;
в – рост слоя с островками
Условие, разграничивающее реализацию того или иного механизма роста, можно получить из анализа соотношений между коэффициентами поверхностного натяжения между подложкой и вакуумом
σS, между пленкой и вакуумом σF и между подложкой и пленкой
σS/F (рис. 1.6). Коэффициент поверхностного натяжения поверхно-
сти равен свободной энергии единицы поверхности. Соответственно
эти коэффициенты определяют силы поверхностного натяжения,
действующие на единицу элемента длины границы раздела. Согласно
этому определению сила dF, действующая на бесконечно малый
элемент dl границы раздела двух сред, определяется из формулы
=σ⋅∂ . (1.4)
15
Рис. 1.6. Трехмерный островок пленки на подложке
ϕ
/
s
/
s
F
Из условия равновесия для любого элемента длины линии соприкосновения подложки, трехмерного островка пленки и вакуума (см.
рис. 1.5) получим
σ=σ +σ⋅
/
sSF F
cos
, (1.5)
где φ – краевой угол, т.е. угол, образованный касательной к поверхности островка пленки и поверхностью подложки.
Если краевой угол равен нулю, то островок «растекается» тонким
слоем по поверхности подложки, что соответствует послойному механизму роста. Это условие приводит к следующему соотношению
между коэффициентами поверхностного натяжения:
послойный рост
Если
σ≥σ+
, реализуется механизм роста островков, условие кото-
0ϕ>
σ
FSF
. (1.6)
рого рост островков
σ<σ+σ
FS
. (1.7)
Для более полного вывода условий, при которых реализуется тот
или иной механизм роста, необходимо учесть влияние на условие
равновесия между формируемой пленкой и подложкой газовой фазы
в области роста пленки.
16
1.2. Моделирование процесса
L(M T)
(MKT)
⎡⎤⎢
⎢⎥⎣
В настоящее время для моделирования роста пленки при МЛЭ в
основном используются две математические модели. Первая из них –
молекулярно-динамическая модель. В большинстве случаев используется метод, предложенный Стилинджером (Stilinger) – Вебером
(Weber). Суть этого метода заключается в том, что периодически,
через малые промежутки времени (10
действующие со стороны подложки на подлетающий атом. Это позволяет определить результирующую силу и затем направление и
путь атома в течение следующего периода времени.
Однако до сих пор на базе этой модели не создано стройной теории, которая бы всесторонне отражала механизм роста при МЛЭ.
Очень часто в практике используется вторая модель – молекулярно-кинетическая, основанная на вероятностных оценках того или
иного события или, как принято говорить, на методе Монте-Карло.
Этим методом будем пользоваться и мы.
Начнем с самого начала процессов – получения пучков молекул в
эффузионных ячейках. Для вычисления потоков из ячейки будем
пользоваться формулой
G=
⋅
1,118 10
–15
с), рассматривают все силы,
pA
22
⋅
, (1.8)
2
1
2
⋅
где р – давление в ячейке, Па; А – площадь апертуры ячейки; L – расстояние между подложкой и ячейкой, см; М – молекулярная масса;
Т – температура эффузионной ячейки, °С.
основного вещества и 10
роста вычисляется по формуле
где T
до встраивания, нс; t – угол падения потока на подложку, град.; V
объем одного атома в решетке, м
станта Больцмана; T
ду (МС/с).
14
Обычно величины потоков находятся в пределах 10
R= V G t)
T+T(t)
c ν
– время жизни атома до десорбции, нс; Tс – время жизни атома
v
7
– 109 для легирующих примесей. Скорость
T
ν
– температура подложки, °С.
s
cos(
o
3
; P(T) – давление пара, Па; K – кон-
P(T)
−
2π
⎥
, (1.9)
1
2
s
⎦
– 1016 для
–
o
Характерные для МЛЭ скорости роста около 1 монослоя за секун-
17
При попадании атома на подложку возможны три варианта его
d
kT
g
g
p=A +CT+D T
поведения:
1. Встраивание в решетку произойдет в случае, если:
– он попадает на место, не занятое другим атомом;
– место под ним (в нижнем слое) занято, т.е. ему есть с чем обра-
зовать связь;
– если ему можно находиться на этом месте (в случае роста со-
единения).
Алгоритм расчетов учитывает, что встраивание всегда происходит
в самом нижнем слое из возможных.
2. Диффузия по поверхности имеет место, если атому необходимо
диффундировать до места, энергетически выгодного для встраивания.
E
⎛⎞
D= D
o
exp
iff
⎜⎟
⎝⎠
– коэффициент диффузии; Ls = (D ts) – диффузи-
s
онная длина.
где t
– время жизни атома на поверхности; E
s
поверхностной диффузии; D
– предэкспоненциальный множитель.
o
– энергия активации
diff
3. Испарение с поверхности имеет место, если не выполняются указанные выше условия, необходимые для встраивания или диффузии.
Этот алгоритм роста пленки довольно упрощенный, но зато расчет
является достаточно быстрым. На самом деле на поверхности происходят более сложные процессы, которые не изучены полностью.
Очень важной чертой МЛЭ является возможность контролируемого легирования во время роста пленки путем включения дополнительного молекулярного источника соответствующей примеси.
Обычно для легирования соединений типа А
IIIВV
в качестве доноров
используют Si, Sn и Ge. Рост эпитаксиального слоя происходит в неравновесных условиях за счет бомбардировки подложки молекулярным пучком ростообразующих компонентов. Тем не менее использование термодинамического анализа способствует изучению и моделированию процесса.
Для неразлагающихся веществ давление насыщенного пара вещества (Па) от температуры (Т, К) находят из зависимости
где коэффициенты A, В, C, и D табулированы для различных веществ, коэффициент В связан с энтальпией испарения вещества.
18
0
l
B
−
l
, (1.10)
T
Для разлагающихся соединений типа А
i
i
p=pa=pxy
IIIВV
, А
IIIВVI
и других ис-
пользуются Р-T-Х-диаграммы.
Для реальных растворов парциальное давление i-го компонента
определяется по закону Рауля
и xi – активность и мольная доля компонента i в растворе; γi –
где a
i
00 0
ii
коэффициент активности компонента i в растворе; р
парциальное давление i-го компонента в растворе; р
, (1.11)
0
– равновесное
i
0
–равновесное
давление чистого компонента.
При малой скорости роста эпитаксиального слоя (малом пересыщении) термодинамическое равновесие достигается в процессе образования кристаллической структуры слоя (встраивания атомов в кристаллическую структуру). Лимитирующими стадиями процесса роста
являются плотность потока атомов к поверхности (плотность атомного пучка) и диффузия атомов по поверхности к ступеням роста.
На рис. 1.7 приведена схема возможных механизмов кристаллизации. Механизму пар – кристалл (П–К) соответствуют малое давление
паров конденсируемого вещества (р
лизации (Т
туре (Т
). При большом давлении паров (р2) и высокой темпера-
1
) рост происходит по механизму пар – жидкость – кристалл
2
) и низкая температура кристал-
1
(П–Ж–К). При МЛЭ кристаллизация обычно протекает по механизму
пар – кристалл (П–К).
Рис. 1.7. Механизм кристаллизации в зависимости от температуры (Т)
и давления насыщенных паров (Р)
19
Краткие сведения из молекулярно-кинетической теории га-
kT RT T
mM M
RT 3RT T
mM M
P=nkT
i
kT A
p
n
pRTM
зов, используемой при МЛЭ
В замкнутом объеме при отсутствии воздействия внешнего поля
согласно закону статистической термодинамики молекулы газа двигаются с различной скоростью.
Среднеарифметическая скорость молекул (м/с) определяется их
массой и температурой и рассчитывается по формуле
88
v= = =
145,5
. (1.12)
ππ
Среднеквадратичная скорость молекул (м/с) определяется зависимостью
3
v= = =
158
. (1.13)
Давление газа (Па) на стенки сосуда за счет соударений с ней молекул газа определяется зависимостью
, (1.14)
где n – число атомов в единице объема.
Длина (см) среднего свободного пути атомов между столкновениями
l= =
1
2πσ
2
p
i
, (1.15)
где σ – диаметр молекул.
При l
>
d, где d – расстояние между стенками камеры, молекулы
1
газа в объеме камеры двигаются без столкновения. Такой режим носит название молекулярный.
Глубокий вакуум определяет большую длину свободного пробега
молекул из испарителя. Плотность потока компонента (моль/м
2
с)
определяется уравнением Ленгмюра:
где α
– коэффициент испарения, учитывающий возврат молекул
исп
пара в испаритель при межмолекулярном столкновении и со стенками испарителя.
20
0
j=α
исп исп исп
2π
i
, (1.16)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]