13. Епітаксія. Методи проведення епітаксії. Дефекти епітаксійних плівок.

Епітаксія. (епі – над, таксі - порядок).

Це упорядковане зростання плівок над підшарком. Від звичайних плівок відрізняються структурою.

Звичайні плівки – аморфна, або дрібнокристалічна. Епітаксіальні- кристалічні.

Процес епітаксії частково відрізняється від звичайного процесу зростання плівки.

Епітаксія може бути:

1) автоепітаксія (або гомо епітаксія) плівка того ж складу, як і підшарок (Si на Si);

2) гетероепітаксія – це плівка іншого елементу (Ge на Si);

3) хемоепітаксія – зростає плівка в результаті взаємодії налітаючих атомів і атомів підшарку (приклад, налітає N).

При епітаксії можуть бути декілька процесів взаємодії:

- прямі процеси: (Si прямо осаджується на Si) без взаємодії з іншими атомами;

• непрямі: коли є проміжна взаємодія з іншими атомами.

Фізика епітаксіального осадження:

Епітаксіальне осадження плівок принципово відрізняється від звичайного осадження, так як епітаксіально плівка має кристалічну структуру.

1 – дефект сходинка;

2 – поверхнева вакансія;

3 – дівакансія (скопичення вакансій);

4 – адатом (адсорбований атом);

5 – скопичення адатомів.

При епітаксії: при налітанні атомів спочатку заповнюються вакансії, дівакансії і скопичення вакансій.

Так як Тº кристала підвищена адатоми мігрують по поверхні і локалізуються на сходинках. Особливо на грибах. Сходинка спрямляється.

Потом інші атоми починають локалізуватись біля сходинки. Сходинка починає рухатись, після заповнює повністю поверхню і сходинка починає формуватись спочатку.

Для того щоб прискорити процес зростання роблять деякий зріз ≈5-7º.

Це приводить до того, що одночасно рухається багато сходинок на різних поверхах. Це різко прискорює процес наростання епітаксіально плівки.

Методи нанесення епітаксіальних плівок.

Використовують слідуючі методи:

1) з паровою фазою (вакуум);

2) газофазний;

3) рідиннофазний;

4) твердо фазний;

5) молекулярно-променевий;

6) лазерний.

З паровою фазою (вакуум):

Під дією електричного променя поверхня джерела нагрівається, атоми розпилюються і проходять через вакуумну камеру до підшарка. Майже без взаємодії між собою і іншими частками.

На поверхні підшарку протікає процесс, який розглянутий раніше.

Процес епітаксії протікає в вузькому діапазоні температур Тmin<TE<Tmax.

Для цього нагрівач регулює температуру режима.

Tmax – температура при якій налітаючий атом швидко реіспаровується (обратно), таким чином плівка зовсім не зростає.

Тmin – поверхнева міграція дуже уповільнюється і починає зростати аморфна плівка (звичайна плівка, а не епітаксіальна).

Епітаксійній процес дуже чутливий до Тº підшарка, структури поверхні, вакуума в камері, швидкості випаровування (Твипар.).

Будь-які відхилення приводять до руйнування структури, або різкого збільшення концентрації дефектів.

Газофазна епітаксі:

Для цього використовують трубу, відвід газів через отвір, систему утилізації газів. Підводилась газова суміш. Пластини під кутом, щоб газовий потік був приємліміший.

1. основний газ (SiCl₄, SiH₄);

2. легуючий газ (BBr₃), з якого виділяється легуюча домішка;

3. газ носій, для розбавлення суміші і для видалення продуктів реакції (Н₂ ,Ar, N₃);

4. дезактивуючий газ, який зменшує хімічну активність газів в системі.

Основний газ в системі, або на поверхні розкидається з виділенням елементарного Si. Інші компоненти виводяться з камери шляхом утилізації і навіть дезактивізації.

Такий процес являється розповсюдженим для епітаксії кремнієвих плівок.

Рідиннофазна епітаксія:

Використовують нагрів системи, де є зона активного нагріву.

1 – зона активного нагріву;

2 – ложе лен;

3 – сосуди з рідиною, перенасичена суміш з якої під дією Тº виділяються атоми плівки:

4 – платини;

5 – плівка, яка контролюється подачею напруги.

Виходячи з зони активного нагріву осаджена плівка формується в епітаксіально.

Різновидом рідиннофазної епітаксії є електроепітаксія.

Подача напруги дозволяє регулювати процес осадження плівкию

Особливо використовують при осадженні н/п з`єднать (А₁₁₁ В_v ,A₁₁ B_v1).

Твердофазна епітаксія:

Використовують від 2 до 4 шарів звичайних плівок, де обов`язково є головна плівка (аморфна), і плівки з яких буде траплятись легування.

При відповідному нагріві системи основна плівка починає кристалізуватись і одночасно легуватись з інших плівок.

Доцільно використовувати при створенні тонких епітаксіальних плівок.

Променева епітаксія:

Використовують достатньо складну вакуумну камеру з різними входами.

Через входи підключаються системи формування основного пучка (наприклад Si пучьок), системи нагріву (електронно променевий нагрів, лазерний), системи створення легуючого пучка, системи контролю (оптичні методи контролю, ВІМС – вторинна іонна мас спектрометрія, лазерна мас спектрометрія ЛМС), системи контролю товщини плівки (фізичні, електро фізичні, оптичні), системи контролю структури плівки (електронографія, дифракція повільних електронів).

Така система дуже дорога, плівка зростає дуже повільно, приблизно 1 шар в секунду ≈0,5 нм в сек.

Але такі плівки дуже якісні, дуже тонкі з дуже стабільними і передбаченими параметрами (створення зверхгратки).

Цей метод доцільно використовувати в наноелектроніці. Це більш перспективний етап створення.

Лазерна епітаксія:

Нагрів системи протікає за рахунок лазерного променя можливо 2 варіанти:

- твердофазна лазерна епітаксія (локально нагріває структуру, одночасно протікає кристалізація і легування).

• лазернагазофазна епітаксія; (промінь розкидає молекули)

Обидва варіанти дозволяють форму в плівці з конкретною топологією.

Обидва методі ще зовуть промоепітаксія.

Дефекти епітаксійних плівок. (ЕП)

ЕП як правило повторюють дефекти, які є на підшарку.

Основні дефекти: дислокації, дефекти упаковки.

Дислокації:

Починає зростати плівка, дислокації розповсюджуються, а деякі ні.

Так як деякі дислокації зникають, лікуються в процесі зростання ЕП.

Дефекти упаковки:

В підшарку є дефекти в процесі наростання плівки, збільшуються.

На поверхні формуються різні фігури (трикутники, рівнобедрені трикутники, квадрати, прямокутники, незавершені трикутники, окремі полоски, а також будь які інші фігури, цвях що лежить і інші фази).

Вигляд фігури залежить від кристалографічної орієнтації поверхні.

Як боротися з дефектами: це удосконалення обробки вихідної поверхні кристала (підшарка).