Перегляд Процеси нанотехнології - навчальний посібник (Ілюшин В

1.1.3. молекулярні джерела

Щільність потоку атомів чи молекул вздовж осьової лінії молекулярного джерела з відривом L від апертури тигля визначається першому наближенні виразом

де , Па - тиск насиченої пари матеріалу, що випаровується при температурі ; , см2 - Площа апертури тигля. Наприклад, галій при температурі 1243 має тиск насиченої пари Па, . При

см+2 та см отримуємо атомів/(см2 с). Отримане значення є оцінним, оскільки реальне джерело не є рівноважним, і тиск пари в апертурній площині джерела відрізняється від тиску насиченої пари при даній температурі. Розрахункова формула повинна містити поправний множник, який може бути обчислений безпосередньо. Таким чином, щільність потоку атомів із МІ залежить не тільки від температури, яка може бути задана з високою точністю, але й від таких важко контрольованих факторів, як ступінь заповнення тигля (впливає на значення параметрів та ), його форма (впливає на діаграму спрямованості) , площа поверхні випаровування, і з багатьох інших. З вказаної причини потрібне періодичне калібрування молекулярних джерел. Це може бути зроблено введенням в пучок в безпосередній близькості від підкладки будь-якого датчика, наприклад, іонізаційного датчика вакуумметра.

Стабільність пучка під час зростання визначається переважно тепловим режимом молекулярного джерела. Тепловий режим, у свою чергу, залежить від таких дій, як відкривання та закривання заслінки МІ, від розігріву несучого фланця, а разом

з ним і холодні спаї термопари. Нестабільність пучків найбільш істотна при вирощуванні багатокомпонентних сполук з жорсткими вимогами щодо складу та рівня легування.

Зовнішній вигляд типовогомолекулярного джерела представлено на рис. 3. Зазначимо конічну форму тигля. Така форма необхідна формування заданої діаграми спрямованості МІ та зменшення її залежність від ступеня заповнення тигля. Джерела такого типу зазвичай використовуються для випаровування галію, алюмінію, індії та для легуючих елементів – кремнію, берилію.

Мал. 3 . Молекулярне джерело: 1 – тигель із піролітичного нітриду

бору чи скловуглецю; 2 – резистивний нагрівач із танталового дроту;

3 – тепловий екран із танталової фольги; 4 – термопара; 5 – несучий фланець

Матеріали п'ятої групи системи елементів Менделєєва миш'як, сурма, фосфор витрачаються набагато інтенсивніше елементів третьої групи. Для їхньої сублімації доцільно

використовувати джерела з тиглями великого обсягу. Крім того, встановлено, що миш'як сублімується переважно

як молекул As4. У плівці GaAs у своїй виникають специфічні дефекти. Якщо зростання виробляється з допомогою пучка молекул As2, такі дефекти не утворюються. Молекулярні джерела формування пучка As2 є двозонними (рис. 4).

Мал. 4. Двузонне молекулярне джерело: 1 – високотемпературна

зона крекінгу; 2 – несучий фланець; 3 – вентиль; 4 - контейнер низькотемпе-

ратурної зони; 5 – натікач

Контейнер з миш'яком знаходиться в низькотемпературній зоні поза частиною високовакуумного модуля росту, що прогрівається. Температура цієї зони визначає величину молекулярного потоку. Високотемпературна зона використовується для каталітичного розкладання молекул As4 As2 на гарячій металевій нитці. Між зонами зазвичай є вакуумний вентиль, що дозволяє точно регулювати величину потоку молекул, а також від'єднувати контейнер із матеріалом відвисоковакуумної частини на час відпалу чи перезавантаження.

Максимальна робоча температура джерела наведеного на рис. 3 зазвичай не перевищує 1200 °С, оскільки формований молекулярний пучок при таких температурах забруднюється сильно нагрітими конструкційними матеріалами. Тому для формування досить інтенсивних (що забезпечують швидкість зростання

1 мкм/год) пучків тугоплавких елементів ці джерела не придатні. Наприклад, такі джерела використовуються для легування кремнієм епітаксійних плівок GaAs, але епітаксійні плівки кремнію вирощуються з використанням електронно-променевих випарників (ЕЛІ). При розігріванні кремнієвої мішені електронним пучком реалізується режим автотиглю. При цьому розплавляється тільки невелика область мішені, з якої, власне, відбувається випаровування. Випаровування германію в ЕЛІ виробляють з графітових тиглів, оскільки внаслідок високої теплопровідності германію зазвичай розплавляється вся мета. Зміна швидкості зростання забезпечується зміною струму розжарення катода електронної гармати. Енергія електронів зазвичай становить кілька кеВ. Поворот та фокусування електронного пучка у центр мішені здійснюється магнітним полем. Фрагмент конструкції ЕЛІ наведено на рис. 5.

Мал. 5. Фрагмент електронно-променевого випарника:

1 – прискорювальний електрод; 2 – фокусуючий електрод;

3 – катод; 4 - відбиває електрод; 5 – мета; 6 – корпус

ЕЛІ, що охолоджується водою; 7 – кремнієві екрани

Зміст

---