Технології наноелектроніки
Молекулярно-променева епітаксія.
Епітаксія є одним із найважливіших технологічних процесів при створенні мікро- та наноструктур.
Під епітаксією розуміють орієнтоване зростання шарів, кристалічні грати яких повторюють ґрати підкладки.
Якщо підкладка і вирощений шар складаються з однієї речовини, такий процес називається автоепіаксією. Гетероепітаксіальний процес відбувається при вирощуванні шарів з різних речовин. У процесі хемоепітаксії відбувається утворення нової фази при хімічній взаємодії речовини підкладки з речовиною шару, що формується.
Молекулярно-променева епітаксія (МЛЕ) є одним із сучасних та перспективних технологічних методів вирощування тонких монокристалічних шарів та напівпровідникових структур на їхній «лові». Молекулярно-променева епітаксія заснована на процесі взаємодії кількох молекулярних пучків з нагрітими моно-кристалічною решіткою та подальшого осадження на ній елементарних компонентів.
Формування епітаксійних шарів відбувається в процесі керованого випаровування речовини з одного або декількох джерел, що створюють молекулярні пучки, в умовах надвисокого вакууму. Зростання епітаксійних шарів відбувається на нагрітій монокристалічній підкладці при реакції між декількома молекулярними пучками різної інтенсивності та складу.
При цьому забезпечується і легко відтворюється гранично висока якість шарів із заданим хімічним складом, у тому числі виняткова досконалість структури та однорідність товщини епітаксійного шару. Метод МЛЕ має дуже широкі можливості: він дозволяє використовувати при вирощуванні різні способи маскування, вирощувати епітаксійні шари елементарних напівпровідників, напівпровідникових сполук,металів та діелектриків, гетероструктури з високою якістю меж між шарами. Можуть вирощуватися гетеропереходи зі сполученими решітками і з періодом кристалічних решітки, що поступово змінюється. Методом МЛЕ вдається здійснювати гетероепітаксію різнорідних матеріалів, вирощуючи, наприклад, сполуки A3B5на кремнієвих або діелектричних підкладках, що надзвичайно важливо для інтеграції в одному кристалі оптоелектронних та інтегрально-оптичних систем на арсеніді галію з обчислювальними модулями або іншими системами обробки інформації на кремнії.
Крім того, в обладнанні для МЛЕ розміщують прилади, що дають змогу аналізувати параметри шарів у процесі вирощування. Використання чистих джерел матеріалів, надвисокий вакуум, різні методи діагностики зростаючого шару в поєднанні з комп'ютерною системою управління параметрами процесу — все це призвело до створення якісно нової технології.
Установка молекулярно-променевої епітаксії і двох камер: камери зростання і камери аналізу (рис. 2.1). В обох камерах створюється безмасляний надвисокий вакуум (-8Па).
Рис.2.1 Схема установки молекулярно-променевої епітаксії:
1-камера зростання; 2-камера аналізу;
3-вакуумний клапан; 4- тримач підкладки;
5-випарники; 6-охолоджувані екрани;
7-заслінка; 8-квадрупольний мас-спектрометр;
9-іонна гармата; 10-дифрактометр повільних електронів та Оже-спектрометр;
У камері зростання відбувається формування епітаксійних плівок. Випарники являють собою ефузійні осередки Кнудсена, в яких відбувається повільне закінчення молекул, що випаровуються через мале отвір (рис. 2.1, поз. 5). З таких осередків особливо добре випаровуватиматеріали, що виганяються з твердої фази і мають погану теплопровідність. При їх випаровуванні з відкритих джерел може відбуватися відколювання найдрібніших частинок матеріалу та викидання цих частинок у бік підкладки. Основною перевагою ефузійних осередків Кнудсена є сталість швидкості витікання з неї пари речовини, що випаровується під час процесу напилення.
З метою зменшення теплової взаємодії та запобігання взаємного забруднення джерел випарні осередки поділяють екранами, що охолоджуються рідким азотом. У кожному випарному осередку міститься одне із елементів, у тому числі вирощується шар. Температура кожного випарного осередку вибирається те щоб забезпечити вихід із неї молекулярного пучка потрібної інтенсивності. Для деяких матеріалів з низьким тиском парів температури, необхідні для забезпечення адекватної інтенсивності пучка, такі високі, що доводиться використовувати не випаровування з осередків з резистивним нагріванням, а застосовувати безпосереднє випаровування електронним пучком. Вибираючи відповідні температури випарників та підкладки, можна отримати епітаксійні шари необхідної стехіометрії складу. Між кожним з випарних осередків та підкладкою встановлені індивідуальні заслінки, які дозволяють дуже швидко перекривати пучки. Заслінки керуються зовнішніми сигналами, у т.ч. від ПК. Це дає можливість змінювати склад або рівень легування структур, що вирощуються буквально на міжатомній відстані.
Вирішальним для якості майбутнього шару є якість виготовлення підкладки. Насамперед, необхідно мати непошкоджену атомарно чисту поверхню. Звичайна процедура приготування підкладки включає хімічну обробку розчином Вr2з метанолом, а також сумішами сірчаної кислоти, перекису водню та водиу різних співвідношеннях (зазвичай 7:1:1). Для видалення оксиду і слідів вуглецю підкладку розігрівають до 555 ±5oЗ потоці миш'яку. Для видалення вуглецю використовується також високотемпературне іонне очищення.
Зміну підкладок роблять без розгерметизації камери зростання, використовуючи для цього вакуумні шлюзи, оскільки досягнення надвисокого вакууму - дуже тривалий процес. Наявність вакуумних шлюзів дозволяє працювати протягом багатьох тижнів без розгерметизації камери.
Виготовлення епітаксійних структур з атомними розмірами товщини шарів вимагає вирощування атомно-гладких поверхонь при температурах підкладки настільки низьких, щоб у процесі зростання практично не відбувалося об'ємної дифузії. Оптимальна температура при здійсненні МЛЕ зазвичай на 100 - 200оЗ нижче температури, яка використовується при проведенні епітаксії з рідкої або газової фази. Для GaAs вона становить приблизно 500 - 650оС. Такій температурі відповідає низька швидкість росту шару 0,1 нм/с, що еквівалентно вирощуванню одного моноатомного шару в секунду. Ця обставина призводить до необхідності підтримки особливо високого вакууму для забезпечення мінімального неконтрольованого введення домішок у шар, що росте.
При вирощуванні шарів GaAs методом МЛЕ атоми галію і молекули As2і As4падають на підкладку GaAs. До поверхні підкладки «прилипають» майже всі атоми галію. Потік атомів миш'яку робиться надлишковим, але тільки один атом As на кожен атом Ga залишається на підкладці, формуючи стехіометричний склад шару, що вирощується (рис. 2.2).
Рис.2.3. Модель механізму зростання GaAs з молекулярних пучків Ga та As4(а) та пучків Ga та As2(б).
Основним процесом є реакція дисоціативноїхемосорбції молекул As2на поверхневих атомах галію.
Коефіцієнт прилипання молекули As2близький до одиниці, тоді як молекул As4не досягає значення 0.5.
Атоми As, які не утворили зв'язку з Ga, випаровуються з поверхні. Інтенсивність молекулярних пучків і, отже, швидкість осадження можна змінювати, змінюючи температуру галієвого джерела. Зазвичай щільність потоку галію близька до 1015атом/(см2∙с), а для миш'яку вона в 5 - 10 разів вище. Джерелом молекул миш'яку є, як правило, твердий миш'як, джерелом галію - твердий галій. Тут слід зауважити, що швидкість росту шарів сполук А3В5визначається щільністю потоку атомів елемента А3, а стехіометрія шару досягається підтримкою надлишкового (порівняно з А3) потоку молекул В5. Це відноситься до тих сполук А3В5, компоненти яких мають суттєво різні пружності парів при температурах епітаксії (GaAs, GaP, InAs, InP).
Для вирощування сполук AlGaAs потрібне джерело Аl, при цьому співвідношення Al і Gа в шарі, що росте, буде пропорційно співвідношенню щільностей потоку в їх пучках. Крім температури, у випарному осередку щільність потоку залежить від молекулярної маси атомів або молекул, що випускаються, від сумарної площі отворів ефузійного осередку і від відстані до підкладки.
Свіжоприготована для епітаксії підкладка сполук А3В5покрита пасивним шаром оксиду, який служить захистом від атмосферних забруднень перед епітаксійним зростанням. Після того, як система МЛЕ відкачано, екрани охолоджені рідким азотом і ефузійні осередки виведені на потрібну температуру, починається нагрівання підкладки. У разі нагрівання підкладкиз GaAs його оксид десорбується в інтервалі температур 580 - 600 °С, а у випадку InP - приблизно при 520 °С, після чого підкладка стає майже атомарно чистою та придатною для епітаксійного нарощування. Якщо підкладка належним чином підготовлена і атомарно чиста, епітаксиальний шар буде атомарно гладким за умови, що відношення чисел атомів п'ятої і третьої груп в молекулярному пучку перевищує деяке значення, забезпечуючи As-стабілізовану структуру поверхні. Це значення також функція температури підкладки.
У промислових системах МЛЕ при температурі підкладки 620 °З може бути досягнуто швидкість зростання шару GaAs до 10 мкм/год. Оскільки процес МЛЕ відбувається у надвисокому вакуумі, його можна контролювати за допомогою різних діагностичних методів, помістивши в систему відповідну апаратуру, зокрема,
-мас-спектрометр для аналізу як атомних, так і молекулярних пучків та фонової атмосфери;
-Дифрактометр повільних електронів;
-електронний оже-спектрометр з метою контролю складу шару, різкості кордонів та взаємної дифузії;
-іонний вакуумметр, що контролює нейтральні атомні пучки;
- квадрупольний мас-аналізатор для контролю інтенсивності пучків та
-іонну гармату для очищення поверхні підкладки
-Для дослідження шарів, вирощених методом МЛЕ, використовуються і багато інших приладів та методів.
Можливість контролю безпосередньо в процесі вирощування – одна із значних переваг МЛЕ. Багаті можливості контролю та аналізу дають МЛЕ суттєві переваги перед іншими технологічними методами. Весь процес контролюється та керується комп'ютером.
Молекулярно-променева епітаксия забезпечує:
- отриманнямонокристалічних шарів високої чистоти, тому що їх зростання здійснюється у надвисокому вакуумі при високій чистоті потоків речовин;
-вирощування багатошарових структур з різкими змінами складу на межах шарів завдяки відносно низькій температурі росту, що перешкоджає взаємній дифузії;
- одержання гладких бездефектних поверхонь при гетероепітаксії, що обумовлено ступінчастим механізмом росту;
- одержання надтонких шарів з контрольованою товщиною за рахунок точності управління потоками та щодо малих швидкостей зростання;
створення структур зі складними профілями складу та (або) легування.
Метод МЛЕ є перспективним з погляду отримання покращених характеристик, надзвичайно високої точності, однорідності та високої досконалості поверхні, він дозволяє суттєво підвищити порівняно з іншими методами вихід придатних гетероструктур.
В даний час МЛЕ є повністю відпрацьованою технологією з великими потенційними можливостями. Завдяки такій гідності, як згладжування поверхні епітаксійного стоячи в процесі зростання, метод МЛЕ особливо зручно використовувати для вирощування гетеропереходів, надграт і багатошарових структур. В даний час домінуючою областю використання даного методу є отримання структур низької розмірності та нанокомпозицій неорганічної природи на основі сполук A3B5, A2B6, A4B4.