МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ В УСТАНОВКАХ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ

Цель работы:Ознакомиться с использованием диффузии быстрых электронов для управления процессом молекулярно-лучевой эпитаксии.

Используя выбранную модель роста, подобрать оптимальный режим технологического процесса выращивания эпитаксиальных структур на основе арсенида галлия.

Теоретическая часть.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) как технологический процесс проходит в сверхвысоковакуумных камерах и хорошо сочетается с широким спектром методик исследования и контроля, таких, как ВИМС (вторичная ионная масс-спектроскопия), ДМЭ (дифракция медленных электронов), ДБЭ (дифракция быстрых электронов) ОЭС (оже-электронная спектроскопия), эллипсометрия, РФЭС.

Глубокий вакуум позволил осуществлять предэпитаксиальную обработку поверхности подложек с использованием ионно-лучевого, ионно-плазменного и лазерного их травления.

При обработке кремниевой поверхности ионами азота не удаляется адсорбированный углерод, нарушается структура поверхностного слоя. Более эффективным оказался метод предварительной защиты поверхности углеродофобной пленкой SiC. Ее удаление производят легким лазерным облучением (1,5 Дж/см) за счет образования летучей SiO, снимая около 3 нм кремния. Химическое травление кремниевой поверхности производят уксусной кислотой с одновременным воздействием поверхностных акустических волн и слабого лазерного облучения для фотолиза примесей на поверхности и отжига дефектов. При обработке поверхности GaAs ионами As одновременно с удалением загрязнений устраняются точечные дефекты, возникающие за счет потерь As.

К большому преимуществу МЛЭ относится также возможность использования ряда прецизионных методов контроля за процессом insiti во время роста слоя. Такие методы, как массспектрометрия атмосферы в реакторе, контроль за скоростью роста и составом растущего слоя возможны только в условиях высокого вакуума. Развитая система контроля и управления процессом обеспечили полную автоматизацию и компьютерное управление ростом слоев.

Все это привело к созданию качественно новой технологии, способной решать следующие задачи:

- получение слоев высокой чистоты за счет роста в сверхвысоком вакууме и высокой чистоты исходных компонентов;

- выращивание сверхтонких многослойных структур с резкими изменениями состава на границах раздела слоев за счет относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии;

- получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпитаксии за счет послойного роста, исключающего возможность зародышеобразования;

- получение сверхтонких слоев (сверхрешеток) с контролируемой толщиной за счет точности управления потоками исходных компонентов и относительно малых скоростей роста (один монослой в секунду);

- создание структур со сложным составом и со сложным профилем легирования;

- создание структур с заданными напряжениями растяжения или сжатия, т.е. локально модифицирующими зонную диаграмму - «зонная инженерия»;

- обеспечение экологической чистоты процесса.

Аппаратурное оформление процесса.

В настоящее время выпускаются установки с различной комплектацией. На рисунке 4.1 показана схема одного из типов установки.

Рисунок 4.1. Схема установки для МЛЭ (вид сверху): 1 - флуоресцентный экран, 2 - заслонки эффузионных ячеек, 3 - фланцы эффузионных ячеек, 4 - экраны с азотным охлаждением, 5 - электронная пушка дифрактометра, 6 - основная заслонка, 7 - подложкодержатель, вращающийся со скоростью от 0,1 до 5 рад/мин, 8 - ионизационный индикатор, 9 -шлюзовой клапан, 10 - вакуумный шлюз для смены образцов, 11 - смотровое окно, 12 - ось двигателя с переменным числом оборотов и электропитание нагревателя подложки.

В реакторе создается безмасляный глубокий вакуум. По стенкам его устанавливаются экраны, охлаждаемые жидким воздухом для конденсации остаточных и выделяемых газов в процессе работы.

Подложка крепится на подложкодержателе, вращающемся с помощью приводного механизма. Испарители различных материалов в виде камер Кнудсена с индивидуальным нагревом направлены в сторону подложки. На пути потока паров вещества установлены индивидуальные заслонки и одна общая для всех испарителей. Для смены образцов используется шлюз, позволяющий загружать пластины без нарушения вакуума в камере. Установка оснащена контрольно-измерительным оборудованием в виде дифрактометра и экрана для наблюдения за процессом роста эпитаксиального слоя. Часто используются дополнительные контрольно-измерительные приборы в виде масс-спектрометра, позволяющего следить за вакуумом в установке и составом остаточных газов, может использоваться также Оже-спектрометр.

Подложки (несколько штук) располагаются на манипуляторе 1, позволяющем поочередно проводить на них процесс эпитаксии. В качестве источников служат камеры Кнудсена с самостоятельным нагревом и заслонкой для управления временем экспозиции.

К важным преимуществам МЛЭ относится также возможность использования ряда прецизионных методов контроля за процессом insitu во время роста слоя. Такие методы, как масс-спектрометрия атмосферы в реакторе, контроль за скоростью роста и составом растущего слоя возможны только в условиях высокого вакуума.

Если проведение процессов МЛЭ имеет научные цели, установка обычно снабжается дополнительной исследовательской камерой, где располагаются средства для проведения исследований. Чаще других в настоящее время в исследовательских камерах используются ВИМС, которая характеризуется наибольшей чувствительностью по сравнению с перечисленными методиками (до 10¹³ - 10¹⁴ ат/см³), возможностью определения всех без исключения элементов, и ОЭС, дающая уникальную возможность исследования составов сверхтонких слоев (минимальная толщина пленки в пределе достигает 1-2 нм при чувствительности до 0,0001 мас. %). Кроме того, для наблюдения за процессом и исследования растущего слоя в ростовую камеру помещаются масс-спектрометр (МС), дифрактометр быстрых электронов (ДБЭ), ДМЭ.

В промышленных установках, как правило, используется минимум методик. Такие установки могут не иметь исследовательской камеры, ростовая камера обычно снабжается масс-спектрометром, датчиком ионов, ДБЭ.

Масс-спектрометр является удобным средством обнаружения течи в вакуумной системе; контроля состава остаточных газов; контроля вновь установленных частей установки по газовыделению; исследования кинетики процессов на поверхности растущего слоя (при использовании специальных методик и математической обработки сигналов).

Ростовые камеры современных технологических комплексов МЛЭ оборудованы, как правило, квадрупольным масс-спектрометром для анализа остаточной атмосферы в камере и контроля элементного состава получаемого материала на всех этапах технологического процесса. Для контроля структуры и морфологии формируемых эпитаксиальных структур в камере роста располагается также дифрактометр отраженных быстрых электронов.

Применение МС для количественных исследований в ростовой камере требует большой осторожности. Связь интенсивности детектируемого иона с концентрацией частиц того или иного вещества в атмосфере камеры зависит от большого числа параметров самого МС, таких, как разрешение, ускоряющее напряжение, а также от природы исследуемого вещества. Некоторые параметры МС плывут в ходе эксплуатации, кроме того, их приходится менять для получения интенсивности, пригодной для измерения по каждому из элементов или, например, при изменении условий технологического процесса (изменение интенсивности потоков исходных веществ, напуск газов в систему и т.д.). Это приводит к необходимости постоянных перекалибровок МС.

Сама калибровка МС достаточно сложна и включает два этапа. Сначала МС калибруется по некоторому газу (например, по азоту), давление которого в камере легко измерить в достаточно широком диапазоне. Затем производится пересчет на другие вещества, давления паров которых трудно измерить с большой точностью, т.к. они присутствуют в виде потоков молекул или ионов, а датчики давления располагают обычно так, чтобы они не попадали в зону молекулярных пучков, что привело бы к их загрязнению и снизило бы точность измерений).

Датчик ионов используется для измерения потоков веществ на поверхность подложки, для чего используется ионизация молекулярного пучка и последующее измерение ионных потоков. Датчик обычно убирается из зоны молекулярного пучка после завершения измерений, однако, в ходе работы его элементы постоянно загрязняются веществами из пучков и требуется постоянная перекалибровка.

Электронный луч падает на подложку под очень небольшим углом к ее плоскости, рассеянные электронные волны дают дифракционную картину на люминесцентном экране. Часто в многокамерных комплексах МЛЭ в камере для подготовки и анализа подложек и эпитаксиальных структур располагаются электронная пушка с энергоанализатором вторичных электронов и ионная пушка для очистки подложек ионным травлением и послойного анализа состава эпитаксиальных структур.

ДБЭ используется для контроля состояния поверхности подложки и растущего слоя и даёт возможность судить о структуре поверхности по дифракционной картине на флуоресцентном экране. Угол падения электронного луча на поверхности 1 - 3 градуса. Энергия луча 10-30 КэВ. Электронная пушка включается на непродолжительное время в начале цикла роста, т.к. воздействие электронного луча на поверхность может привести к образованию дефектов в эпитаксиальном слое. В последнее время ДБЭ стали дополняться аппаратурой для регистрации интенсивности рефлекса отражённого поверхностью электронного луча. При этом используется рефлекс, получаемый в результате зеркального отражения от поверхности. Характер измерения интенсивности этого рефлекса рассмотрен ниже. Иногда используют и рефлексы, являющиеся следствием дифракции.

Наблюдение за интенсивностью рефлексов позволяет контролировать не только структуру поверхности роста, но и шероховатость поверхности, длину поверхностной диффузии атомов, скорость роста.

В данной работе вы сможете ознакомиться с использованием ДБЭ при работе на установках МЛЭ.

Для регистрации осцилляции и автоматизации процесса выращивания многослойных структур с заданным количеством монослоёв используется дополнительный блок регистрации.

Для МЛЭ характерны большие отклонения от равновесия в системе "газовая фаза -поверхность слоя (подложка)". На рисунке условно показан рост эпитаксиального слоя. Если диффузионная длина абсорбированных адатомов оказывается меньше расстояния между ступенями, то встраивание происходит на поверхности террас; в этом случае шероховатость поверхности меняется циклически. В следствии этого циклически меняется и интенсивность отраженного электронного луча, возникают осцилляции интенсивности, период которых соответствует времени роста одного монослоя. (рис. 4.2)

Рис. 4.2 Зависимость периода осцилляции от времени роста слоев.

Если условия роста не изменяются, то происходит затухание осцилляции. Затухание осцилляции связано:

1) с изменением плотности ступеней в процессе эпитаксии; ширина террас приближается к значению равному диффузионной длине адатомов на поверхности роста;

2) с нарушением синхронности процессов в различных частях той области поверхности, на которую падает электронный луч, т.е. той области, которая определяет интенсивность отраженного луча (рис. 4.3).

Рис. 4.3 Послоевой рост на ступенях

В каждый момент в области "пятна" электронного луча находится большое число террас с различными условиями отражения для каждой террасы. В результате интенсивность осцилляции уменьшается до некоторого среднего значения.

Интенсивность осцилляции можно восстановить путем прерывания роста и упорядочения поверхности (нагреванием при определенной температуре и давлении паров компонентов). Например при росте GаАs прерывают рост на одну - две секунды и происходит стабилизация поверхности в потоке As.

Влияния диффузионной длины адатомов на поверхности роста на характер осцилляции можно проследить по изменению характера осцилляции при изменении температуры роста. При увеличении температуры роста: увеличивается диффузионная длина адатома; быстрее устанавливается соответствие между диффузионной длиной адатома и шириной террас (плотностью ступеней).

Изменение интенсивности потоков исходных компонентов растущего слоя приводит к изменению скорости роста, что также влияет на характер осцилляции. Скорость роста оказывает сложное влияние на изменение характера осцилляции:

-скорость роста определяет время роста монослоя, т.е. определяет период осцилляции (чем больше скорость роста, тем меньше осцилляция);

-увеличение скорости роста приводит к увеличению шероховатости поверхности и, следовательно, к падению среднего уровня интенсивности осцилляции;

-изменение скорости роста и изменение потоков исходных компонентов приводит к изменению диффузионной длины адатомов на поверхности и, следовательно, к изменению характера затухания осцилляции.

В целом можно сказать, что осцилляция является опосредованной характеристикой скорости роста слоёв