Эпитаксия: особенности и методы проведения

Навигация:

  1. Молекулярно-лучевая эпитаксия
  2. Газофазная эпитаксия
  3. Методы эпитаксии
  4. Жидкофазная эпитаксия
  5. Установки эпитаксии

Эпитаксия – это процесс, при котором наращиваются монокристаллические слои вещества на другом монокристалле. При этом наращиваемые слои принимают ту же ориентацию, что и подложка.

Условием, обеспечивающим легкость проведения процесса эпитаксии, является подобие кристаллических структур, отклонение в отличии допускается до 10-12%.

Кроме искусственной эпитаксии в природе встречаются случаи автоэпитаксии или гомоэпитаксии. Когда на кристалле одного поколения нарастает кристалл другой формы или другого цвета, поскольку изменились условия кристаллизации.

Примечание. При автоэпитаксии нарастание происходит таким образом, что в результате получается одна структура кристалла, т.е. наращенный элемент продолжает кристаллическую решетку первоначального кристалла.

эпитаксия

Также существует гетероэпитаксия, когда наращивается на подложку другое вещество.

Примечание. Гетероэпитаксия невозможна, если два вещества химически взаимодействуют между собой.

Еще одним вариантом эпитаксии является эндотаксия – это когда кристалл растет в середине другого.

Процесс эпитаксии используется для наращивания монокристаллических пленок в нанотехнологии и полупроводниковой промышленности. Наращивание постепенно пленок нескольких слоев дает возможность создавать интегральные схемы, магнитную память, светодиоды и прочее.

Качество наращиваемых пленок сильно зависит от чистоты поверхности подложки, от скорости нанесения и температуры.

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Молекулярно-лучевая (молекулярная или молекулярных пучков) эпитаксия проводится в среде сверхвакуума.

В этом случае получаются слои необходимой толщины и структуры (даже рельефные), есть возможность контролировать процесс наращивания. Но для этого требуется специально подготовленные подложки с атомарногладкой поверхностью.

В молекулярном приборе испаряется вещество, которое впоследствии осаждается на кристаллическую подложку. Между испарителем и подложкой располагаются заслонки, которые позволяют дополнительно управлять процессом путем прерывания или возобновления осаждения молекулярных лучей.

Скорость наращивания слоев очень-очень маленькая: меньше 1000нм/час.

молекулярно-лучевая эпитаксия

Примечание. Сущность метода молекулярно-лучевой эпитаксии достаточно простая, но для ее реализации требуются сложные технические условия.

Для качественной молекулярно-лучевой эпитаксии требуется соблюдение следующих условий:

  • поддержание в рабочей камере устройства сверхвысокого вакуума (10-8Па);
  • осаждаемые вещества должны иметь чистоту 99,999999%;
  • необходимость в молекулярном источнике с регулировкой плотности потока материала.

Системы молекулярно-лучевой эпитаксии дополнительно оборудуются окнами для возможности замены образцов и приборами для анализа получаемых слоев.

Газофазная эпитаксия

Газофазная эпитаксия применяется методом оседания слоев из парогазовой среды.

Газовую эпитаксию можно проводить при пониженном или обычном давлении в специальных установках.

Подложки предварительно нагреваются инфракрасным излучением, индуктивным или резистивным методом до температуры 400-1200 градусов, все зависит от метода осаждения, его скорости и создаваемого давления. При охлаждении подложки формируется поликристаллический слой.

Схема установки для газовой эпитаксии предложена ниже на рисунке.

газофазная эпитаксия

Применяется газофазная эпитаксия для таких случаев:

  • получения нитридных, арсенидных, карбидных и других полупроводниковых пленок;
  • получения слоев вольфрама, меди, никеля, молибдена, титана, тантала;
  • образования износостойких, антикоррозионных, тугоплавких и других легированных покрытий:
  • синтеза углеродных веществ (алмаза, нанотрубок, графена).

Методы эпитаксии

Возможно проведение эпитаксии из газовой среды, жидкой или твердой. Вследствие этого различаются такие методы эпитаксии:

  • газофазная;
  • жидкофазная;
  • твердофазная;
  • молекулярно-лучевая.

Эпитаксия твердофазная не получила широкое распространения. Самой распространенной является газофазная эпитаксия.

Жидкофазная эпитаксия

Жидкофазная эпитаксия позволяет получать многослойные полупроводниковые вещества и монокристаллический кремний.

Жидкость применяется в виде шихты из наращиваемого материала и металла, который легко плавиться и хорошо растворяет подложку – галлий, олово или свинец.

Средой осаждения служит азот и водород или вакуум. Для вакуумной среды необходимо предварительно восстанавливать оксидные пленки, в азотно-водородной среде оксидные пленки восстанавливаются сами.

Расплав при нанесении частично растворяет подложку и устраняет возможные дефекты. Выдержав определенное время при наибольшей температуре соединение постепенно охлаждается.

Недостатком жидкофазной эпитаксии является сложность процесса контролирования толщины, однородности и качества покрытий. Сам процесс является малопроизводительным. Поэтому газофазная эпитаксия является преимущественной перед жидкофазной, кроме случаев, когда жидкофазная эпитаксия является единственно возможным методом или для изготовления сильнолегированных слоев.

Примечание. На качество и свойства осажденных слоев сильно влияет температура расплава, скорость остывания, свойства наносимого и покрываемого вещества, отношение объема расплава к покрываемой площади.

Установки эпитаксии

Установки эпитаксии для разных методов имеют различную конструкцию

Установка для газофазной эпитаксии представляет собой систему из кварцевого реактора с наружным нагревателем. На каркасе имеются панели с газовыми магистралями.

установки эпитаксии

Газовые линии оснащаются клапанами, фитингами и контроллерами расхода газа.

Дополнительно система оснащается манометрами, ротаметром, системой блокировки (на случай избыточного давления).

Для управления работой системы газофазной эпитаксией имеется компьютер.

Примечание. При необходимости возможно доукомплектовать установку вакуумной системой, системой фильтрации выхлопных газов.

Жидкофазная эпитаксия требует от установок выполнения следующих условий:

  • обеспечивать большую производительность;
  • иметь возможность выдержки температур в ректоре 1500-1573К;
  • возможность поддержания инертной или восстановительной атмосферы с контролируемым содержанием кислорода (меньше 10-4%);
  • возможность контроля (подъема и понижения) температуры расплава со скоростью 0,1-4К/мин;
  • длина рабочей тепловой зоны должна быть больше 500 мм с интервалом распределения температуры от – 0,25 до +0,25 градусов;
  • возможность вращения подложки.

установки эпитаксии

Система установки для жидкофазной эпитаксии имеет конструкцию, в которую входит рабочая камера (реактор), нагревательный элемент, система контроля и регулировки температуры, система создания и поддержания вакуума, система газоснабжения, вращающаяся основа для размещения подложки с раствором.

Примечание. В качестве нагревательного элемента в основном используется нагревательная печь сопротивления.

Установка для молекулярно-лучевой эпитаксии имеет самую сложную конструкцию и состоит из трех модулей.

установки эпитаксии

Первый модуль предназначен для подготовки подложки, второй – для эпитаксии полупроводниковых соединений, третий – для эпитаксии простых полупроводников, металлов и диэлектриков.

Вакуумно-механическая система включает в себя модуль для загрузки и выгрузки подложки, систему перемещения подложки и получения сверхвысокого вакуума с системой откачки.

Подача подложек в любую камеру производится специальными манипуляторами без нарушения вакуума.

В камере подготовки подложки имеется ионная пушка для очистки подложки методом ионного травления.

Камера для полупроводниковых соединений имеется два термических испарителя и два электронно-лучевых испарителя.

Камера для простых полупроводников оснащена шестью термическими испарителями.

Для контроля остаточных газов установка для молекулярно-лучевой эпитаксии оснащена масс-спектрометром. Чистота подложки, структура наращиваемой пленки и ее толщина контролируется дифрактометром быстрых электронов.

Камера подготовки подложки оснащена ожеспектрометром для профильного анализа хим. состава подложки и структуры, полученной на ней.

2017-11-18T05:28:42+03:00