Основные  закономерности  роста эпитаксиальных пленок при выращивании из  газообразной  фазы

May 21, 2013 by admin Комментировать »

В литературе принято разделять газообразные фазы на паровые и газовые. Паровой фазой называют газообразную фазу, состав которой совпадает с составом выращиваемого из нее нелегированного вещества или соединения. Газовой называют газообразную фазу, состав которой отличается от состава выращиваемого из нее нелегированного вещества или соединения.

Эпитаксиальное наращивание может осуществляться по  схеме пар (газ) — кристалл [п(г)–к], а также по схеме пар (газ) — жидкость — кристалл [п(г)–ж–к]. В обоих схемах перенос вещества к месту конденсации происходит через газообразную фазу, поэтому скорость роста эпитаксиальных пленок оказывается невысокой.

Движущей силой процесса конденсации из газообразных фаз, как и любого фазового перехода, является разность термодинамических потенциалов газообразной и твердой фаз, причем величина ∆G определяется

P, где ∆P — абсолютное пересыщение газообразной фазы, равное разности между фактическим давлением газообразной фазы и равновесным давлением пара при данной температуре. Величина пересыщения определяет скорость роста кристаллической пленки. Процессы конденсации эпитаксиальных пленок из газообразной фазы в основном аналогичны процессам, которые подробно обсуждались в гл. 4 и 6, посвященных процессам зарождения центров новой фазы, механизмам роста и мето

Рис. 9.2. Схема осаждения атомов и образования ориентированных зародышей на монокристаллическую пленку.

дам выращивания объемных монокристаллов из газообразной фазы.

Ниже мы рассмотрим особенности ростовых процессов при эпитаксии.

При росте по схеме п(г)–к процесс осаждения атомов на подложку с образованием и  ростом монокристаллических зародышей можно представить следующим образом. При соударении атома с поверхностью подложки он либо адсорбируется на ней, либо возвращается обратно в газообразную фазу (рис. 9.2). Процесс адсорбции характеризуется коэффициентом термической аккомодации α

После достижения равновесия в адсорбированном слое (равновесие между адсорбированными частицами и зародышами) начинается образование стабильных зародышей конденсируемой фазы (центров новой фазы). Рост и срастание центров новой фазы приводит к образованию эпитаксиальных слоев. Образование первых стабильных зародышей требует больших пересыщений, чем их последующий рост (см. гл. 4).

Таким образом, адсорбированный на поверхности подложки атом может участвовать в одном из трех процессов (см. рис. 9.2):

1) десорбции с поверхности (обычно при больших Tп);

2) образовании вместе с другими атомами стабильного зародыша;

3) присоединении к уже существующему зародышу.

Для полного описания процесса зародышеобразования необходимо знать следующие основные характеристики: а) размер критического зародыша; б) скорость образования центров новой фазы и концентрацию критических зародышей с учетом возможного их изменения со временем; в) структуру и ориентацию критических зародышей. Все эти величины тесно связаны с условиями роста — степенью пересыщения газообразной фазы, температурой конденсации, скоростью конденсации, скоростью поверхностной диффузии, структурой и чистотой поверхности подложки и т. д.

Найдем основные зависимости. При этом учтем, что возможно два подхода к рассмотрению механизма зародышеобразования: термодинамический и молекулярно-кинетический.

Термодинамический подход целесообразен в том случае, когда стабильными являются зародыши с большими критическими размерами (50–100 частиц в зародыше). Эти зародыши обладают свойствами макрофазы. Обычно такое состояние процесса реализуется при небольших пересыщениях. Молекулярно-кинетический подход является плодотворным в том случае, когда стабильны зародыши столь малых размеров (1–10 атомов в зародыше), что к ним неприменимо представление о зародышах критических размеров в термодинамическом смысле. Обычно такое состояние реализуется при больших пересыщениях.

Рассмотрим процесс образования зародышей критического размера при эпитаксиальном росте в рамках термодинамического подхода. В процессе роста в условиях постоянного пересыщения (∆P = const) устанавливается равновесие в адсорбированном слое между концентрацией адсорбированных частиц, числом «дозародышей» и числом зародышей критического размера

nk = N exp(−Eкр/kTk),                                 (9.5) где nk — концентрация критических зародышей, N — концентрация адсорбированных частиц, Eкр — энергия образования критического зародыша (зависит от степени  пересыщения).

Зародыши размеров, больших чем критические, в этом соотношении не участвуют, так как им термодинамически более выгодно расти, чем распадаться. Зародышам критического размера также термодинамически выгоднее расти, чем распадаться на «дозародыши». Поэтому с того момента, когда из «дозародыша» образовался зародыш критических размеров и он начал расти, он перестает участвовать в соотношении (9.5), а равновесие в нем смещается в сторону образования зародышей критического размера. Таким образом, в условиях роста идет непрерывное образование зародышей критического размера.

Скорость образования центров новой фазы

V ∼ ωnk,                                           (9.6)

где ω — частота, с которой критический зародыш захватывает атомы или молекулы и становится центром новой фазы. Если предположить, что присоединение атомов к критическому зародышу происходит в основном путем их поверхностной диффузии, то скорость образования центров новой фазы будет

V ∼ ωnk ∼ exp

.E     Eдес Eдиф   Eкр  .

kTk

.                      (9.7)

Таким образом, мы нашли как концентрация критических зародышей nk и скорость образования центров новой фазы V зависят от условий роста в рамках термодинамического подхода.3

Однако термодинамическая теория зародышеобразования неприменима к случаю, когда критический размер зародышей мал. Между тем из многих экспериментальных данных следует, что в реальных случаях эпитаксиального роста зародыши критических размеров состоят всего лишь из нескольких атомов. В этом случае необходимо применять молекулярно-кинетический подход к описанию процесса зародышеобразования.

Рис. 9.3. Схематическое изображение конфигураций атомов в двухмерных зародышах: а, б — зародыши с одной и двумя связями на атом; в, г — наименьшие стабильные зародыши.

Температура конденсации Tk также оказывает значительное влияние на критические размеры и ориентацию зародышей. Так, при больших пересыщениях и низких Tk преобладает неориентированный рост. С повышением Tk при некоторой определенной температуре T происходит изменение числа атомов в критическом зародыше (по крайней мере от 1 до 2), и тогда уже должен наблюдаться ориентированный рост. Таким образом, при низких Tk велика вероятность образования стабильных критических зародышей, но отсутствует ориентация. При повышении Tk скорость зародышеобразования падает, но начинает преобладать ориентированный рост.

При больших пересыщениях и невысоких температурах конденсации, когда вероятность десорбции мала, скорость конденсации vk приблизительно равна интенсивности потока пара J . Поэтому можно установить связь между температурой начала ориентированного роста или температурой смены ориентации и скоростью конденсации, что весьма удобно для экспериментальной проверки теории. Сопоставление экспериментальных данных о величинах V при выбранной Tk с расчетными, полученными из зависимости (9.8), при указанных условиях роста позволи

Рис. 9.4. Зависимость скорости образования зародышей от температуры конденсации.

ло подтвердить правильность молекулярно-кинетического подхода. Кроме того, формула 9.8 позволяет оценить число атомов в стабильном зародыше.

Реальные температуры источника и подложки при выращивании ориентированных монокристаллических пленок выбираются с учетом оптимизации всех параметров.

Большое внимание при эпитаксиальном росте пленок должно уделяться присутствию в системе загрязняющих газов. При наличии инородного газа, адсорбированного на поверхности подложки или растущей пленки, эпитаксия возможна лишь при условии, что скорость адсорбции инородного газа не превышает скорости присоединения атомов к ориентированному зародышу.

При росте пленок по механизму п(г)–ж–к на границе раздела фаз подложка — пленка возможны следующие ситуации:

1) На фронте кристаллизации образуется сплошной слой жидкой фазы значительной толщины. Процессы роста эпитаксиальной пленки в этом случае подобны процессам роста кристаллов из расплавов (растворов) (см. гл. 6).

2)На фронте кристаллизации образуется сплошная тонкая пленка жидкой фазы толщиной l, причем l находится в пределах от lmin до lmax. При l < lmin пленка существует в виде отдельных островков; при l > lmax сплошность пленки нарушается и на поверхности подложки образуются капли жидкой фазы.

Процессы роста эпитаксиальной пленки из капель аналогичны случаю (1); различие заключается лишь в том, что фронт кристаллизации не сплошной.

При кристаллизации тонкой пленки жидкой фазы (в том числе и тонкопленочных островков) процессы роста могут отличаться от процессов роста кристаллов из капель жидкой фазы в связи с тем, что строение пленки жидкой фазы и жидкой макрофазы (жидкости того же состава) может быть различным.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты