Оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ)

Синтез полупроводниковых тонкопленочных композиций из молекулярных пучков в сверхвысоком вакууме заявил о себе как о новом методе в полупроводниковом материаловедении после первых успешных эксперимен­тов Альфреда Чо и Джона Артура в Bell Labs в 1968 году. Этот метод, наиболее часто называемый молекулярно-лучевой эпитаксисй (МЛЭ) по аналогии с английским названием Molecular Beam Epitaxy, стал быстро развиваться благодаря разработкам уникальных приборов микро-, нано- и оптоэлектроники на структурах со сверхрешетками, квантовыми ямами и квантовыми точками, принцип действия которых (в отличие от традиционных приборов микроэлектроники) основан на волновой природе электрона. Это, в первую очередь, полупроводниковые лазеры и чувствительные фотодетекторы с квантовыми ямами, сверхрешетками и квантовыми точками в активной области, транзисторы с высокой подвижностью электронов в канале, нанотранзисторы, туннельно-резонансные диоды, оптооэлектронные приборы и т.п. В настоящее время дополнительный импульс как исследовательским, так и технологическим работам по молекулярно-лучевой эпитаксии придают идеи и перспективы создания элементной базы для квантовых компьютеров. Параллельно и так же интенсивно развивается научное приборостроение в этой области вакуумной техники и аналитического оборудования.

Промышленная реализация и развитие метода молекулярно-лучевой эпитаксии убедительно показали, что он незаменим при получении многослойных эпитаксиальиых структур с атомной гладкостью границ, прецизионно заданными толщинами слоев, составом и профилем легирования. Применение высокочувствительных электронно-зондовых и оптических средств контроля параметров получаемых структур и управления процессом их синтеза обеспечивает высокую воспроизводимость этих параметров.

Молекулярно-лучевой эпитаксией первоначально называлась вакуумная эпитаксия. Она происходит в высоком и сверхвысоком вакууме на чрезвычайно чистую подложку, температура которой сравнительно не высока (300 – 500 ⁰С). Кремний испаряется из испарителя и конденсируется на подложке. Нагрев осуществляется электронным лучом или токами ВЧ. Молекулярно-лучевая эпитаксия отличается малой легкоуправляемой скоростью роста, что способствует формированию чистых и очень тонких пленок.

Молекулярно-лучевая эпитаксия представляет собой усовершенствованную разновидность методики термического напыления в условиях сверхвысокого вакуума. Давление остаточных газов в вакуумной камере поддерживается ниже 10^-8 Па.

Потоки атомов (или молекул) необходимых элементов направляются на нагретую монокристаллическую подложку в сверхвысоком вакууме и осаждаются там с образованием тонкой пленки требуемого состава. Как только атомы примеси окажутся на поверхности подложки, они движутся в результате диффузии, пока не достигнут термодинамически выгодного расположения на подложке. Высокая температура способствует быстрой миграции атомов по поверхности, в результате чего они занимают строго определенные положения, ориентированные относительно подложки - происходит эпитаксиальный рост кристаллической пленки.

Основным блоком системы МЛЭ является ростовая камера, в которой потоки атомов или молекул образуются за счет испарения жидких или сублимации твердых материалов из эффузионных ячеек (эффузия — медленное истечение газов через малые отверстия). Эффузионная ячейка представляет собой цилиндрический либо конический тигель диаметром 1–2 см и длиной 5–10 см. На выходе ячейка имеет круглое отверстие –диафрагму диаметром 5–8 мм.

Схематическое изображение основных узлов установки МЛЭ приведено на рис.7.8. В одной ростовой камере может располагаться несколько испарителей, каждый из которых предназначен для нанесения одного вещества. Количество эффузионных ячеек зависит от состава пленки и наличия легирующих примесей. Для выращивания элементарных полупроводников (Si, Gе) требуется один источник основного материала и источники легирующей примеси n- и р-типа. В случае сложных полупроводников (двойных, тройных соединений) требуется отдельный источник для испарения каждого компонента пленки. Температура эффузионной ячейки определяет величину потока частиц, поступающих на подложку, и тщательно контролируется. Она подбирается таким образом, чтобы давление паров испаряемых материалов было достаточным для формирования соответствующих молекулярных пучков. Ячейки располагаются так, чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались на подложке. Управление составом основного материала и легирующих примесей осуществляется с помощью заслонок, перекрывающих тот или иной поток. Использование этих заслонок позволяет резко прерывать или возобновлять попадание любого из молекулярных пучков на подложку. Если в ходе выращивания структуры требуется резко менять концентрацию одной и той же примеси, то используют несколько источников этой примеси при разной температуре эффузионной ячейки. Однородность состава пленки по площади и ее кристаллическая структура определяются однородностью молекулярных пучков. В некоторых случаях для повышения однородности подложка с растущей пленкой постоянно вращается.

Наиболее важная для технологического процесса область ростовой камеры находится между эффузионными ячейками и подложкой (рис.7.8). Эту область можно разделить на три зоны, которые обозначены на рисунке цифрами I, II и III. Зона I – зона генерации молекулярных пучков, в этой зоне молекулярные пучки, формируемые каждой из эффузионных ячеек, не пересекаются и не влияют друг на друга. Во второй зоне (зона II – зона смешения испаряемых элементов) молекулярные пучки пересекаются и происходит перемешивание различных компонент.

О физических процессах, происходящих в этой зоне известно в настоящее время очень мало. В непосредственной близости от поверхности подложки располагается зона III – зона кристаллизации. В этой зоне происходит эпитаксиальный рост в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии.

1 – держатель образца c нагревателем; 2 – образец; 3 – масс-спектрометр; 4 – эффузионные ячейки; 5 – заслонки; 6 – манипулятор; 7 – электронная пушка ДОБЭ; 8 – люминесцентный экран

Рисунок 7.8 – Схема простейшей установки молекулярно-лучевой эпитаксии

Для достижения желаемой концентрации пленки важно учитывать не только скорость потока вещества, но и его поведение на подложке. При низком давлении потока примесей происходит десорбция на поверхности подложки и поведение осаждаемого материала очень зависит от температуры.

Поток вещества, выходящий из эффузионной ячейки, проходит через крекинг-установку, которая производит диссоциацию молекул этого вещества. Некоторые элементы, такие как кремний, имеют достаточно низкое давление пара, поэтому для его испарения используют методы прямого нагрева, такие как электронная бомбардировка или нагрев лазерным излучением. Для электронного пучка используют электромагнитную фокусировку с целью предотвращения попадания кремния в источник электронов. Поскольку материал испаряется с поверхности, загрязнение стенок тигля уменьшается. Кроме того, для этой конструкции не требуется затвор. Модуляцией пучка можно производить очень резкие границы на подложке. Подложки подвергаются предварительной обработке перед процедурой МЛЭ. Сейчас производители подложек поставляют чистые подложки, готовые к эпитаксиальному росту и защищенные слоем окисла, выращенного в тщательно контролируемой окислительной атмосфере. Они проходят химическую очистку, а затем помещаются в загрузочную камеру, где подвергаются бомбардировке ионами аргона с последующим отжигом. Этим процессом удаляют верхний слой окисла. Отжиг исправляет дефекты, вызванные бомбардировкой. Условия сверхвысокого вакуума и требование к низкому уровня загрязнения требуют определенного подхода к выбору материалов, из которых будут изготовлены компоненты установки МЛЭ. В первую очередь материал должен иметь низкое давление пара. Низкая скорость испарения уменьшает концентрацию загрязняющих веществ в рабочем объеме. Поэтому для изготовления компонентов установки используют тугоплавкие металлы. Система МЛЭ должна находиться всегда под высоким давлением. При разгерметизации камера наполняется загрязнениями. Чем меньше система будет возвращаться к атмосферному давлению, тем эффективней будут происходить в ней процессы выращивания. Современные системы состоят из двух камер: загрузки подложек и выращивания. При загрузке подложек камера роста остается в сверхвысоком вакууме. Так же можно выделить дополнительную секцию для эффузионных ячеек. Это позволить наполнять их без разгерметизации камеры роста. Ростовые камеры современных технологических комплексов МЛЭ оборудованы, как правило, квадрупольным масс-спектрометром для анализа остаточной атмосферы в камере и контроля элементного состава на всем технологическом процессе. Для контроля структуры и морфологии формируемых эпитаксиальных структур в камере роста располагается также дифрактометр отраженных быстрых электронов. Часто ростовые камеры или 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. Так же для исследования гладкости поверхности используют метод эллипсометрии. Возможность контроля непосредственно в процессе выращивания – одно из значительных преимуществ МЛЭ. В настоящее время большинство установок для МЛЭ состоят из автоматизированных модулей, которые подразделяются на технологические и вспомогательные. Технологические модули предназначены для проведения определенного технологического процесса – очистки подложек, осаждения пленок, анализа формируемых структур и т.д. Вспомогательными являются, например, модуль загрузки-выгрузки, модуль предварительной откачки и обезгаживания вакуумных камер и др. Входящиев состав комплекса МЛЭ модули соединяются между собой шлюзовыми устройствами и системой перемещения подложек и образцов из одного модуля к другой без нарушения вакуума (рис.7.9).

Рабочий объем (РО) делается из нержавеющей стали. Для создания сверхвысокого вакуума рабочий объем обезгаживается многочасовым прогревом до температур около 300 – 400^oС.

Обезгаживать при больших температурах нельзя, т.к. около 500^oС начинается интенсивная диффузия углерода из нержавеющей стали. Это резко увеличивает диффузию газов внутри стали, и она перестает обеспечивать сверхвысокий вакуум. Для прогрева стенки РО окружены резистивными нагревателями, покрытыми сверху асбестовым теплоизолятором и алюминиевыми защитными кожухами. Так же здесь важна насосная система. В нее обычно входят ионный и криогенный насосы.

Рисунок 7.9 – Схема установки МЛЭ

Для получения слоев высокой чистоты важно, чтобы источники содержали как можно меньше посторонних примесей. Для этого в тигли источников помещают только сверхчистые материалы. Для перехвата частиц, испаряющихся со стенок, внутри РО стоят металлические экраны, охлаждаемые жидким азотом.

Материал в форме молекулярного пучка (луча) из эффузионных ячеек наносится на подогреваемую (примерно до 600^oС) вращаемую (для однородности роста слоев) кристаллическую подложку. Этот пучок обычно получается с помощью теплового испарения из источника, содержащего наносимый материал в виде одного химического элемента. Но применяются и источники с металлоорганикой (МОМЛЭ), источники с газообразными гидридами (МЛЭ с газообразными источниками) или некоторой комбинацией таких источников (химическая лучевая эпитаксия – ХЛЭ).

Для образования атомно резких границ между соседними слоями с разным составом важно, чтобы скорость роста слоя равнялась нескольким ангстремам в секунду. Тогда прерывание роста слоя за долю секунды можно обеспечить поворотом механической заслонки, управляемой от компьютера. Расстояние от источника до подложки зависит от размеров последних. В промышленных установках это расстояние больше, чем в лабораторных установках, так как там подложки больше и требуется большая степень однородности слоя вдоль их поверхности.

Эффузионная ячейка представляет цилиндрический резервуар (рис. 7.10), выполненный из пиролитического нитрида бора, который выдерживает температуру около 1300^oС без заметного испарения, или высокочистого графита. Его форма может быть цилиндрической или конической с различным углом сужения в зависимости от испаряемого материала. Толщина стенок должна быть относительно большой, чтобы выдерживать работу на протяжении нескольких месяцев. Поверх тигля располагаются нагревательная спираль из танталовой проволоки и тепловой экран, изготовленный обычно из танталовой или молибденовой фольги.

Эффузионные ячейки могут работать в области температур до 1400 ^oС и выдерживать кратковременный нагрев до 1600^oС. Для испарения тугоплавких материалов, которые используются в технологии магнитных тонких пленок и многослойных структур, нагревание испаряемого материала осуществляется электронной бомбардировкой. Температура испаряемого вещества контролируется вольфрам-рениевой термопарой, прижатой к тиглю. Испаритель крепится на отдельном фланце, на котором имеются электрические выводы для питания нагревателя и термопары. Как правило, в одной ростовой камере располагается несколько испарителей, в каждом из которых размещены основные компоненты пленок и материалы легирующих примесей. С целью предотвращения взаимного загрязнения и уменьшения теплового взаимодействия испарительные ячейки разделяют экранами, охлаждаемыми жидким азотом. Такой же экран помещают позади держателя образца для уменьшения загрязнения остаточной атмосферы в камере. С этой же целью держатели источников, подложки изготавливают из материалов с низким давлением паров, таких, как алунд, тантал, графит.

1 – тигель; 2 – нагреватель; 3 – радиационный экран; 4 – термопара.

Рисунок 7.10 – Схема эффузионной ячейки

Источники молекулярных пучков нагреваются независимо, пока не будет достигнута требуемая величина выходящего из них потока осаждаемого материала. Изменение температуры эффузионной ячейки на полградуса приводит к изменению потока примерно на один процент. Чтобы контролировать толщину с точностью около 1% для управления температурой ячеек применяются высокостабильные устройства с обратной связью, состоящие из вольфрамо – рениевых термопар и контроллеров. Для предотвращения взаимного теплового влияния соседние ячейки разделены охлаждаемыми экранами.

Пока заслонка перед ячейкой закрыта, часть излучаемого тепла отражается от нее и возвращается обратно в ячейку. Поэтому открытие заслонки вызывает падение температуры ячейки, которое приводит к уменьшению потока вещества из нее на несколько процентов с характерной постоянной времени восстановления равновесия в несколько минут. Этот переходной процесс зависит от таких деталей конструкции как тип заслонки и ее местонахождение, устройство нагревательного элемента и расположение термопары контроллера.

Наиболее популярной технологией слежения за ходом нанесения слоев является дифракция быстрых электронов (ДБЭ) при их отражении от поверхности растущего слоя (отражательная дифракция высокоэнергичных электронов или RHEED в английской транскрипции) (рис.7.11). С ее помощью калибруют скорости роста слоев и температуру подложки, наблюдают удаление оксидов с поверхности подложки, определяют вид упорядочения поверхностных атомов и подходящее избыточное давление паров, обеспечивают обратную связь для управления источником в зависимости от состояния поверхности растущего слоя и получают информацию о кинетике роста слоя.

Рисунок 7.11 – Схема получения изображения растущего слоя путем дифракции быстрых электронов

Электронная пушка ДБЭ эмитирует электроны с энергией около 10 КэВ, которые падают на поверхность под скользящим углом около 1 градуса. Затем электроны отражаются от нее, падают на экран с фосфорным покрытием и образуют здесь следующие 3 объекта: 1) дифракционный узор из светящихся пятен, 2) пятно зеркального отражения пучка от поверхности подложки, и 3) яркое пятно от электронов первичного пучка, совсем миновавших подложку. Изображение с экрана далее записывается на видеокамеру для записи всей картины или для слежения за изменением во времени интенсивности свечения одного из дифракционных пятен.

Рисунок 7.12 – Картина, полученная ДБЭ

Из вида дифракционной картины ДБЭ делают качественные выводы о состоянии поверхности. Если поверхность монокристаллическая и гладкая, то картина состоит из полос, перпендикулярных поверхности подложки (рис. 7.12). При нарушении гладкости поверхности эти полосы разбиваются на отдельные пятна и тускнеют. Аморфная поверхность, например, слой окисла, дает туманное размытие вместо дифракционной картины. Поликристалл-лическая поверхность дает дифракционную картину, состоящую из колец, окружаюших пятно первичного пучка. Кроме качественных выводов о состоянии поверхности дифракционная картина содержит и количественные данные об изменении параметра кристаллической решетки в ходе роста слоев.

Выращивание высококачественных эпитаксиальных слоев методом МЛЭ требует тщательности в подготовке подложек, поскольку, как правило, не используется очистка поверхности в самой камере роста, за исключением удаления окисных слоев.

Создание пленки можно проводить на подложках различной структуры, ориентации и химического состава. При выборе материалов первоочередное внимание уделяется постоянной решеток. Источником деформации так же является коэффициент температурного расширения, поскольку пленки выращиваются при больших температурах. При охлаждении до комнатной температуры могут возникнуть различные дислокации и дефекты. Так же, плотноупакованные плоскости имеют низкую поверхностную энергию, что способствует десорбции атомов с поверхности, замедляя темпы роста осаждаемых материалов.

Для эпитаксиального роста нужна атомарно высокая чистота исходной подложки, так как атомы примеси из атмосферы или другого источника легко соединяются с подложкой и либо создают дефекты кристаллической структуры, либо ухудшают оптические и электрические свойства растущего эпитаксиального слоя.

Сейчас производители подложек поставляют чистые подложки, готовые к эпитаксиальному росту и защищенные слоем окисла, выращенного в тщательно контролируемой окислительной атмосфере. Этот защитный окисный слой удаляется с подложки внутри рабочего объема перед самым началом процесса МЛЭ.

Подложка разрезается на части нужного размера, которые прикрепляются индиевыми прокладками к молибденовым блокам. Закрепленные подложки помещаются в загрузочный шлюз установки МЛЭ и нагреваются несколько часов для их обезгаживания перед их перемещением далее в буферный объем установки. Здесь они опять обезгаживаются нагревом при 450^oС перед тем как оказаться в рабочем объеме, где будет происходить эпитаксиальный рост.

Когда подложка только загружена в рабочий объем и повернута навстречу источникам, экран ДБЭ показывает туманное размытие вместо дифракционной картины, что говорит об аморфном состоянии защитного окисла на поверхности подложки. Для удаления этого оксидного слоя подложки нагреваются в условиях избыточного давления As до тех пор, пока на экране ДБЭ не появится дифракционная картина монокристаллической подложки. Температура подложки контролируется термопарой, прижимаемой пружиной к молибденовому основанию подложки.

Температура, при которой подложка становится чистой, зависит от вида окисного слоя, от скорости роста температуры и отличается для соседних подложек примерно на 20^oС, а иногда испытывает отклонения на 40^oС от типичного значения 600^oС. Эти отклонения вызваны не различием прижимов термопар к подложкодержателям, а природой удаляемого сорбированного слоя. Кроме термопары для контроля температуры подложки применяется также оптический пирометр, направляемый на поверхность подложки через противоположное окно. После появления кристаллической дифракционной картины на экране ДБЭ, говорящей об удалении окисного слоя, подложка нагревается еще на 50^oС и выдерживается около 10 минут для удаления остатков окисла.

Из всего сказанного выше можно сделать однозначный вывод, что метод молекулярно-лучевой эпитаксии находится в ряде перспективных технологий выращивания тонких пленок и многослойных структур. Сверхвысокий вакуум позволяет выращивать очень качественные бездефектные тонкие пленки. Вакуум исключает загрязнения в камере роста а также увеличивает свободный пробег атомов, что позволяет значительно увеличить качество выращиваемых пленок. Низкая температура процесса уменьшает диффузию атомов и молекул из прилегающих материалов. Конструкция эффузионных ячеек позволяет использовать практически любые материалы для испарения и осаждения на подложку. Так же эти ячейки дают возможность резкого прерывания и возобновления поступления потоков атомов и молекул выращиваемого материала, что позволяет создавать резкие границы структур между слоями.

Однако существует ряд недостатков, которые не позволяют методу МЛЭ быть принятым для массового изготовления гетероструктур. Сверхвысокий вакуум способствует высокому качеству роста тонких пленок, однако сложность установки определяет высокую энергоемкость и дороговизну эксплуатации. Так же большой проблемой является скорость роста пленок. Однако исследования не стоят на месте, и, возможно, уже в скором будущем будут решены основные проблемы применения МЛЭ для широкого производства совершенных гетероструктур.

На рис. 7.13 приведен внешний вид комплекса для МЛЭ «Катунь-100»

Рисунок 7.13 – Комплекс «Катунь-100»

Тема № 8