Экспериментальное оборудование и основные принципы МЛЭ

 

Бурное развитие технологии МЛЭ в последние десятилетия привело к появлению многообразных установок, существенно различающихся геометрией и функциональными возможностями. Кроме того, в последнее время наметилась тенденция к узкой специализации установок МЛЭ, когда ростовая камера и оборудование проектируются под вполне конкретные задачи и предназначены для работы с определенным классом материалов (Si, Ge, нитриды, арсениды или фосфиды А³В⁵ полупроводники семейства А²В⁶ и т.д.). Однако можно выделить основные узлы, общие для всех установок МЛЭ:

системы получения и поддержания сверхвысокого вакуума, необходимого для реализации режима молекулярного потока и, прежде всего, для снижения интенсивности неконтролируемых потоков молекул остаточной атмосферы;

ростовая камера (давления остаточной атмосферы не ниже 10^-10 мм. рт. ст.), а также одна или несколько вакуумных камер, изолированных и имеющих независимые системы откачки, предназначенные для загрузки, транспортировки, хранения и предварительной обработки образцов и подложек;

блок источников молекулярных пучков различного химического состава и интенсивности, с индивидуальными заслонками;

многостепенный манипулятор с держателем образца, обеспечивающий нагрев, вращение, передачу образца, а также фиксацию его в определенном ростовом положении;

средства контроля процесса роста.

Системы получения и поддержания сверхвысокого вакуума может включать в себя следующие безмасляные средства откачки:

- магнито-разрядные (производительностью 220-400 л/с);

- криогенные (гелиевые замкнутого цикла, производительностью 1000-1500 л/с);

- титаново-сублимационные (производительностью 5000-20000 л/с);

- азотные криопанели;

- турбо-молекулярные (производительностью 100-2000 л/с) с форвакуумной откачкой на выходе.

Ростовая камера может иметь вертикальную геометрию, когда образец во время роста располагается ростовой поверхностью вниз (типичные примеры установки V90, Compact 21, GEN 20) и горизонтальную — образец во время роста развернут относительно вертикали на угол более 45° (Riber 32 P, GENII, GENIII). Вертикальная геометрия является предпочтительной для промышленных установок, т.к. использует простые манипуляторы и системы транспортировки образцов, а также предохраняет поверхность подложек от загрязнения механическими частицами. Все конструктивные материалы являются химически- и термостойкими, с малым газоотделением вплоть до температур ~1500С pBN, Та, Мо, W, кварц).

Схематическое изображение установки МЛЭ Riber 32P представлено на рис. 2. В состав установки входят три сверхвысоковакуумные камеры: ростовая (3), камера перезарядки (2), шлюзовая (12), разделенные высоковакуумными затворами (11), а также азотный бокс загрузки и выгрузки образцов (13). Использование такой конструкции позволяет избегать частого вскрытия ростовой камеры на атмосферное давление и нарушения вакуумных условий при загрузке и выгрузке образцов. Каждая камера имеет независимые средства откачки. Для исключения взаимного теплового влияния источников и снижения газоотделения от нагретых конструктивных элементов и стенок камеры ростовая. Камера снабжена тремя криопанелями, охлаждаемыми жидким азотом (LN₂): одна из них окружает непосредственно зону эпитаксиального роста (10), другая обеспечивает термическую изоляцию эффузионных источников (7), а третья расположена в «сублимационной яме», где находится сублимационный насос. Использование криопанелей позволяет также значительно уменьшить неконтролируемые потоки на подложку. Перемещение образцов между камерами осуществляется в помощью каретки и передающих стержней (1). В состав манипулятора подложки ростовой камеры (4) входят: перемещающиеся держатель подложки (16), обеспечивающий азимутальное вращение подложки.

 

а также электрическая часть, содержащая нагреватель подложки с термопарой и ионизационный манометр Баярда-Альперта (15).

Поскольку одним из основных параметров при МПЭ росте является температура подложки, которая в значительной степени влияет на механизмы роста и на коэффициенты встраивания элементов пятой группы, в установках МПЭ, как правило, предусмотрено два спосо­ба измерения температуры в процессе роста: с помощью термопары, установленной на подложкодержателе в непосредственной близости от подложки, и инфракрасного оптического пирометра, для установки которого предусмотрено окно, расположенное в блоке источников.

Контроль температуры подложки в процессе роста и ее удержание на заданном уровне, равно как и изменение по заданному закону, обеспечиваются непосредственно через ЭВМ, управляющей блоком питания нагревателя подложкодержателя. Тем самым гарантируются отклонения от заданной температуры не более 0.5°С.

В качестве исходных материалов для источников молекулярного пучка используются сверхчистые материалы: в диапазоне 6N-7N (99.99995%) для базовых элементов и 5N-6N для легирующих при­месей. В зависимости от типа используемых материалов молекулярные источники разделяют на твердотельные и газовые. Оба типа источни­ков могут использовать как элементарные материалы (Ga, Zn, N₂), так и химические соединения (ZnS, GаТе, NН₃). В качестве твердотельных источников применяются эффузионные ячейки кнудсеновского типа (рис. 3).

Используя основные представления молекулярно-кинетической тео­рии газов, можно рассчитать температурную зависимость скорости испарения из конденсированного источника [9]. Для этого необходимо определить частоту столкновений молекул паровой фазы со стенками испарительной ячейки (частота столкновения численно равна числу молекул газа в равновесии, сталкивающихся с единицей поверхности в единицу времени). Для ячейки кнудсеновского типа полный эффузионный поток в вакуум составляет

,

где S_И — площадь выходного отверстия испарителя; Р_И — давление внутри испарительной ячейки; Т_И — температура испарителя; т — масса испаряемых молекул; k — постоянная Больцмана.

Для расчета реальных значений потоков важно знать простран­ственное распределение молекул при испарении из кнудсеновской ячей­ки. Тогда для потока конденсации на подложку можно записать:

,

Рис. 2. Схематическое изображение установки молекулярно-пучковой эпитаксии (а): 1 — манипуляторы; 2 — вакуумная камера перезарядки, 3 - вакуумная камера роста; 4 — манипулятор держателя образца; 5 - флюоресцентный экран; 6 — испарительные ячейки; 7 — криопанель с жидким азотом; 8 — электронная пушка; 9 — масспектрометр; 10 — криопанель с жидким азотом; 11 — высоковакуумные шиберные затворы; 12 — шлюзовая камера; 13 — камера загрузки и выгрузки; 14 — каретка с образцами; 15 - датчик Баярда-Альперта; 16 — держатель образца; 17 — главная заслонка; 18 — индивидуальные заслонки. Общий вид установки МПЭ Riber 32P (б).

Рис. 3. Схематическое изображение твердотельного источника молекуляр­ного пучка: 1 — тигель; 2 — нагреватель; 3 — экраны; 4 — термопара; 5 —охлаждение; 6 — ввод термопары; 7 — токоввод.

 

Рис. 4. Схематическое изображение крекингового твердотельного источни­ка молекулярного пучка: 1 — термопара объемного испарителя; 2 — нагрев объемного испарителя; 3 — фланец крепления; 4 — проводящая трубка; 5 — термопара крекинговой зоны; 6 — диффузный конус; 7 — нагревательный элемент; 8 — тигель; 9 — водяное охлаждение; 10 — вход термопары объемного

 

 

Рис. 5. Формирование осцилляции интенсивности отраженного пучка при дифракции быстрых электронов

 

где N_A— число Авогадро; М — молярная масса испаряемого вещества; r — расстояние между испарителем и подложкой;  — угол между направлением молекулярного пучка и нормалью к поверхности под­ложки; S_n — площадь подложки;  — угол между осью испарительной ячейки и направлением молекулярного пучка. Следует заметить, что в идеальной эффузионной ячейке площадь испарения намного больше площади отверстия испарителя, а диаметр отверстия мал в сравнении с длиной свободного пробега молекул внутри нагреваемого объема. На практике, ячейки не являются идеальными, но плотность потока все же достаточно хорошо описывается формулой (2).

Традиционные эффузионные ячейки кнудсеновского типа использу­ются для элементов II и III группы, а для сублимации (испарения) элементов V и VI группы при МПЭ все большее распространение в последнее время получают крекинговые клапанные источники. Это связано с тем, что стандартная эффузионная ячейка Кнудсена обес­печивает атомарные потоки только для металлических элементов, в то время как летучие компоненты испаряются,-в основном, в виде четырехатомных молекул. В то же время, существуют значительные Преимущества роста соединений А^IIIВ^V и А^IIВ^VI при использовании двухатомных молекул V или VI группы. Так, например, за счет бо­лее высокой эффективности взаимодействия двухатомных молекул Аs₂ и Sb₂ с поверхностью подложки, по сравнению с четырехатомными, Оказывается возможным снизить общее фоновое давление в ростовой камере, а также улучшить электрические и оптические свойства выра­щиваемых эпитаксиальных пленок.

Основное отличие крекингового источника от обычной ячейки кнудсеновского типа состоит во введении дополнительной высокотемпера­турной зоны нагрева, которая обеспечивает разложение многоатомных молекул. Схематическое изображение крекингового источника пред­ставлено на рис. 4. Зона крекинга имеет свою отдельную термопару (6) и систему нагрева (8). Основным элементом крекинговой зоны является проводящая труба (4), в которой обеспечивается дис­социация молекул сурьмы по мере их прохождения. Диффузионный конус (6), расположенный на выходе, обеспечивает большую направ­ленность и однородность потока материала на поверхность подложки Для исключения влияния высокотемпературной крекинговой зоны в объемном испарителе используется водяное охлаждение (9) Другой отличительной чертой клапанных (вентильных) источников является наличие специальной диафрагмы, управляемой метрическим винтом-клапаном (вентилем). Введение диафрагмы позволяет плавно или резко регулировать поток летучих элементов в процессе роста, не используя индивидуальную заслонку и не изменяя температуру источника.

В ряде случаев возникает необходимость в использовании прин­ципиально иных источников, например, как в случае МПЭ нитри­дов А^IIIВ^V. Для того чтобы обеспечить диссоциацию молекул N₂ были разработаны плазменные источники азота. Однако подробное обсуж­дение конструкций и особенностей источников молекулярных пучков выходит далеко за рамки данной главы. .

В зависимости от назначения и комплектации установка МПЭ может оснащаться широким спектром диагностических методик и ана­литических модулей. Приведенная на рис. 2. установка содержит высокоразрешающий квадрупольный масс-спектрометр (9) (массы 0-300), ионизационный манометр Баярда-Альперта (15), который может вы­двигаться в ростовое положение подложки, что делает возможным проведение калибровки молекулярных пучков путем измерения экви­валентного давления пучка (beam equivalent pressure, ВЕР) основных элементов непосредственно перед началом роста, а также системой дифракции быстрых электронов. (ДБЭ), состоящей из электронной пушки (5) (энергия первичных электронов 10-20 кэВ) и флюоресцентного экрана (5).

Система ДБЭ является основным методом исследования «in situ» ростовой поверхности при МПЭ и используется для решения широкого круга задач:

• определения механизма- роста эпитаксиального слоя (двумерный послойный или трехмерный островковый механизмы роста эпитаксиального слоя);

• контроля шероховатостей поверхности растущей пленки;

• контроля стехиометрического состояния и реконструкции поверх­ности;

• измерения скорости роста и химического состава пленки.

По изменениям дифракционной картины, обусловленным переходом от реконструкции поверхности, стабилизированной атомами металла, к поверхности, стабилизированной металлоидными атомами или наобо­рот, можно судить о достижении условий, при которых имеет место приблизительное равенство интенсивностей эффективных потоков, по­падающих на подложку и принимающих участие в росте. Анализи­руя дифракционную картину можно также определять температуру подложки. Так, например, известно, что при использовании подло­жек GaAs природный оксид десорбируется при Т = 580-600°С, при этом на дифракционной картине рефлексы становятся более четкими или быстро проявляются, если слой оксида был достаточно толстым.

Метод определения скорости роста при использовании ДБЭ осно­ван на осцилляционном характере изменения интенсивности любой дифракционной особенности, в первую очередь, отраженного луча (specular spot) при двумерном послойном росте (механизм Франка-ван дер Мерве). Процесс формирования осцилляции схематически проиллюстрирован на рис. 5. Период осцилляции в точности со­ответствует выращиванию одного монослоя соединения, т.о. обеспе­чивая возможность in situ контроля толщины выращиваемого слоя на атомарном уровне. Точная форма и фаза осцилляции зависят от условий дифракции, максимумы соответствуют завершению образо­вания полного монослоя только в ограниченном диапазоне условий, при которых механизм рассеяния первичного луча на ступенях роста является доминирующим. Осцилляции соответствуют периодическому изменению плотности ступеней, образующихся при случайном соеди­нении относительно слабо подвижных адатомов с их последующим разрастанием и коалесценцией с образованием монослоя соединения. Интенсивность отраженного е^- -пучка максимальна в случае гладкой поверхности (минимальная плотность ступеней) и минимальна при половинном заполнении поверхности (максимальная плотность ступе­ней) При высоких температурах роста адатомы более подвижны и рост идет по механизму достраивания ступеней, образующих вицинальные плоскости, При этом заметного изменения плотности ступеней на поверхности в процессе выращивания монослоя не происходит, и осцилляции не наблюдаются.

Важно отметить, что система ДБЭ не должна задействоваться в течение всего процесса роста, поскольку она может создать избыточ­ные водяные пары и другие загрязнения. Слишком большой поток электронов может даже полимеризовать остаточные углеводородные газы, приводя к углеродному загрязнению подложки.

Для обеспечения анализа состава остаточной атмосферы исполь­зуется. масспектрометр (9). В условиях МПЭ поверхность подложки находится под постоянным воздействием молекул газов остаточной ат­мосферы. Поэтому, состав остаточной атмосферы оказывает существен­ное влияние на качество получаемых эпитаксиальных слоев. Помимо инертных газов, таких как Не, Аr, Ne, в ее состав могут входить и активные газы — О₂. Н₂О, СО. СO₂. Между активными газами и растущим слоем происходит химическое взаимодействие, что может приводить к ухудшению качества слоев. Масс-спектрометр также при­меняется для обнаружения течи в вакуумной системе.

Помимо аналитических методик, непосредственно встроенных в камеру роста, установки МПЭ могут органически вписываться в состав многофункциональных аналитическо-технологических комплексов. Такие комплексы содержат вакуумные поверхностно-чувствительные методики: атомно-силовой (АСМ) и сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), оже-электронной и фото-электронной спектроскопии и т.д., и позволяют исследовать процесс создания полупроводниковых наноструктур на каждом его этапе с сохранением атомно-чистой поверхности образца.