Молекулярно-лучевая эпитаксия. Особенности легирования при МЛЭ. Окончательная обработка кремния

 

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) проводится в вакууме и основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой.

Преимущество метода заключается в высокой точности управления уровнем легирования. Легирование при использовании данного метода является безинерционным (в отличие эпитаксии из газовой фазы), что позволяет получать сложные профили легирования.

Система, используемая для МЛЭ кремния, изображена на рис. 20.

Основой установки является вакуумная система. Так как в процессе МЛЭ требуется поддерживать высокий вакуум, установки снабжаются вакуумными шлюзами для смены образцов, что обеспечивает высокую пропускную способность при смене пластин и исключает возможность проникновения атмосферного воздуха. Для десорбции атмосферных газов со стенок системы требуется длительный отжиг в вакууме.

Метод МЛЭ позволяет проводить. Большинство промышленных установок МЛЭ содержит оборудование для всестороннего анализа параметров непосредственно во время процесса выращивания пленки.

Испарение кремния осуществляется не путем нагрева тигля, как для легирующих элементов, а за счет нагрева электронным лучом, т. к. температура плавления кремня относительно высока. Постоянная интенсивность потока атомов обеспечивается строгим контролем температуры.

Рис. 20. Основные элементы для получения соединения Al_xGa_1-xAs.

 

Каждый нагреватель содержит тигель, являющийся источником одного из составных элементов пленки. Температура нагревателей подбирается таким образом, чтобы давление паров испаряемых материалов было достаточным для формирования соответствующих молекулярных пучков. Испаряемое вещество с относительно высокой скоростью переносится на подложку в условиях вакуума. Нагреватели располагаются так, чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались на подложке.

Подбором температуры нагревателей и подложки получают пленки со сложным химическим составом.

Обычно МЛЭ проводят в сверхвысоком вакууме при давлении 10^-6-10^-8 Па. Температурный диапазон составляет 400 - 800 °С.

Предэпитаксиальная обработка подложки при использовании метода МЛЭ осуществляется двумя способами.

1.                  Высокотемпературный отжиг при температуре 1000-1250°С длительностью до 10 минут. При этом за счет испарения или диффузии внутрь подложки удаляется естественный окисел и адсорбированные примеси.

2.                  Очистка поверхности с помощью пучка низкоэнергетичных ионов инертного газа. Этот способ дает лучшие результаты. Для устранения радиационных дефектов проводится кратковременный отжиг при температуре 800 - 900 °С.

 

Особенности легирования при МЛЭ

Легирование при МЛЭ имеет несколько особенностей. По сравнению с эпитаксией из газовой фазы расширен выбор легирующих соединений, возможно управление профилем легирования.

Возможны два способа легирования:

1.                  После испарения примесные атомы достигают поверхности и встраиваются в кристаллическую решетку. Наиболее часто применяемые примеси (As, H, B) испаряются или слишком быстро или слишком медленно для эффективного управления. В результате чаще прибегают к употреблению Sb (сурьма), Ga или Al.

2.                  В другом способе легирования используется ионная имплантация. В этом случае применяются слаботочные (1 мкА) ионные пучки с малой энергией. Низкая энергия этого процесса позволяет внедрять примесь на небольшую глубину под поверхность растущего слоя, где она встраивается в кристаллическую решетку. Этот способ позволяет использовать такие примеси как B, P и As.

 

Окончательная обработка кремния

Из установки извлекают кремниевый слиток длиной до нескольких метров. Для получения из него кремниевых пластин заданной ориентации и толщины производят следующие технологические операции:

1. Механическая обработка слитка:
- отделение затравочной и хвостовой части слитка;
- обдирка боковой поверхности до нужной толщины;

- шлифовка одного или нескольких базовых срезов (для облегчения дальнейшей ориентации в технологических установках и для определения кристаллографической ориентации);

- резка алмазными пилами слитка на пластины: (100) - точно по плоскости (111) - с разориентацией на несколько градусов.

2. Травление. На абразивном материале SiC или Al₂O₃ удаляются повреждения высотой более 10 мкм. Затем в смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот, приготовленной в пропорции 1:4:3, или раствора щелочей натрия производится травление поверхности Si.

3. Полирование - получение зеркально гладкой поверхности. Используют смесь полирующей суспензии (коллоидный раствор частиц SiO₂ размером 10 нм) с водой.

В окончательном виде кремний представляет собой пластину диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.65 мм с одной зеркальной поверхностью. Вид пластин с различной ориентацией поверхности и типом проводимости приведен на рис. 21.

Рис. 21. Вид пластин с различной ориентацией поверхности и типом проводимости.

 

Рис. 22. Схематическое представление плоскостей с различными индексами Миллера в кубической решетке: а) (100); б) (110); в) (111).