Понятие эпитаксии было введено около века назад. Эпитаксией называют процесс нарастания кристаллического материала на другом кристалле, который выполняет роль слоя подложки. На данный момент достаточно распространенным является классификация эпитаксии в зависимости от параметров, которыми характеризуются пленка и подложка, здесь пленку часто называют эпитаксиальной. Автоэпитаксиальная или гомоэпитаксиальная эпитаксия это процесс, при котором структура подложки и материал одинаковы, однако с практической стороны такое явление не так распространено. Зачастую, даже если используются одинаковые материалы, все же пленка и подложка имеют существенные различия параметров, которые возникают в результате проведения разнообразных приемов легирования, из-за чего появляются различия величин констант решетки, образуется определенное напряжение около атомов. В результате роста и увеличения требований, предъявляемых к параметрам выросла потребность в применении эпитаксиальных технологий.

Навигация:

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

эпитаксия – новое возрождение технологии

Методы эпитаксии

Толчком к широкому применению технологий эпитаксиального выращивания является возможность создания пленок необходимого состава, который по параметрам максимально близок к объемным кристаллам. Выделяется такие основные виды эпитаксии: гомоэпитаксия (автоэпитаксия) и гетероэпитакися.

Гомоэпитаксия представляет собой технологию наращивания на подложке монокристаллической пленки, при условии, что они из одного и того же вещества.

Гетероэпитаксия характеризуется как процесс наращивание эпитаксиальной пленки на отличающуюся по составу подложку. Но все же, при таком наращивании параметрические характеристики подложки и пленки должны быть схожими, это значительно упрощает и облегчает процесс роста слоя.

Эпитаксиальная технология обладает целым рядом преимуществ, к таким можно отнести следующие. Данные методы значительно упрощают процессы легирования пленок, который возможно проводить параллельно с самим выращиванием, обеспечивается достижения максимальной однородности при распределении легирующих элементов. Из-за того, что наращивание производится с применением более низкой температуры, нежели температуры, требуемые для образования объемных кристаллов, существенно упрощается процесс контроля кристаллизации, а также улучшаются свойства. Доступно осаждение чистого материала даже для подложек, которые сильно легированы.

Молекулярная эпитаксия

Молекулярная эпитаксия это рост кристаллического материала, который имеет параметры решетки, ориентированные на исходный кристалл-подложку, выполняющий функцию элемента-затравки. На данный момент наиболее часто применяется молекулярно-лучевая эпитаксия и газофазная эпитаксия.

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Успешным экспериментом стало выращивание тонкопленочных элементов в условиях сверхвысокого вакуума. Такая технология получила название – молекулярно-лучевой эпитаксии. Данный метод считается просто незаменимым если требуется создание структур, обладающих гладкими границами.

молекулярно-лучевая эпитаксия

Технология метода характеризуется такой структурой. Первоначально необходимо провести процедуру по осаждению испаренного вещества на используемую кристаллическую подложку. Весь процесс достаточно сложен в реализации с технической точки зрения. Для осуществления такого процесса требуется применение специализированного оборудования – установки эпитаксии, которые должны отвечать соответствующим требованиям:

  1. в камере необходимо постоянное поддержание уровня сверхвысокого вакуума;
  2. испаряемые материалы должны характеризоваться высокой чистотой – 99,99%;
  3. требуется наличие молекулярного источника, который обладает возможностью испарения тугоплавких веществ.

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет регулировать толщину эпитаксиального слоя за счет того, что производится количественный контроль материала, который напыляется. Также имеется возможность проводить измерение кристалличности и толщины слоя. Одним из важнейших преимуществ применения молекулярно-пучковой эпитаксии считается доступность к использованию целого ряда прецизионных способов контролирования процесса роста материалов. При молекулярно-лучевом методе рост происходит достаточно с небольшой скоростью и для него требуется низкая температура. Важным достоинством также является то, что этот метод предполагает возможность прерывания и дальнейшего возобновления подачи необходимых молекулярных пучков на обрабатываемую поверхность подложки, это позволяет облегчить процесс создания структур, в которых присутствуют резкие границы слоев.

молекулярно-лучевая эпитаксия

Газофазная эпитаксия

Технология газофазной эпитаксии представляет собой процесс получения эпитаксиальных слоев полупроводников благодаря процедуре осаждения из паро-газовой фазы. Процесс наращивания производят в специальном реакторе при низком давлении и из соединений металлорганических. Первостепенно применение газофазной эпитаксии предполагалось для возможности выращивать большинство материалов, которые применяются в опто- и микроэлектронике.

Выделяют основные способы, которыми можно достичь эпитаксиального слоя кремния с применением газофазной технологии эпитаксии, а именно:

  • водородное восстановление тетрахлорида кремния (SiCl4), трихлорсилана (SiHCl3) или дихлорсилана(SiH2Cl2);
  • пиролитическое разложение моносилана.

Основной принцип газовой эпитаксии заключается в транспортировании компоненты пленки, которую получили, в состоянии паров из летучих соединений в специальный реактор, где производится на подложке дальнейшие операции по разложению паров и происходит образование пленки с необходимым составом. Таким образом, в ходе химического осаждения, появляется возможность получения твердых и высокочистых материалов.

Достаточно к широко распространенным способам относится химическое осаждение с применением металлоорганических соединений, его называют методом создания материала способом разложения данных соединений термически. Различают два способа осаждения из газовой фазы при атмосферном давлении (APCVD), пониженном давлении (LPCVD) и низком давлении< 10-6Па (UHVCVD). Низкое давление значительно уменьшает вероятность возникновения нежелательных реакций, а также способствуют значительно более равномерному распределению осаждения пленки на подложке при сниженных температурах.

Жидкофазная эпитаксия

Жидкофазная эпитаксия характеризуется как разновидность кристаллизации и раствора-сплава. К металлу, выполняющему роль растворителя предъявляются такие требования:

  • невысокая температура плавления;
  • низкая растворимость в полупроводниковом материале;
  • малая упругость пара
  • незначительное влияние его на свойства полупроводникового материала

жидкофазная эпитаксия

Выделяют два метода жидкофазной эпитаксии: изотермическая и неизотермическая. Наибольшее применение получил неизотермический способ. Основное применение метода жидкофазной эпитаксии это получение полупроводниковых соединений, отличающихся многослойностью, например, GaAs, CdSnP2, также относится к главному способу которым можно получить монокристаллический кремний.

Технология заключается в приготовлении специальной шихты из того вещества, которым наращивается слой, металла-растворителя с низкой температурой плавления, легирующей примеси, которая может быть использована в виде газа, и материал подложки. Весь процесс производится в специальной атмосфере водорода и азота или же в вакууме. Первоначально на подложку наносят расплав, который несколько ее растворяет, удаляет недостатки и загрязнения. После процесса выдержки при максимальной температуре начинают производить медленное охлаждение. В результате выполненных мероприятия расплав переходит в перенасыщенное состояние и происходит осаждение излишек полупроводника на подложку, которая играет роль затравки.

жидкофазная эпитаксия

Однако, в последнее время, полупроводниковая промышленность отошла от использования данного метода ввиду его сложности в реализации и высокой сложности контроля параметров тех пленок, которые получают, также получаемый результат характеризуется недостаточным уровнем качества материала и, в целом, данный метод относят к малопроизводительным. Ему на замену применяют газофазную технологию.