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:
- Методы эпитаксии
- Молекулярная эпитаксия
- Молекулярно-лучевая эпитаксия
- Газофазная эпитаксия
- Жидкофазная эпитаксия
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.
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:
- в камере необходимо постоянное поддержание уровня сверхвысокого вакуума;
- испаряемые материалы должны характеризоваться высокой чистотой – 99,99%;
- 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.
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
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.
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.