МЛЕ або MBE6 являє собою процес епітаксіального зростання шарів різних сполук, що відбувається за рахунок реакцій між термічно створюваними молекулярними або атомними пучками відповідних компонентів на поверхні підкладки, що знаходиться в надвисокому вакуумі при підвищеній температурі В основі цієї технології лежить можливість зростання епітаксійних плівок, по суті, в динамічному режимі на відміну від більш традиційних методів, де зростання йде в умовах, близьких до термодинамічної рівноваги МЛЕ характеризується:

1) відносно низькою температурою росту (на 100-200 ◦ C менше, ніж при жідкофазовой та газотранспортної епітаксії)

6MBE — molecular beam epitaxy

Розглянемо більш детально цей метод отримання сверхрешеточних структур на прикладі вирощування сверхрешеток на основі GaAs В роботі [47] вперше було показано, що розкладання газової суміші металлорганические зєднання тріметілгаллія (CH3) 3Ga і гідриду мишяку (арсина) AsH3, що проводиться при температурі 600-700 ◦ C в атмосфері H2, можна використовувати для вирощування тонких епітаксійних плівок GaAs у відкритому (Проточному) реакторі (рис 911) Слід зазначити, що MOCVD добре підходить для масового виробництва приладів з субмікронними шарами і має ряд переваг перед іншими технологіями (див нижче і [48, 49])

Епітаксия в процесі MOCVD здійснюється при пропущенні однорідної газової суміші реагентів з газами-носіями над нагрітої підкладкою в реакторі з холодними стінками Енергія для нагрівання газової суміші зазвичай створюється потужним радіочастотним генератором із частотою порядку 450 кГц Цей же генератор нагріває і графітовий тримач, на якому розміщена монокристалічна підкладка При цьому газова суміш поблизу поверхні підкладки нагрівається до високих температур, а стінки реакційної камери залишаються відносно холодними, що призводить до осадження напівпровідникової плівки на поверхні підкладки (реакція йде при підвищених температурах) при малих втратах реагуючих речовин на поверхні реактора Ретельно контролювати необхідно тільки температуру підкладки, причому невеликі її зміни не грають ролі, оскільки більшість властивостей плівок, отриманих MOCVD, малочутливі до таких змін температури

Парціальними тисками різних газових компонентів можна керувати за допомогою електроніки, контролюючої швидкість потоку від кожного з джерел Це дозволяє з високою точністю управляти всіма параметрами зростання, забезпечуючи надійну відтворюваність результатів

Металлорганические зєднання, використовувані для отримання напівпровідникових плівок при кімнатній температурі, як правило, є рідинами, володіють високим тиском парів і можуть бути легко доставлені в зону реакції шляхом пропускання газу-носія, наприклад H2, через рідини, які грають роль джерел (рис 911) Крім того, використовувані для зростання напівпровідникових плівок гідриди при кімнатній температурі є газами і зазвичай беруться як добавки до H2 Ці металлорганические і гидридні компоненти змішуються в газовій фазі і піролізу (при 600-800 ◦ C, як правило) в потоці водню у відкритому реакторі при атмосферному або кілька

Рис 916 Схематичне зображення еффузіонной осередку, використовуваної в сучасній системі МЛЕ: 1 – Конічний тигель з пиролитического BN, графіту або скловуглецю 2 – Нагрівальний пристрій 3 – Радіаційні екрани 4 – Термопара 5 – Оболонка нагрівача 6 – Водяне охолодження 7 – Трубка з фольги 8 – Висновки термопари 9 – Силовий введення

зони, в яких відбуваються різні фізичні явища Перша – зона створення молекулярних пучків Друга – зона перетину пучків від різних джерел, де змішуються випаровувані речовини, утворюючи парову фазу, вступає в контакт з підкладкою, на якій відбувається кристалізація Поверхню підкладки, де відбуваються основні реакції між компонентами, є третьою зоною в системі МЛЕ

Еффузіонние осередку, використовувані в системах МЛЕ, зазвичай являють собою або циліндричні, або конічні тиглі з характерним діаметром 1-2 см, довжиною 5-10 см, діаметром еффузіонного отвори 5-8 мм і його товщиною ≈ 05 мм Для виготовлення тиглів використовується пиролитический графіт високої чистоти або пиролитический нітрид бору BN Тигель поміщається всередину нагрівача з окису алюмінію У стандартних конструкціях еффузіонних осередків (рис 916) дротова спіраль танталового нагрівача фіксується двома концентричними циліндрами з Al2O3 Внутрішній циліндр особливої ​​форми містить тигель, а зовнішній циліндр оточується декількома шарами тонкої гофрованої танталовой фольги для ефективної теплоізоляції окремих осередків До тиглю підведена термопара, що забезпечує контроль за температурою в еффузіонной комірці Кожна еффузіонная осередок монтується на молібденовому тримачі, що забезпечує можливість точної юстирування і швидкого демонтажу Вся осередок має загальну водяну сорочку, ефективно теплоизолирующую її від навколишнього середовища

Перший теоретичний аналіз розподілу потоків в молекулярному пучку належить Кнудсеном, який вивчав еффузіі з малого отвору в еффузіонной осередку, що містить ідеальний газ Ідеальна кнудсеновская осередок містить пара, що знаходиться в рівновазі з випаровуються речовин, і має ефективну апертуру у вигляді малого отвору площею S (Отвір не має стінок) По одну сторону отвору знаходиться газ під тиском p1, по інший бік тиск газу дорівнює p2, причому p1 p2 Лінійні розміри отвору не перевищують довжин вільного пробігу при обох зазначених тисках Газові резервуари поза (p2) і всередині (p1) осередки настільки великі, що молекули стикаються один з одним значно частіше, ніж зі стінками Якщо справедливі наступні припущення: 1) молекули мають однакові точкові маси, 2) сили взаємодії між молекулами відсутні, 3) розподіл молекул за швидкостями є максвелловським,

4)                        газ є ізотропним, то повне число молекул N , Що пройшли в одиницю часу через отвір назовні, одно

N = ((p1 − p2)S/m),M/(2πRT ),                         (920)

де m – Маса молекул, M – Молекулярна вага, R – Газова постійна,

T – Температура по обидві сторони еффузіонного отвори

Результати, отримані Кнудсеном, корисні і при використанні еффузіонних осередків з отворами великого діаметру При цьому необхідно розглядати великий отвір як комбінацію малих точкових отворів, а створювані ними потоки складати Однак при значній товщині отвори воно починає чинити коллімірующее вплив на молекулярний пучок, що викликає додаткові ускладнення

У реальних системах МЛЕ рідко використовуються ідеальні кнудсеновскіе осередку, так як необхідно проводити епітаксіальний зростання на великій площі Реальні еффузіонние осередки мають значно більшу апертуру, ніж необхідно для рівноважної осередки Тому в формулу (920) повинна бути введена поправочний коефіцієнт, який, на жаль, не може бути обчислений безпосередньо Він знаходиться емпірично

Однорідність товщини плівок, вирощених методом МЛЕ, залежить від однорідності молекулярного пучка по площі підкладки Однорідність молекулярного пучка визначається взаємним розташуванням осередків і підкладок і співвісністю їх розташування (див гл 6) Завдання підбору оптимальної геометрії системи є досить складним завданням, підходи до вирішення якої висвітлені в спеціальній літературі [5, 58]

Про фізичні процеси, що відбуваються в третій зоні (зростання на підкладці), розповідалося на початку цієї глави в розд 92, присвяченому механізмам зростання епітаксійних плівок Нагадаємо основні етапи епітаксіального зростання напівпровідникових сполук, в тому числі і для методу МЛЕ:

1) підведення живлячої речовини до поверхні зростання

2) адсорбція складових речовина атомів і молекул на поверхні підкладки

3) міграція атомів і молекул по поверхні підкладки, реіспареніе

4) вбудовування складових речовина атомів і молекул в кристалічну решітку, освіта стабільних зародків

5) коалесценція зародків

Освіта плівки на твердій підкладці нерозривно повязане з фазовим перетворенням, характерним для обраного методу зростання У методі МЛЕ це фазове перетворення являє собою перехід з сильно нерівноважної парової фази в тонкопленочную тверду фазу

Аналіз процесів, що відбуваються на поверхні зростання, показав, що здатність атомів рухатися по поверхні, їх середній час перебування там, потік атомів і молекул на зростаючу поверхню плівки є кінетичними параметрами, що надають вирішальний вплив на процеси росту при МЛЕ

Для дослідження особливостей росту в технології МЛЕ використовують відповідні методи аналізу До цих методів належать дифракція швидких електронів, Оже-електронна спектроскопія (AES), мас-спектрометрія вторинних іонів (SIMS) та інші сучасні методи дослідження В даний час більшість дослідницьких

і значна частина технологічних установок МЛЕ містять вбудоване перераховане вище аналітичне обладнання, що дозволяє проводити аналіз процесів росту безпосередньо в ході вирощування епітаксійних плівок

Дифракція швидких електронів застосовується для дослідження поверхневої структури, мікроструктури і ступеня гладкості вирощуваних плівок Вона використовується також для контролю за зміною структури верхніх атомних шарів в ході епітаксіального росту плівок при різних параметрах зростання і для спостереження топографії поверхні

Метод електронної Оже-спектроскопії використовується для вивчення хімічного складу поверхні підкладки і визначення хімічного складу зростаючого шару

Мас-спектрометрія вторинних іонів служить потужним методом визначення хімічного складу поверхневих шарів твердого тіла Її перевагами перед Оже-спектроскопією є висока абсолютна чутливість по багатьом елементам, хороша елементна вибірковість і високий дозвіл по масам Цей метод можна використовувати для аналізу обємного матеріалу і дослідження профілю поверхні, для визначення залишкових газів в ростовий камері, аналізу складу матеріалів джерел і для вивчення десорбційних явищ на поверхні епітаксійного шару

Дані по поверхневій кінетиці росту і легування можуть бути отримані за допомогою методики модульованого молекулярного пучка [59, 60] У цій методиці зміна падаючого молекулярного пучка призводить до зміни в часі концентрації адсорбованих молекул на поверхні підкладки і завдяки цьому – до зміни швидкості десорбції, що може бути виміряна за допомогою мас-спектрометрії З іншого боку, модулюючи потік десорбції, можна безпосередньо визначити, які атоми і молекули йдуть з поверхні, виділивши їх на тлі залишкових газів Додаткове використання методів електронної Оже-спектроскопії і дифракції електронів дозволяє отримувати додаткові відомості про поверхні підкладки на будь-якій стадії процесу, а в сукупності з программированной термодесорбції дає також додаткову інформацію про стехіометрії поверхні

Різновидом методу МЛЕ є лазерна МЛЕ, в якій випаровування вихідних компонентів здійснюється за допомогою імпульсного випромінювання потужного лазера [61, 62] Цей метод був застосований для вирощування сверхрешеток HgTe-CdTe Пучок атомів ртуті створюється випарником еффузіонного типу Полікристалічні зразки CdTe

і Te поміщаються в танталові човники, встановлені на поворотній майданчику, і по черзі піддають дії сфокусованого лазерного променя Особливості процесу лазерної МЛЕ, в першу чергу, повязані з більш високою температурою джерел У разі лазерної МЛЕ CdTe випаровувався у вигляді атомів кадмію і телуру на відміну від звичайної МЛЕ, при якій випаровування відбувалося у вигляді атомів кадмію і молекул телуру Таким чином, склад парової фази опинявся різним, що позначалося на характері процесу епітаксії, а саме орієнтація підкладки у випадку лазерної МЛЕ надавала істотно менший вплив на зростання епітаксіальної плівки, ніж у випадку звичайної МЛЕ

Джерело: І А Случинський, Основи матеріалознавства і технології напівпровідників, Москва – 2002