Эпитаксия из газовой фазы – что это такое, и каким образом происходит

Под термином «эпитаксия» принято понимать процессы выращивания тонких монокристаллических слоёв. Для этого используется специальная подложка монокристаллического типа. Часто бывает так, что материалы подложки и выращиваемого слоя идентичны. В таких случаях процесс называется автоэпитаксиальным. Если материалы слоя и подложки отличаются друг от друга, то то процесс выращивания называется гетероэпитаксиальным. Нужно обратить внимание на тот факт, что кристаллическая структура подложки и слоя должна быть в любом случае схожей, иначе роста монокристаллического слоя не произойдёт.

Эпитаксия из газовой среды, как это работает

Газофазная эпитаксия подразумевает под собой процесс выращивания кремния из парогазовой фазы. Такие процедуры проводятся в специальных реакторах. Сам реактор изготавливается из кварца, который имеет стеклообразную структуру. Внутри реактора помещён пьедестал, на который устанавливаются подложки. Кроме того, за счёт пьедестала происходит нагрев подложек, во время рабочего процесса. Кремний должен выращиваться под воздействием высоких температур, в потоке парогазовых смесей.

Для того чтобы вырастить кремний в реакторе, нужно использовать специальные кремнесодержащие реагенты. Без использования данных реагентов процедура газофазной эпитаксии будет невозможна:

1. Тетрахлорид кремния;
2. Дихлорсиоан;
3. Трихлорсилан;
4. Силан.

Ещё нужен водород. Газ будет разлагаться на пластине. На эту пластину осаждаются атомы кремния. Все компоненты кремния разлагаются только под воздействием тепла. В реактор поступают вещества только в виде газов. Поэтому эпитаксия из газовой среды и имеет такое название. Эпитаксиальные плёнки формируются во время ламелярного течения газа по трубе.

При сборке реактора нужно ещё на этапе конструирования помнить, что когда газ будет продвигаться вглубь трубы, его скорость будет неуклонно падать. При этом температура будет расти. За счёт этих особенностей нужно высчитать скорость реакции на поверхности подложки. Чтобы получить необходимую монокристаллическую плёнку, достаточно сильно нагреть пластину. Во время этого осаждающиеся атомы кремния быдут перемещаться до тех пор, пока у них с подложкой не начнут образовываться ковалентные связи.

Несмотря на кажущуюся простоту процесса, тут имеется один нюанс, соблюсти который достаточно сложно. Все атомы должны успеть продолжить монокристаллическую решётку до того момента, как их накроет следующим слоем осаждающих атомов кремния. При этом температурный режим должен поддерживаться в постоянном диапазоне от +900 до +1250 градусов Цельсия. Скорость роста плёнки на поверхности подложки составляет величину в несколько микрометров в минуту.

Механизмы наращивания плёнок при газовой эпитаксии

Механизмы наращивания эпитаксиальных плёнок могут быть разными. Выделяются прямые и непрямые механизмы наращивания эпитаксиальных плёнок. Принцип непрямого наращивания заключается в том, что атомы кремния образуются на поверхности нагретой подложки. Это происходит за счёт разложения кремниевых соединений.

Что касается принципа прямого наращивания, то данный процесс происходит за счёт непосредственного попадания атомов кремния на поверхность подложки. Когда в реакторе создаются необходимые условия, атомы кремния начинают движение по нагретой поверхности подложки. При этом они постепенно занимают места, которые соответствуют структуре подложки. Получается так, что изначально формируются островки кристаллизации, после чего они соединяются вместе, образуя при этом двухмерную решётку на поверхности подложки.

Процесс наращивания эпитаксиальных плёнок на поверхности пластины происходит по следующему алгоритму:

1. Молекулы кремния вступают в реакцию посредством диффузии через слой к поверхности кремния. Происходит массопередача;
2. Происходит процесс адсорбции молекул кремния поверхностью;
3. На поверхности происходит реакция;
4. Далее происходит десорбция продуктов реакции;
5. Происходит массопередача молекул продуктов реакции за счёт диффузии к потоку газа;
6. Атомы кремния, которые адсорбировались, упорядочиваются в кристаллической решётке.

Если создать идеальные условия, то все процессы будут протекать плавно и с одинаковой скоростью. За счёт этого эпитаксиальный слой на поверхности подложки будет расти равномерно. Если попытаться увеличить скорость роста плёнки, то атомы кремния будут встраиваться не только в кристаллографические места, но и в произвольные, что приведёт к росту поликристаллической плёнки.

Технологическое оборудование для газофазной эпитаксии

При организации технологического процесса нужно строго соблюдать все требования техники безопасности. Так как во время процесса используется водород, возможны взрывы или возгорания. Легирующие газы обладают высокой токсичностью, отравления могут привести даже к смертельным исходам.

Что касается самого оборудования, то в качестве реактора используют трубу из кварца. Её стенки охлаждаются за счёт системы принудительного охлаждения. Пластины располагают на подложкодержателе, который одновременно является нагревателем. Нагрев индукционного типа. Подложкодержатель изготовлен из графита, покрытого специальным покрытием. В системе в обязательном порядке используется оптический пирометр, который служит для измерения температуры в реакторе. расход газа отслеживается за счёт ротаметра.

Возможные дефекты эпитаксиальных плёнок

Из-за несоблюдения всех этапов технологического процесса, или из-за использования некачественного оборудования, эпитаксиальные плёнки могут иметь следующие дефекты:

1. В эпитаксиальный слой может прорости линейная дислокация;
2. Во время роста эпитаксиального слоя могут возникнуть примесные преципитаты;
3. Если условия будут несоответствующие, могут появляться бугорки на поверхности. Даже при идеальных условиях данные бугорки могут появиться в результате не идеальной поверхности, на которой образуется эпитаксиальная плёнка.

Только качественная подготовка и строгое выполнение всех технологических параметров поможет избежать возникновения дефектов различного рода.