Вопросы на три (Alex.BiT & Рома Edition) (987495), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Абсорбционный насос - использует материалы с развитой поверхностью (например, порошок цеолита), которые при сильном охлаждении (жидким азотом) вбирают в себя часть газа из установки.

Магниторазрядный насос - частицы титана ионизируют молекулы газа в установке, а электрическое поле притягивает их к катоду. Завершает процесс откачивания газа из установки.

] Манипулятор

Манипулятор (подложкодержатель) используется для крепления подложки, ее вращения и нагревания.

Встроенный в манипулятор нагреватель обеспечивает предварительный прогрев образца для очистки его от грязи и сгона защитного слоя окисла. Во время работы нагреватель поддерживает постоянную температуру подложки, при которой происходит миграция адсорбированных атомов (адатомов) осаждаемого вещества по поверхности (диффузия). Тем самым обеспечивается процесс самосборки, т.е. формирования атомарно гладких монослоев. Скорость роста определяется потоком вещества на поверхность. При малых потоках получаются очень гладкие плёнки с четкими гетерограницами. Однако из-за длительности процесса повышается вероятность загрязнения поверхности, что приводит к появлению дефектов в итоговой структуре. При большем потоке, монокристаллическая плёнка не растёт, а получается поликристаллическая или аморфная.

Для устранения эффектов неоднородности структур из-за несимметричности молекулярных пучков манипуляторы обычно делаются вращающимися. Однако в этом случае все равно сохраняется радиальная несимметричность.

] Молекулярные источники

Для испарения необходимых для роста веществ используются молекулярные источники. Они состоят из следующих элементов:

• Тигль из тугоплавкого материала (чистый нитрид бора или графит). От формы тигля зависит форма и однородность молекулярного пучка. В современных источниках используются эффузионные ячейки Кнудсена.

• Нагреватель (намотанная вокруг тигля спираль). Температура нагрева достигает 1900 K.

• Термопара для измерения температуры тигля. От температуры зависит плотность потока вешества в пучке.

• Заслонка перед тиглем. С ее помощью можно резко выключать пучок для формирования четких гетерограниц в образце.

Испаренное в тигле вещество в виде пучка попадает на подложку. Благодаря сверхвысокому вакууму молекулы вещества распространяются практически по прямой не испытывая соударения с молекулами газа (т.е. длина свободного пробега молекул больше расстояния от источника до подложки).

В случае использования тугоплавких материалов или веществ с высокой химической активностью используется автотигельный метод испарения. Электронный пучок попадает в вещество и расплавляет небольшой участок. Таким образом вещество само является тиглем. Современные устройства контроля электронного пучка позволяют изменять его направление, фокус, интенсивность и другие параметры с целью получить равномерный атомарный пучок или повысить эффективность расхода материала.

Количество и тип источников определяется используемыми для роста веществами. Например для создания структур GaAs/AlGaAs необходимо три источника: Ga, Al и As. Обычно в установках предусмотрено место для установки нескольких источников (обычно шести), что позволяет реже вскрывать установку для заправки источников веществом.

Криопанели

Для улучшения вакуума и вымораживания не попавших на подложку молекул испаряемого вещества вокруг манипулятора установлены криопанели — емкости, заполненые жидким азотом.

] Системы контроля ростовых параметров

• Вакууметры для измерения давления в камере.

• Масс-спектрометр для контроля состава молекулярного пучка, состава атмосферы и давления в камере.

• Термопары для измерения температуры образца, тиглей источников.

Автоматизация

Использование управляющих блоков и компьютеров со специальным ПО позволяет ускорить процессы эпитаксии, упростить установку в обслуживании.

Подложка

Подложка - диск монокристаллического кремния диаметром 40, 60 или 102 мм.

Методы диагностики

Дифракция быстрых электронов на отражение

Схема метода дифракции быстрых электронов на отражение.

Дифракция быстрых электронов на отражение (ДБЭ, RHEED, Reflection High Energy Electron Diffraction) - метод, основанный на наблюдении картины дифракции отраженных от поверхности образца электронов.

Этот метод позволяет следить в реальном времени за следующими параметрами роста:

• чистота поверхности (по яркости отраженного сигнала);

• температура образца (по изменению картины дифракции при критических температурах из-за перестройки поверхности);

• ориентация подложки (по направлению полос в дифракционной картине);

• скорость роста (по осцилляции основного рефлеска в ходе роста).

Система состоит из:

• электронной пушки;

• люминесцентного экрана;

• регистрирующей системы.

Использование

Метод наиболее часто используется для выращивания полупроводниковых гетероструктур из тройных растворов или четверных растворов основанных на элементах из третьей и пятой группы периодической системы элементов, хотя выращивают и A^IIB^VI соединения, а также кремний, германий, металлы и т. д.

Псевдоморфные плёнки

Качество выращенных плёнок зависит от согласования постоянных решёток материала и подложки. Причём чем больше рассогласование, тем меньшей толщины можно вырастить бездефектную плёнку. Растущая плёнка старается подстроиться под кристаллическую структуру подложки. Если постоянная решётки растущего материала отличается от постоянной решётки подложки в плёнке возникают напряжения, увеличивающиеся с ростом толщины плёнки. Это может приводить к возникновекнию множества дислокаций на интерфейсе подложка-плёнка, ухудшающих электрофизические свойства материала. Обычно этого избегают. Например, идеальная пара соединений GaAs и тройной раствор AlGaAs очень часто используется для производства структур с двумерным электронным газом. Для получения квантовых точек (InAs) используется явление самоорганизации, когда выращивают пару монослоёв InAs плёнки на GaAs подлоджке, а так как рассогласования объёмных постоянных решёток достигает 7 % данная плёнка рвётся и InAs собирается в островки, которые и называются из-за своих размеров квантовыми точками.

Преимущества и недостатки метода

Основное преимущество метода — возможность создания уникальных наноструктур с очень высокой чистотой, однородностью и малым количеством дефектов. К недостаткам метода можно отнести высокую цену оборудования и исходных материалов, малую скорость роста, сложность поддержания высокого вакуума.

1.5.3. Системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии и ограниченной растворимостью в твердом состоянии

Д иаграммы с простой эвтектикой. Рассмотрим случай, когда компоненты в твердом состоянии полностью нерастворимы друг в друге.

Рис. 1.5.3. Диаграмма состояний системы с простой эвтектикой. Вещества полностью растворимые в жид­ком состоянии и не растворимые в твердом

В таком случае температура кристалли­зации компонента А из раствора всегда ниже из чистого растворителя (рис. 1.5.1, точки / и 2 соответственно). Исходя из аналогичных построений, построим кривую ликвидуса Л_А для компонента А (рис. 1.5.3) и кривую Л_В — для В. Каждая из них отвечает состоянию равновесия между кристаллами А (В) и жидким раствором (А+В). Следовательно, точка пересечения Е кривых п_А и п_В должна отвечать инвариант­ному равновесию между фазами А, В и L, т. е. в этих усло­виях число степеней свободы системы равно нулю. Линией солидуса в данной системе является горизонталь КЕМ. При кристаллизации состава n₁ (рис. 1.5.3) первые кристаллы ком­понента А выпадают при Т=Т₁. Расплав при этом обогаща­ется компонентом В и его состав по мере снижения темпе­ратуры изменяется от точки 1 до точки Е.

При Т=Т_Е (инвариантная точка) вся система кристал­лизуется, образуя механическую смесь (А+В). Системы, в которых компоненты были бы полностью нерастворимы друг в друге, в природе не существуют, поскольку в этом случае было бы возможно получать абсолютно чистые компоненты, что противоречит выводам термодинамики.

На практике обычно реализуются системы, в которых при кристаллизации выпадают два твердых раствора: α-раствор компонента В на основе компонента А и β-раствор компо­нента А в В. Диаграмма состоит из ликвидуса аЕb и соли­дуса acdb. В точках с и d кривые солидуса ас и bd пересе­каются с бинодальной моновариантной кривой kfm, ограни­чивающей область разрыва сплошности твердых растворов. Поскольку точки с и d являются точками пересечения моно­вариантных кривых, они являются нонвариантными и лежат на одной изотермической прямой, проходящей через точку Е (рис. 1.5.3).

На рис. 1.5.4 показаны возможные механизмы кристалли­зации в этой системе. Для состава N₁ кристаллизация нач­нется в точке 1, состав первого кристалла соответствует со­ставу точки 2, состав последней капли жидкости соответст­вует точке 3. Для состава N₂ кристаллизация начнется в точке 5, состав первого кристалла соответствует точке 6, со­став последней капли жидкости соответствует точке 7. При температуре (точка 11) из твердого α -раствора выпадут кристаллы твердого β-раствора. При дальнейшем понижении температуры состав α-раствора будет изменяться по кривой 11- К,, β-раствора—по 12—т. Для состава N₃ первый крис­талл состава (точка 10) выпадет при температуре (точка 9) T₉=T₁₀. При дальнейшем понижении температуры состав жидкой фазы меняется по кривой (9—Е). При Т=Т_Е (эвтектическая точка) и в равновесии будут находиться L_E α-раствор состава точки с и β-раствор состава точки d, т. е. L_E → α_c + β_c. Кристаллизация эвтектического состава проис­ходит при постоянной температуре Т_Е. Дальнейшее пониже­ние температуры вызовет изменение состава α -раствора по кривой СК и β-раствора — по кривой d_m.

Р ис. 1.5.4. Диаграмма состояний системы, образующей твердые растворы с эвтектикой

Согласно предложенной модели процессу кристаллизации эвтектики должна предшествовать диффузия в жидкости. Со­ставы, полученные в результате кристаллизации, будут тем более неоднородны, чем быстрее проводилась кристаллиза­ция. На практике это означает необходимость гомогенизи­рующего отжига для получения воспроизводимых свойств синтезируемых материалов. Отметим также, это для всех составов, лежащих в интервале Km, фазовый состав по окон­чании процесса один и тот же, меняется лишь относительное содержание количества α_K и β_m

Использование диаграмм состояний с частичной раство­римостью в твердом состоянии в технологических целях осу­ществляется при проведении процессов легирования полупро­водникового материала примесями и создании в нем примес­ной электропроводности. В этой связи на диаграмме можно выделить несколько характерных точек, знание которых поз­волит определить пределы легирования той или иной при­месью. Точка С на диаграмме носит название предела рас­творимости, поскольку определяет предельную концентрацию твердого раствора. Точка К определяет предел легирования, т. е. максимальную концентрацию примеси для создания стабильного твердого раствора. Обычно предельную концентра­цию твердого раствора определяет предел легирования, но бывает комбинация материалов, когда предел легирования больше предела растворимости.

Следует отметить, что все свойства полупроводникового материала реализуются через примесную электропровод­ность. При помощи легирования создается та или иная ве­личина электропроводности и тип ее. Сам чистый полупро­водниковый материал без дефектов и примесей не обладает ярко выраженным типом электропроводности (преимущест­венно электронного типа), и поэтому не может применять­ся для создания полупроводниковых структур.

Тип и определенная величина электропроводности полу­чается при легировании полупроводникового материала при­месью, которая должна входить в виде твердого раствора. Эвтектика в большинстве своем создает металлическую элект­ропроводность и может быть использована для создания проводниковых структур: металлизация, контакты, выводы.

Р ис. 1.5.5. Диаграммы состояний системы, образующей твердые растворы с перетектикой

В предыдущем случае мы рассмотрели вариант, когда Т_А>Т_В>Т_E. В том случае, когда Т_В >Т_E> Т_А реализуется система твердых растворов с перетектикой (рис. 1.5.5). На этой диаграмме кривые ликвидуса твердых растворов α и β (dP и сР соответственно на рис. 1.5.5) пересекаются в нонвариантной точке Р, а кривые солидуса — с бинодальной кри­вой MKN (точки а и b). Кристаллизация составов, лежащих в интервале dP и cb, описана в предыдущей, диаграмме. Рассмотрим случаи, когда составы лежат в интервале Рb. Ох­лаждение состава n₁ вызовет при температуре точки 1 появ­ление первого кристалла β состава точки 2. Дальнейшее по­нижение температуры будет сопровождаться изменением со­става жидкой фазы по кривой 1—Р, твердого β-раствора — по кривой 2 — b. При перитектической температуре Т_Р необ­ходимы три фазы для сохранения нонвариантного равнове­сия. В данном случае между жидкой фазой точки Р и твер­дым β -раствором точки b произойдет перетектическая реак­ция L_p+ β_b ↔ L_a В зависимости от состава исходных реаген­тов возможны три случая. Реакция пройдет полностью, если исходный состав соответствовал составу точки a, т. е. m_P/mb_b=ab/P_a (m_Pг и т_b —количества жидкости и β-раствора, соответственно). Если фигуративная точка исходного соста­ва лежит в интервале Ра, перетектическая реакция при по­стоянной температуре пойдет до исчезновения β_b, дальней­шее охлаждение оставшейся жидкости будет, как и раньше, характеризоваться кривой ликвидуса Pd и солидуса ad. В случае нахождения фигуративной точки в интервале ab перетектическая реакция пойдет до полного исчезновения жидкой фазы, дальнейшее понижение температуры вызовет изменение состава α - и β- растворов по кривым аМ и bN со­ответственно. Состав точки Р кристаллизуется как однород­ный α -раствор, состав точки b — как β -раствор, но начиная с перетектической температуры из него выделяется α раствор.

Характеристики

Список файлов вопросов/заданий