Введение к работе
Актуальяость работы. По существующим прогнозам развития материалов электронной техники ведущая роль на ближайшее десятилетие, безусловно, сохранится за кремнием. Однако, возможности последнего в определенном плане ограничены температурными условиями эксплуатации приборов на его основе. С развитием "экстремальной электроники" в последнее время наблюдается оживление разработок в области промышленного освоения карбида кремния (SiC). Интерес к SiC вызван сочетанием в данном материале ряда ценных качеств: широкая запрещенная зона, высокая теплопроводность, химическая и радиационная стойкость, что делает перспективным создание приборов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации. Применение нитрида алюминия (A1N) в качестве материала для изоляции элементов в структурах на основе SiC вызвано хорошим кристаллохимическим соответствием и технологической совместимостью SiC и A1N. Кроме того, композиция на основе "SiC-AIN", нанесенная на инородную подложку из кремния или сапфира, частично решает проблему ограниченной площади кристаллических подложек SiC и их высокой стоимости.
Определенные ограничения на пути широкого использования гетероэпитаксиальных структур "SiC на инородной подложке" связаны с высокими температурами осаждения SiC классическим сублимационным способом, нестандартным исполнением и достаточно высокой стоимостью аппаратуры для газофазного осаждения SiC. Поэтому рассматривая современное состояние исследований в области эпитаксии SiC и A1N, следует отметить возросший интерес к различным вариантам ионно-химического осаждения (ИХО). Данный способ осаждения основан на взаимодействии между активными частицами газов и атомами распыляемого материала как на поверхности мишени или подложки, так и в плазме разряда.
Настоящую работу следует рассматривать как исследование, направленное на решение проблемы низкотемпературного осаждения SiC и A1N на инородной подложке.
Цельк) работы являлась разработка физико-технологических основ, аппаратного и методического обеспечения процесса низкотемпературной эпитаксии SiC и A1N ионно-химическим методом на собственные и инородные подложки для структур высокотемпературной электроники карбид кремния на изоляторе. В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработка модели управления процессами структурного и химического упорядочения при получении пленок SiC и A1N ионно-химическим методом.
-
Разработка аппаратурного и методического обеспечения для низкотемпературного получения эпитаксиальных слоев SiC и A1N, твердых растворов на их основе и периодических структур в единой технологической камере в рамках унифицированных технологических схем.
-
Разработка и реализация процесса эпитаксии SiC и A1N ионно-химическим методом на собственные и инородные подложки (SiC, A1N, АІаОз, Si).
-
Разработка и создание гетероструктур на основе SiC с диэлектрической изоляцией элементов для датчиков давления и температуры с экстремальными условиями эксплуатации.
В работе получены следующие научные результаты:
-
Исследованы начальные стадии процессов структурного и химического упорядочения при синтезе слоев в системе "кремний-углерод" в области низких температур и установлено, что факторами, определяющими процесс химического упорядочения, являются температура подложки и соотношение исходных компонентов. Химически упорядоченный SiC представляет собой хаотическую сетку тетраэдров, а повышение температуры синтеза до 350 С приводит к образованию кристаллитов SiC с размерами около 1 нм.
-
Изучены процессы структурного и химического упорядочения при синтезе слоев в системе "кремний-углерод" в области высоких температур и установлена корреляция между температурными зависимостями скорости роста и состава слоев. Показано, что вплоть до температур 700 С скорость роста и состав слоев не зависят от температуры подложки, а в интервале температур 700+950 С изменяется соотношение основных компонентов в пленке из-за непропорциональной десорбции кремния и углерода с поверхности роста. Установлено, что введение избыточного Si в поток частиц к
подложке обеспечивает самостабилизацию состава и скорости роста в области температур 700^-950 С.
-
В рамках предложенной кинетической модели роста осуществлено комплексное описание процессов, протекающих при ионно-химическом осаждении SiC и A1N в системах Si+СШ и А1+№.
-
На основе модели ионно-химического осаждения слоев в системе "SiC-AlN" и совокупности экспериментально полученных зависимостей, оптимизированы условия и технологические параметры получения эпитаксиальных слоев SiC и A1N.
Практическая ценность.
-
Разработана аппаратура, обеспечивающая получение бинарных соединений SiC, A1N и их композиций в единой технологической камере с использованием унифицированной технологической схемы.
-
Предложен и реализован процесс низкотемпературного получения эпитаксиальных слоев SiC и A1N на собственной и инородных подложках.
-
На основе гетероструктур карбид кремния на изоляторе сформированы первичные преобразователи для высокотемпературных датчиков давления и температуры.
Результаты работы внедрены в Центре технологий микроэлектроники Минобразования РФ при организации мелкосерийного выпуска SiC датчиков на основе структур карбид кремния на изоляторе в рамках реализации научно-технической программы "Человек в экстремальных условиях". Результаты работы использованы при выполнении международного проекта в рамках договора МНТЦ-95-204 "Полупроводниковый карбид кремния для нового поколения радиационноустойчивой и высокотемпературной электроники" и гранта INTAS-93-13.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. При получении эпитаксиальных слоев бинарных соединений в системе "SiC-AlN", с резко различающимися коэффициентами распыления основных компонентов, методом ионно-химического осаждения, определяющими являются процессы химического и структурного упорядочения, протекающие на поверхности подложки, причем, температура подложки является доминирующим фактором по отношению к ее химическому составу и структурному состоянию поверхности, устанавливая необходимое динамическое равновесие
между процессами адсорбции и десорбции по более легко распыляемому компоненту.
2. В условиях неравновесного синтеза слоев SiC методом ионно-гшазменного осаждения при ^естехиометрическом" составе потока вещества, поступающего на подложку, имеет место эффект стабилизации скорости роста и самостабилизации состава в некотором интервале температур, при чем нижняя граница данного интервала температур определяет начало процесса структурного упорядочения, а верхняя -нарушение стехиометрии с сопутствующим данному процессу структурным разулорядочением.
Апробация работы. По результатам исследований были сделаны доклады на: Second International High Temperature Electronics Conference (USA, Charlotte, North Carolina, 1994); Международном семинаре "Полупроводниковый карбид кремния и приборы на его основе" (Новгород, 1995); The 6th Conference on Sensor Technology (Sensors '95), (Korea, 1995); E-MRS 1996 Spring Meeting (France, Strasbourg, 1996); Third International High Temperature Electronics Conference (USA, Albuquerque, New Mexico, 1996); Tenth European Conference On Solid-State Transdusers (Belgium, Leuven, 1996); The 7th Conference on Sensor Technology (Sensors '96) (Korea, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 печатных работ, в том числе 2 работы опубликованы в сборнике СПбГЭТУ и 8 работ в трудах конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований, и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 118 страницах машинописного текста. Работа содержит 67 рисунков и 3 таблицы.
