Введение к работе
Актуальность темы
Mono- и поликристадлнческие слон полупроводников и металлов широко используются в современной твердотельной электронике. В связи с этим интенсивно развиваются исследования, направленные на создание физических основ перспективных технологий получения таких слоев. В настоящее время со все большей очевидностью проявляются достоинства и расширяются применения и исследования молекулярно-лучевой эпнтаксии (МЛЭ). Этот метод разрабатывается как универсальный, успешно конкурирующий по качеству получаемых слоев с методами газофазной и жидкофазной эпнтаксии. Однако использование МЛЭ в промышленной технологии твердотельной электроники сдерживается в значительной мере тем, что известные и хорошо изученные варианты требуют весьма сложного оборудования и сверхвысокого вакуума. Между тем, в литературе отмечалось, что если рост слоя организовать в тонкой зоне между взаимно параллельными пластинами (источником молекулярного потока и подложкой), то должна наблюдаться определенная зашита зоны роста от попадания молекул из окружающего пространства. В итоге процесс кристаллизации слоя на подложке становится менее зависимым от вакуумных условий. Этот эффект представляет интерес для твердотельной технологии и любых других областей техники, где используется нанесение тонких слоев на твердую поверхность. Он совместим с другими вакуумными технологическими стадиями и может позволить объединить в едином технологическом цикле разнородные по вакуумным условиям процессы, один из которых - кристаллизация из молекулярного потока.
Названный метод кристаллизации сводится к сублимации вещества, его переносу через тонкую вакуумную зону и осаждению на подложке. Такой метод уместно именовать "зонной сублимационной перекристаллизацией" (ЗСП). Это название, в отличие ог других терминов, отражает не только физическую сущность метода и его геометрические особенности, но II возможность незпнтакслального нанесения металлических и полупроводниковых слоев.
Применение метода ЗСП в настоящее время ограничивается использованием плоских однородных сплошных источников, создание которых для ряда материалов затруднено технически или по каким-либо причинам не выгодно. Поэтому является актуальной разработка и исследование методов,
свободных от указанного ограничения. В настоящей работе в качестве альтернативы такнм источникам предложены и использованы дискретные источники, которые представляют собой группу локальных (точечных) источников, имеющие определенное пространственное расположение. Использование дискретных источников оказывается полезным также в тех случаях, когда необходимо получать слои металлов или полупроводников с заданной модулированностью по толщине. В данной работе показано, что варьируя расположение индивидуальных источников, их размеры и форму, можно локально определять плотность молекулярного потока и, как следствие, толщину осаждаемого слоя. Применение сублимирующих сплошных источников большой плошадн всегда связано с опасностью превысить в ходе процесса температуру плавления испаряемого материала, что может привести к изменению формы поверхности источника, его целостности и нарушению геометрии вакуумной зоны. Составные источники лишены этого недостатка, т.к. для индивидуального точечного источника фазовое состояние поверхности не играет существенной роли. Закономерности массопереноса и осаждения слоев при использовании составных источников в сочетании с геометрическими особенностями ЗСП до настоящей работы не исследовалось.
Одним из важных этапов технологии твердотельной электроники является формирование тонкопленочных проводящих слоев. Получение подобных слоев производится, как правило, осаждением металла методом МЛЭ, т.е. в условиях удаленных друг от друга источника паров и подложки. При этом рост слоя происходит в большинстве случаев на подложках, содержащих элементы рельефа. Исследование осаждения слоев на близко расположенные к источнику пленарные и непланарные подложки не проводилось.
В связи со сказанным всестороннее исследование массопереноса при ЗСП представляется актуальным. Выявление основных закономерностей этого процесса целесообразно проводить на примере элементарных веществ. При этом процесс не усложняется эффектами стехиометрического характера. В данной работе в качестве модельных материалов используются кремний, эрбий, селен и серебро. Применение этих материалов позволяет охватить достаточно широкий температурный диапазон проведения процесса ЗСП, выявить основные закономерности массопереноса вещества из сплошных и дискретных источников. Кроме того, кремний, эрбий, серебро и селец широко используются в твердотельной электронике и смежных областях, что придает исследованиям дополнительную актуальность.
Целями данной работы являлись:
-
разработка физических моделей ЗСП, их теоретический анализ;
-
зксперимент&іьная проверка выводов теории о закономерностях массопереноса вещества источника в ростовоіі зоне при ЗСП;
-
теоретическое и экспериментальное исследование репродукции дискретной структуры источника при осаждении слоя на близко расположенную подложку;
-
исследование особенностей осаждения слоев методом ЗСП на подложки с элементами рельефа;
-
разработка методики проведения компьютерного эксперимента, позволяющего отрабатывать технологию получения слоев с заданными геометрическими параметрами методом ЗСП.
Для реализации поставленных целей необходимо было решить следующие задачи: теоретически обосновать выбор моделей массопереноса вещества источника; разработать алгоритмы реализации компьютерного эксперимента для различных технологически значимых условии проведения ЗСП; разработать методику и аппаратуру исследования ЗСП; выбрать модельные материалы; осуществить экспериментальную проверку выводов теории на указанных материалах; исследовать геометрические характеристики полученных слоев: выявить области практических применений метода ЗСП.
Наглнаалашоїш
-
Предложены и проанализированы три принципиально различные взаимодополняющие модели, всесторонне описывающие массоперенос ростового вещества в вакуумной зоне между источником и подложкой.
-
Проведены систематические теоретические и экспериментальные исследования ЗСП металлов и полупроводников при использовании однородных сплошных и дискретных источников, позволившие установить основные закономерности процесса ЗСП.
-
Впервые на основе сравнительного анализа показано, что метол ЗСП при осаждения слоев на рельефные подложки обеспечивает рост более однородных слоев по сравнению с методом МЛЭ.
-
Разработана методика компьютерного прогнозирования технологических процессов на основе атомно-кинетической модели.
Практическая значимость
Проведенные исследования показывают, что областями практического применения результатов диссертации могут быть:
-
Прогнозирование технологических условий процесса осаждения полупроводниковых и металлических слоев с заданными геометрическими свойствами на основе численного моделирования и компьютерного эксперимента.
-
Сублимационное нанесение однородных по толщине поли- и монокристаллических слоев металлов и полупроводников практически без потерь.
-
Осаждение однородных слоев и слоев с модулированной толщиной при использовании дискретных источников.
-
Выращивание эпитаксиальных слоев легированного полупроводника на основе сочетания двух родственных методов: ЗСП и жндкофазноіі эпитаксии (ЗПГТ).
-
Определение равновесного давления паров над твердой поверхностью и измерение скорости сублимации.
Основные положения, выносимые на зашиту
-
Разработаны три модели массопереноса при зонной сублимационной перекристаллизации: зеркальная, диффузионная и атомно-кинетическая модели.
-
Зеркальная модель применима для анализа общих закономерностей массопереноса в простейшем случае, когда вакуумная зона образована плоскими поверхностями однородных по составу и структуре источника и подложки.
-
Диффузионная модель позволяет исследовать перенос веществ с коэффициентом конденсации на поверхностях источника и подложки а « 1 ц при выполнении условия 1/R « 1..
4. Атомно-кинетическая модель применима при любых значениях
параметра IJR и коэффициента конденсации а и позволяет рассматривать
массопсренос для неплоских вакуумных зон, а также при наличии
неоднородностей структуры и состава источника.
5. Результаты экспериментального исследования ЗСП с использованием
Ag, Se, Si, Er.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конфёрс-нцинл ЮРГТУ (НПИ) (1995-1999 гг.), ежегодной Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и
, 7
микроэлектроники" (Дивноморское, 1995-1998 гг.), конференции по новым материалам и технологиям (Москва, 1994 г.), научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника" (Гурзуф, 1995 г.), III Российско-китайском симпозиуме "Advanced materials and processes" (Калуга, 1995 г.), II и III Всероссийских конференциях по методам и средствам измерения физических величин (Нижний Новгород, 1997-1998 гг.), II Российском симпозиуме "Процессы тепло- массопереноса и роста монокристаллов и тонкопленочных структур" (Обнинск, 1997 г.), 44-ом международном коллоквиуме (Ильменау, Германия, 1999 г.).
По результатам диссертации опубликовано 23 печатные работы, из них двенадцать статей.
Объем диссертации и ее структура
Материалы диссертационной работы изложены па 152 страницах машинописного текста. Диссертация состоит из введения, пятп глав, общих выводов, списка литературы, включаюшего 141 наименование. Диссертация иллюстрирована 60 рисунками и 4 таблицами.
