Процессы массопереноса при зонной сублимационной перекристаллизации кремния с использованием микроразмерной ростовой ячейки Валов, Георгий Владимирович

Введение к работе

Актуальность работы

Расширение ассортимента и повышение качества слоев и структур, используемых в микро- и оптоэлектронике, остается важнейшим направлением развития полупроводниковой технологии. В частности повышается актуальность разработки новых методов получения совершенных слоев большой площади. К таким методам относится зонная сублимационная перекристаллизация (ЗСП). Сечение ростовой ячейки для ЗСП приведено на рисунке 1. Величины радиуса пластин R и толщины ростовой зоны / должны удовлетворять условиям:

l«R,lo»l, (1)

где Хо - длина свободного пробега молекулы в ростовой микрозоне.

Метод ЗСП, являясь разновидностью молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), обладает рядом важных для прикладных целей особенностей. Он предъявляет менее жесткие требования к вакууму в технологической камере, обеспечивает практически полный перенос ростового вещества и примесей, включая примеси с малым коэффициентом прилипания, позволяет получать однородные по толщине и составу совершенные слои на подложках большой площади, заменять процесс вакуумного травления на процесс роста и осуществлять в режиме in situ предэпитаксиальную очистку подложки от адсорбированных примесей. Актуальность дальнейших исследований метода ЗСП возрастает в связи с тенденцией перехода на пластины кремния все большего диаметра. В настоящее время в технологии микросхем широко используются пластины диаметром от 150 до 200 мм. Происходит переход на пластины диаметром 300 мм. Эффективность метода ЗСП при получении эпитаксиальных слоев на подложках такого диаметра возрастает (тогда как применение для тех же целей других известных методов вызывает существенно большие трудности).

Поэтому необходимо проведение дальнейших, более детальных исследований процесса ЗСП. Это касается в первую очередь исследований воздействия на микроразмерную ростовую ячейку всех массопотоков, возникающих в вакуумной технологической камере при ЗСП. В предшествующих работах детально исследованы массопотоки только ростового вещества и примесей от сублимирующего источника. Однако массопотоков при ЗСП, влияющих на качество слоя, значительно больше. Они пока не систематизированы, их специфическая роль при ЗСП комплексно не исследовалась. Современная электронная и зондовая аппаратура для таких исследований до настоящего времени практически не применялась. Последнее обстоятельство придает дополнительную актуальность исследованию процессов массопереноса при ЗСП, выполненному в настоящей диссертации.

Цель работы

Комплексное исследование процессов массопереноса атомов ростового вещества и фоновых примесей, определяющих и сопровождающих формирование слоев ростового вещества методом зонной сублимационной перекристаллизации с использованием микроразмерной ростовой ячейки.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: 1) систематизировать массопотоки, возникающие в вакуумной камере при ЗСП;

1. разработать принципиальные основы методики исследования состава и интенсивности массопотоков при ЗСП с учетом специфики конфигурации ростовой ячейки с помощью современной зондовой аппаратуры;

2. исследовать особенности и результаты воздействия массопотоков остаточных газов на внешние поверхности микроразмерной ростовой ячейки при ЗСП;

3. исследовать особенности и результаты воздействия массопотоков остаточных газов на внутренние поверхности микроразмерной ячейки при ЗСП;

4. исследовать механизм и масштаб эффекта защиты внутренних поверхностей ростовой ячейки при ЗСП от воздействия молекул остаточных газов в технологической камере.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования являются: процесс выращивания эпитаксиальных слоев кремния методом ЗСП с использованием микроразмерной ячейки; массопо-токи вне и внутри микроразмерной ростовой ячейки; морфология поверхностей пластин кремния, составляющих ростовую ячейку, и связь этой морфологии и качества выращенных слоев с массопотоками.

В теоретических исследованиях использовалась атомно-кинетическая теория и метод зеркальных переотражений молекулярных потоков внутри микроразмерной ростовой ячейки (интегральная модель).

Для экспериментальных исследований в качестве модельного материала выбран кремний. Такой выбор обусловлен широким использованием кремния как базового материала современной твердотельной электроники и наличием пластин кремния различного диаметра и ориентации с поверхностью, подготовленной к процессу эпитаксии в высокочистых производственных условиях.

Экспериментальная часть работы выполнена на основе комплекса современных взаимодополняющих аналитических методов: электронно-зондовой, атомно-силовой и лазерной микроскопии, энергодисперсионного микроанализа в лабораториях ЮНЦ РАН и ЮРГТУ (НПИ).

Научная новизна работы

1. Предложены новые концептуальные основы методики исследования состава и интенсивности массопотоков при ЗСП, учитывающие геометрические особенности ростовой микроячейки.

2. Впервые исследованы результаты воздействия массопотока от нагревательного элемента и от наиболее нагретых частей высокотемпературной оснастки на внешнюю поверхность пластины-источника. Показано, что при возникновении высокотемпературных эвтектик (молибденовый нагреватель) образуется регулярная сетка каплеобразных структур со средним диаметром 5 мкм (дисперсия 12 %), содержащих кремний (93,5 ат. %), молибден (2,3 ат. %), титан (2,5 ат. %) и железо (1,7 ат. %), общая масса которых характеризует состав массопотока от нагревательного элемента. В случае использования графитового нагревателя возникает поликристаллическая пленка, содержащая кремний (95,8 ат. %), углерод (3,0 ат. %) и железо (1,2 ат. %).

3. Впервые исследованы результаты воздействия массопотоков при ЗСП на внешнюю поверхность пластины-подложки. Показано, что при любом нагревателе указанная поверхность покрывается неограненными углублениями и выступами,

содержащими кремний и кислород (не менее 24 ат. %), что связано со специфическим воздействием остаточного кислорода на внешнюю поверхность пластины-подложки при температуре ЗСП.

4. Впервые экспериментально исследован результат воздействия внешнего (интегрированного) массопотока из технологической камеры на периферийные области внутри микроразмерной ростовой ячейки. Установлено, что воздействие резко спадает в направлении от периферии к центру ростовой ячейки и затрагивает лишь край подложки шириной 5= 20/. В типичных условиях ЗСП (/« К) основная часть площади растущего эпислоя остается достаточно совершенной.

5. Обнаружено и описано проявление при ЗСП эффекта сорбциоиного поглощения остаточных газов внутренними поверхностями ростовой микроячейки. Показано, что автосорбционный эффект снижает в типичных условиях ЗСП давление остаточных газов в микрозоне на три порядка по сравнению с их давлением в технологической камере. Показано также, что основной эффект сорбционной очистки микрозоны обеспечивает ее периферийная часть шириной 5= 20/.

Практическая значимость

Практическая значимость диссертации связана с разработкой следующих методик и методов:

1. метод измерения скорости сублимации и локального равновесного давления паров высокотемпературных материалов и его зависимости от температуры;

2. методика сублимационной очистки поверхности пластины-подложки в режиме in situ непосредственно перед процессом эпитаксии;

3. методика получения микро- и наноразмерных островковых структур при ЗСП;

4. методика использования микроячейки как инструмента исследования массопо-токов в газовой фазе вакуумных высокотемпературных установок;

5. методика использования в атомно-силовой микроскопии наноразмерных углеродных острий, выращенных на стандартных кремниевых зондах для повышения разрешающей способности АСМ;

6. методика получения и использования позиционных меток, позволяющая ускорять поиск и фиксацию исследуемых наноразмерных локальных участков на высокосовершенных однородных поверхностях.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Систематизация массопотоков, возникающих в вакуумной камере при ЗСП, и разработанная новая принципиальная основа методики исследования состава и интенсивности массопотоков при ЗСП, учитывающая геометрические особенности ростовой микроячейки и опирающаяся на аналитические возможности современной электронномикроскопической и зондовой аппаратуры.

2. На внешней поверхности пластины-источника при конденсации массопотока от нагревательного элемента (при использовании молибденовых нагревателей) возникает система упорядоченных островковых образований. В состав островков входят кремний 93,5 ат. %, молибден 2,3 ат. %, титан 2,5 ат. %, железо 1,7 ат. %. При использовании нагревателя из графита образуется сплошная пленка. Средняя скорость роста пленки при температуре пластины-источника Т_х = 1683 К составляет v_c = 1,2 мкм/ч. В состав пленки входит кремний 95,8 ат. %, углерод 3,0 ат. % и железо 1,2 ат. %.

3. Внешняя поверхность N₄ пластины-подложки после проведения ЗСП ока
зывается покрыта неупорядоченными микроямками и выступами неправильной
формы, содержащими кремний и кислород (не менее 24 ат. %), что связано со
специфическим воздействием остаточного кислорода на внешнюю поверхность
пластины-подложки при температуре ЗСП.

4. В процессе конденсации внешнего (интегрированного) массопотока на
периферийных областях поверхностей источника и подложки внутри микрораз
мерной ростовой ячейки возникают специфические морфологические образова
ния и дефекты в областях шириной hR_m\ и AR_m2 соответственно. Величины AR_mi
и AR_m2 не зависят от радиуса пластин, возрастают с увеличением толщины ваку
умной зоны /, температуры источника, остаточного давления в вакуумной макро
камере Р₀ и времени процесса ЗСП. При типичных значениях параметров процес
са ЗСП AR_M < 10/, AR_m2 < 20/.

5. Внешний массопоток в микроразмерную ростовую ячейку из вакуумной камеры интенсивно сорбируется на поверхностях источника и подложки, практически полностью поглощаясь на узких периферийных частях AR_mi и AR_m2 указанных поверхностей. Сорбционный эффект органически присущ процессу ЗСП, а микроразмерная ростовая ячейка является эффективным геттерным насосом со специфическими особенностями. В процессе ЗСП сорбционный эффект существенно снижает давление в ростовой микрозоне. При этом среднее давление остаточных газов в микрозоне при ЗСП (Р) в 1/3R раза меньше давления в вакуумной камере (Р₀) (^в типичных условиях ЗСП Р = 10~³ Р₀). Локальное остаточное давление в микрозоне Р(г) имеет максимальное значение P(R) = Ро на ее внешней границе и уменьшается в ее средней части до значений Р(0) < Р_ср. Это объясняется тем, что периферийная кромка поверхности растущего эпитаксиального слоя играет основную роль в автосорбционном эффекте при ЗСП, поглощая практически все попадающие в микрозону извне чужеродные молекулы.

6. При выращивании методом ЗСП эпитаксиальных слоев возникают три краевых эффекта, вызванных выносом ростового вещества за пределы микрозоны AR_B, нарушением на периферии однородности температуры AR_T и обнаруженным в настоящей работе сорбционным эффектом AR_m. Установлено, что при ЗСП AR_B ~ AR_T ~ AR_m. Доля площади проявления краевых эффектов убывает с увеличением R и составляет 2 %, 1 % и 0,7 % приР = 100, 200 и 300 мм соответственно.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах отдела «Нанотехнологий, солнечной энергетики и энергосберегающих технологий» Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону), кафедры «Физика» Южно-Российского государственного технического университета (г. Новочеркасск), были обсуждены на 4 научных конференциях:

XIII нац. конф. по росту кристаллов, г. Москва, 17-21 ноября 2008 г.

Всеросс. молодежи, конф. «Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника», г. Новочеркасск, 11-12 октября 2012 г.

Всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2006», г. Новочеркасск, 20-26 ноября 2006 г.

56^а науч.-техн. конф. проф.-препод, состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 13-15 марта 2007 г.

Диссертационное исследование выполнено в рамках 2 НИОКР:

НИОКР по заказу Федерального агентства по науке и инновациям (г/к № 02.513.11.3349, 2007-2008 гг.).

НИОКР конкурса Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (г/к№ 5614Р/8050, 2008 г.; г/к№ 6632Р/9196, 2009 г.).

Личный вклад автора

Постановка цели и задач диссертации осуществлены научным руководителем. Все экспериментальные исследования и интерпретация результатов выполнены автором. Выращивание углеродных нановискеров и позиционных нанометок осуществлено совместно с В.А. Ирхой.

Публикации

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 14 работах, среди которых: 5 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК, 1 монография, 1 патент РФ, 2 авторских свидетельства о регистрации программы для ЭВМ, 5 работ в сборниках научных трудов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованных источников. Общий объем работы составляет 163 страницы (50 рисунков и 4 таблицы).

Похожие диссертации на Процессы массопереноса при зонной сублимационной перекристаллизации кремния с использованием микроразмерной ростовой ячейки

Нелинейная спектроскопия атомов рубидия в газовой ячейке и магнитооптической ловушке с использованием полупроводниковых лазеровЭнтин Василий Матвеевич

Теоретическое исследование влияния соударений атомов с поверхностью газовой ячейки на процесс оптической накачки Соколов Игорь Михайлович

Анализ процессов в ячейке хранения одиночных электронов, изготовленной на основе металлических туннельных контактов субмикронной площадкиЛотхов, Сергей Валентинович

Исследование процесса передачи и обработки информации светоинформационными системами на базе акустооптической ячейки БрэггаРодионцев Алексей Александрович

Исследования процессов активации ионов и механизмов их потерь при возбуждении циклотронного движения в ячейке спектрометра ионного циклотронного резонансаВилков Андрей Николаевич

Фотопреобразователи на основе кремния с использованием прозрачных проводящих оксидовНечипоренко, Юрий Леонидович

Карбид кремния, легированный алюминием, и его использование в высокотемпературных полупроводниковых приборах и керамических нагревательных элементахРастегаев, Владимир Петрович

Теплофизические свойства соединений германия и кремния с 3d-переходными металлами. Измерения с использованием импульсного лазерного нагрева Загребин Леонид Дмитриевич

Математическое моделирование автоколебательных и автоволновых процессов в электрофоретической ячейке с магнитной жидкостью в электрическом полеКиселева Татьяна Владимировна

Модели и методы исследования вероятностно-временных характеристик процессов обработки АТМ-ячеек на физическом уровне Нгуен Тиен Бан