Введение к работе
Актуальность темы.
Тройное полупроводниковое соединение Hg1-xCdxTe (КРТ) является перспективным материалом для изготовления инфракрасных фотоприемников среднего и дальнего ИК-диапазонов. Возможность перестройки длины волны в широком диапазоне спектра путем изменения состава делает этот материал крайне привлекательным для создания уникальных фотоэлектронных устройств, которые применяются в тепловизионной аппаратуре, в приборах дистанционного наблюдения, в медицинской технике. Фотоприемные устройства на основе КРТ способны перекрывать окна прозрачности земной атмосферы (3 – 5 и 8 -12 мкм) и могут применяться для космического мониторинга.
Среди методов, используемых при выращивании КРТ и структур на его основе наиболее универсальным и технологичным является метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Сравнительно низкая температура эпитаксиального роста из молекулярных пучков (~ 200С) ограничивает диффузию примесей из подложки и позволяет выращивать слои высокого качества. Низкая температура предотвращает также размытие границ раздела за счет взаимодиффузии, что делает возможным выращивание многослойных структур с резкими границами раздела и заданным распределением состава. Наконец, технология МЛЭ оказывается наиболее гибкой при решении вопроса об альтернативных подложках благодаря возможности выращивания композиционных буферных слоев для сопряжения с активным слоем КРТ.
Для реализации в полной мере всех перечисленных возможностей МЛЭ необходим надежный и достаточно простой метод контроля технологических процессов и параметров выращиваемых структур. В полупроводниковой тонкопленочной технологии для этих целей обычно используется дифракция быстрых электронов, которая дает исчерпывающую информацию о кристаллической структуре, позволяет наблюдать слоевой рост и тем самым контролировать толщины слоев. Однако, в случае синтеза КРТ применение электронных методов сталкивается с серьезными проблемами. Оптимальные режимы эпитаксиального роста находятся в узком температурном интервале. Энергия электронов в пучке составляет ~10 кэВ, это приводит к локальному разогреву поверхности, отклонению условий роста от оптимальных и искажению информации. Более предпочтительны в этом случае оптические методы контроля, которые никак не воздействуют на процессы роста, в частности метод эллипсометрии. Ряд особенностей делает его основным кандидатом в качестве средства технологического контроля.
Метод эллипсометрии характеризует амплитудно-фазовые изменения поляризованной световой волны при ее отражении и является поэтому более информативным по сравнению с рефлектометрическими измерениями. Этот метод невозмущающий, так как энергия квантов света для видимого диапазона составляет всего несколько электрон-вольт. Эллипсометрическая аппаратура легко встраивается в технологические установки и не требует размещения каких-либо элементов в вакуумном объеме за исключением окон ввода и вывода излучения. Эллипсометрические измерения обладают высоким быстродействием, удовлетворяющим требованиям при выращивании неоднородных структур. Наконец, следует отметить, что эллипсометрические измерения чувствительны к различным характеристикам исследуемых объектов: кристаллической модификации материала, его составу, толщинам слоев, размытию межфазных границ и морфологическому несовершенству поверхности. Поэтому потенциально с помощью эллипсометрических измерений можно изучать большой набор параметров, характеризующих свойства растущей структуры.
Следует, однако, отметить одну особенность рассматриваемого метода, которая зачастую ограничивает его широкое применение. Физические параметры исследуемых структур определяются не напрямую из эллипсометрических измерений, а путем моделирования. Создание адекватной оптической модели, которая учитывала бы наиболее существенные особенности объекта исследования, является непростой задачей. Она предполагает хорошее понимание как физики взаимодействия света с образцом, так и тех физико-химических процессов, которые определяют поведение самого образца. Кроме того, количественное моделирование предполагает наличие библиотеки оптических постоянных материалов, которые составляют исследуемые структуры. Для технологии МЛЭ КРТ это соединения группы А2В6 (HgTe, CdTe, ZnTe и твердые растворы на базе этих соединений), а также подложечный материал GaAs и Si. За исключением, пожалуй, кремния для всех остальных материалов имеющиеся в литературе сведения либо фрагментарны, либо, наоборот, дают общие представления о спектральной зависимости оптических постоянных или зависимости по составу и не соответствуют требованиям точности, которые необходимы для реализации в полной мере возможностей лазерной эллипсометрии.
Возможности метода во многом определяются также используемой эллипсометрической аппаратурой. Повышение точности измерений, быстродействия, удешевление аналитического оборудования с сохранением его функциональных свойств – все это также представляется крайне актуальным для успешного решения задач, связанных с постановкой эллипсометрического контроля процессов молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур на основе КРТ.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является разработка комплекса методических и аппаратных средств, направленных на создание эллипсометрического контроля при выращивании методом МЛЭ структур на основе КРТ. Исходя из сказанного выше, для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Оптимизировать параметры оптической измерительной схемы, включая узлы эллипсометра и модули ввода – вывода излучения в камеру для достижения максимальной точности эллипсометрических измерений.
-
Выполнить исследования, создать библиотеку данных по оптическим постоянным полупроводниковых соединений, используемых в структурах КРТ, и на основе полученного эмпирического материала провести их параметризацию.
-
На основе экспериментальных исследований процессов роста гетероструктур КРТ разработать оптические модели и методики для in-situ контроля ключевых параметров этих структур: состава, толщин слоев, кристаллического совершенства и т.д.;
-
Провести теоретический анализ взаимодействия поляризованного света с оптически неоднородными и многослойными структурами с целью получения простых и корректных методов расчета количественных характеристик отраженного света и способов определения параметров структур.
-
Разработать методы эллипсометрической in situ диагностики выращиваемых наноструктур КРТ со сложным профилем состава и провести их апробацию в экспериментальных условиях на установке МЛЭ.
Научная новизна.
В зарубежных научно-производственных центрах в ряде случаев для контроля процессов синтеза МЛЭ КРТ используется метод спектральной эллипсометрии. Ключевые особенности соответствующих методических разработок представляют «ноу хау» и по этой причине не разглашаются в открытой печати. Широкое применение метода ограничено из-за технических особенностей, которыми обладают зарубежные установки роста: для достижения высокой однородности состава по площади необходимо вращение подложки, и это создает трудности для эллипсометрических измерений.
В технологических установках, разработанных в ИФП СО РАН, применяется испаритель оригинальной конструкции [1], который позволяет проводить рост на неподвижной подложке, и это открывает широкие возможности для использования эллипсометрических методов контроля. Прежде всего, необходимо сделать выбор между спектральной и лазерной (одноволновой) эллипсометрией. Метод спектральной эллипсометрии, несомненно, является более информативным, однако проведенный сравнительный анализ потенциальных возможностей этих двух методов позволил сделать выбор в пользу последнего. Основные аргументы такого решения следующие:
-
Использование лазерного источника света позволяет добиться более высокой точности и пороговой чувствительности измерений.
-
Измерения на одной длине волны обеспечивают более высокое быстродействие. Это можно использовать для изучения быстрых динамических процессов роста либо для накопления данных и повышения таким образом точности измерений.
-
Лазерные эллипсометры в 2-3 раза дешевле спектральных, что позволяет оснащать каждый технологический модуль многокамерной установки отдельным эллипсометром. Тем самым можно обеспечить эллипсометрический мониторинг на всех технологических операциях при выращивании структур.
-
По счастливой случайности длина волны He-Ne-лазера, используемого в эллипсометрах, лежит вблизи критической точки Е1 для растворов КРТ с мольной долей CdTe х=0.2 – 0.3, обеспечивая необходимую чувствительность измерений к составу.
-
Несмотря на более высокую информативность спектральных измерений, поток данных, получаемых в реальном времени в процессе роста оказывается столь высок, что реально используется только малая часть этой информации, нивелируя тем самым преимущества спектральной эллипсометрии.
Новизна данной работы заключается в том, что впервые в мировой практике дано научное обоснование, разработаны базовые принципы и реализовано в экспериментальных условиях комплексное применение лазерной эллипсометрии как метода контроля на всех стадиях технологии МЛЭ КРТ. Представлены теоретические и методические разработки в области эллипсометрии, направленные на решение принципиальных технологических задач. На основе этих разработок предложены методы контроля in situ таких ключевых параметров как состава КРТ и CdZnTe, кристаллического совершенства слоев, температуры роста и других. Осуществлено выращивание квантовых наноструктур с заданным распределением состава при полном эллипсометрическом контроле. Это позволяет использовать широкие возможности МЛЭ для проектирования и создания уникальных структур фотоники с заданными свойствами.
Практическая значимость.
-
Созданы научные предпосылки для комплексного применения эллипсометрии в качестве базового метода контроля процессов МЛЭ КРТ. Многие из полученных результатов носят общий характер и могут быть использованы для диагностики в других технологиях.
-
Разработан комплекс эллипсометрических методик, позволяющий в процессе выращивания структур КРТ осуществлять непрерывный мониторинг ключевых параметров, таких как состав материалов растущих слоев, скорость роста, структурное совершенство слоев и морфология поверхности, температура поверхности роста и других.
-
Предложены численные алгоритмы, приемы и методы решения ряда задач эллипсометрии, представляющие практический интерес как для рассматриваемой технологии, так и для исследования других структур.
-
Измерены температурные зависимости оптических постоянных КРТ, GaAs и ZnTe, которые имеют прикладное значение для оптических, оптоэлектронных и других применений.
-
Представлены теоретические и экспериментальные результаты, в которых обосновано применение эллипсометрии для прецизионного контроля при выращивании квантовых наноструктур с изменяемой по толщине шириной запрещенной зоны и продемонстрированы возможности зонной инженерии на основе КРТ.
-
В результате проведенных расчетов и анализа статической схемы эллипсометра предложены способы повышения абсолютной точности измерений, а функциональные возможности схемы расширены до исследования анизотропных объектов.
-
Получены теоретические и методические разработки, которые представляют важное значение для дальнейшего развития эллипсометрического метода в целом и могут применяться для решения широкого класса практических задач. Такими разработками являются:
- высокочувствительный эллипсометрический метод измерения температуры;
- критерий оценки качества оптической поверхности;
- решение обратной задачи эллипсометрии для слабо неоднородных слоев;
- аналитическое решение прямой задачи для периодических слоистых структур;
- критерий замены многослойной структуры однородной средой;
- повышение точности решения обратной задачи, основанное на привлечении относительной производной эллипсометрических параметров.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Ошибки измерения эллипсометрических параметров, обусловленные несовершенствами оптических элементов эллипсометра и погрешностями их юстировки, можно устранить (полностью или частично) проведением измерений при симметричных азимутальных положениях поляризатора Р=±45, а также путем комбинации измерений для различных конфигураций элементов: A1=0, 45, A2=0, 45, С=0, 45.
2. Разработанный комплекс эллипсометрических методик позволяет контролировать ключевые параметры гетероструктур КРТ в процессе их выращивания: качество термической очистки подложек, структурное совершенство слоев и их морфологию, состав слоев Hg1-xCdxTe с точностью ±0.001 и CdzZn1-zTe с точностью ±0.006, скорость роста и температуру роста.
3. Экспериментальным критерием для оценки качества оптической поверхности тонких слоев, служит амплитуда интерференционных осцилляций псевдодиэлектрической функции
4. Профили оптических постоянных n(z) и k(z) для слабо градиентного неоднородного слоя ( l|dN/dz|<<1 ) восстанавливаются по кинетическим зависимостям эллипсометрических параметров Y(t), D(t), измеренным в процессе роста этого слоя.
5. При формировании периодической слоистой структуры эллипсометрические параметры циклически изменяются между предельными точками (Y1, D1) и (Y2, D2), для которых получены аналитические выражения через оптические константы слоев и их толщины.
6. Отражение света от многослойной структуры эквивалентно отражению от однородной среды, если коэффициенты отражения структуры удовлетворяют условию (j - угол падения света). Такая замена упрощает численные расчеты и объясняет отсутствие накопления ошибок при итерационных вычислениях для большого числа слоев.
7. Относительная производная для эллипсометрических параметров (или ), измеренных в процессе выращивании градиентных слоев, является независимой измеряемой величиной и ее использование для интерпретации эллипсометрического эксперимента увеличивает точность измерения состава и его градиента.
Апробация работы.
Основные материалы диссертации изложены в опубликованных научных трудах, среди которых: раздел в коллективной научной монографии, 29 статей в рецензируемых отечественных научных журналах из списка ВАК для докторских диссертаций, 7 статей в иностранных научных журналах. Кроме того, имеются 24 публикации в тезисах международных, всесоюзных и российских конференций, а также 6 публикаций в сборниках трудов конференций и других нерецензируемых изданиях. Список основных публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Результаты работы докладывались и обсуждались на отечественных и зарубежных научных форумах: 3-й и 4-й Всесоюзных конференциях «Эллипсометрия – теория, методы, приложения» (г. Новосибирск, 1985 и 1989 гг.), 1-й Конференции по физике полупроводников (г. Н-Новгород, 1993 г.), Международной конференции «Оптика полупроводников» (г. Ульяновск, 2000 г.), международных конференциях EXMATEC-96 (Фрайбург, Германия, 1996 г.) и EXMATEC – 2000 (Крит, Греция, 2000 г.), 2-й и 3-й Международных конференциях по спектральной эллипсометрии (Чарлстоун, США, 1997 г. и Вена, Австрия, 2003 г.), Международном совещании по проблемам лазерной метрологии (г. Новосибирск, 2002 г.), 17-й Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2002), Национальной конференции по росту кристаллов (Москва, 2002 г.), 6-й международной конференции “Material Sciences and Material Properties for Infrared Optoelectronics” (Киев, Украина, 2002 г.), Российской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (г. Воронеж, 2006 г.), Российских совещаниях по фотонике (г. Новосибирск, 2003 и 2008 гг.), 9-й Российской конференции по физике полупроводников (г. Новосибирск – г. Томск, 2009 г.), Российской конференции «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов» (г. Новосибирск, 2009 г.), 14-й Международной конференции по соединениям А2В6 (г. Санкт-Петербург, 2009 г.).
Достоверность полученных результатов.
Основные выводы и положения, полученные с помощью теоретических выкладок, подтверждаются численным моделированием, а также экспериментально путем сравнения результатов эллипсометрических измерений с данными, полученными другими методами исследования. Достоверность результатов подтверждается также тем, что представленные методические разработки были использованы для контроля технологических процессов и параметров выращиваемых структур и позволили получить слои с высокими техническими характеристиками, которые успешно использовались для производства приборов коммерческого назначения.
Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключается:
- в постановке ряда задач и их формулировке на языке модельных представлений, описывающих взаимодействие света со структурами;
- проведении теоретических расчетов и разработке методов и подходов для анализа эллипсометрических данных;
- разработке адекватных оптических моделей для описания процессов роста и физико-химических характеристик выращиваемых структур;
интерпретации результатов эллипсометрических измерений;
разработке оптимальных численных алгоритмов для количественной обработки экспериментальных данных;
- научном и техническом сопровождении эллипсометрических измерений;
выполнении отдельных экспериментов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. В конце каждой главы приводятся основные выводы по данной главе. Объем диссертации составляет 234 страницы она содержит 96 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 179 наименований.
