ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА Том 9, № 1, 2013, стр. 22-28
ФИЗИКА
УДК 538.931(051)
ПРОЦЕССЫ НА ВНЕШНЕЙ СТОРОНЕ ПЛАСТИНЫ-ИСТОЧНИКА ПРИ ЗОННОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ
КРЕМНИЯ
© 2013 г. Г.В. Валов1
Впервые методами конфокальной, атомно-силовой и электронной микроскопии исследована морфология и состав внешней поверхности пластины-источника после проведения процесса зонной сублимационной перекристаллизации. Показано, что в случае использования нагревательного элемента из молибдена на рассматриваемой поверхности образуется система упорядоченных островков. При использовании графитовых нагревателей на поверхности наблюдалось образование тонкой твердой пленки.
Ключевые слова: зонная сублимационная перекристаллизация, эпитаксиальный слой, морфология поверхности, островковая структура, тонкая пленка.
ВВЕДЕНИЕ
Поверхность любого твердого тела, помещенного в вакуум, при температуре Т > 0 сублимирует. Одновременно существует и обратный процесс - конденсация сублимирующих атомов на поверхности этого тела. Если сублимирующие атомы одного тела осаждаются на другом теле, то возникает процесс, который называется сублимационной перекристаллизацией вещества. Целенаправленное создание условий для сублимационной перекристаллизации лежит в основе совокупности родственных методов получения эпитаксиальных слоев и тонких пленок различного состава.
Если сублимирующая поверхность и поверхность (источник), на которой происходит конденсация (подложка), разделены некоторым вакуумным промежутком (зоной), то можно говорить о зонной сублимационной перекристаллизации (ЗСП).
Метод ЗСП, являясь разновидностью молекуляр-но-лучевой эпитаксии, обладает важными для прикладных целей преимуществами: 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. В настоящее время в технологии микросхем широко используются пластины диаметром от 150 до 200 мм, происходит переход на пластины диаметром 300 мм. Эффективность применения
метода ЗСП для получения эпитаксиальных слоев на пластинах такого диаметра возрастает (тогда как сложности применения для тех же целей других известных методов существенно увеличиваются). Поэтому возникает настоятельная необходимость проведения дальнейших, более детальных исследований процесса ЗСП. Это касается в первую очередь исследований вклада всех массопотоков, воздействующих на микроразмерную ростовую ячейку в процессе выращивания слоя на подложке. Актуальность этой задачи становится более очевидной, если учесть, что прежние исследования были направлены на выявление закономерностей переноса в ростовой ячейке основного вещества и легирующей примеси.
В простейшем случае метод зонной сублимационной перекристаллизации связан с использованием плоских взаимопараллельных пластин - сублимирующегося источника 1, имеющего температуру Т1, и подложки 2, имеющую температуру Т2 < Т1 (рис. 1), разделенных вакуумным промежутком толщиной I. Таким образом, появляются четыре поверхности (Ж1-Ж4), участвующие в процессе ЗСП. Особенности и достоинства метода ЗСП реализуются при выполнении условий:
« 1,
R
Ао l
& 1,
(1)
(2)
1 Южный научный центр Российской академии наук, 344006, Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41, тел: (863) 250-98-05; e-mail: valov@ssc-ras.ru
где Я - радиус подложки, А0 - длина свободного пробега молекулы в вакуумной зоне.
Из выражений (1) и (2) следует, что вакуумный зазор 3 при ЗСП должен быть по возможности максимально тонким, практически его величина
ПгГ /12
7-Е
V
N4
N3 N2
N1
Рис. 1. Схематическое изображение ростовой ячейки, используемой при ЗСП: 1 - источник; 2 - подложка, 3 - ростовая зона, 4 - внешняя среда, 5 - кристаллизующийся слой
должна составлять микроны. Поэтому ростовую ячейку, используемую для ЗСП, называют микроразмерной. В вакуумной ростовой ячейке 3, ограниченной поверхностями Ы2 источника основного вещества и N пластины-подложки, происходят процессы массопереноса, включающие перенос основного вещества, перенос содержащихся в источнике примесей, а также массообмен с внешней средой 4, заключающийся в выносе основного вещества за пределы ростовой зоны и проникновении в нее внешних фоновых примесей из вакуумной камеры (поток У4).
Массоперенос основного вещества и легирующих примесей внутри вакуумной зоны изучен до-
Рис. 2. Островковые структуры, образующиеся на поверхности N при использовании молибденового нагревателя: а - общий вид (конфокальный микроскоп, увеличение 300*); б - трехмерная визуализация участка поверхности, полученная методом АСМ; О -градиент температуры, Ог и 02 - его радиальная (к центру пластины) и вертикальная составляющие
3,75 8,00 12,25 16,50 20,75 25,00 29,25 33,50 37,75 Энергия, кэВ
в
Элемент Mac. % At. %
Si 85,80 93,47
Mo 07,05 02,25
Ti 04,03 02,58
Fe 03,11 01,71
Коррекция ZAF
Рис. 3. Результаты рентгеновского энергодисперсионного микроанализа: а - электронная микрофотография исследуемого участка; б - энергетический спектр; в - элементный состав
статочно полно [1-5]. Влияние внешних потоков, неизбежно присутствующих в вакуумной камере высокотемпературной установки, на процесс ЗСП практически не исследовалось.
Очевидно, что наибольшей интенсивностью, и, следовательно, наибольшим влиянием на процесс ЗСП, будет обладать массопоток фоновых примесей, исходящий от нагревательного элемента установки (поток J3). Этот поток воздействует на поверхность Ы1, находящуюся при самой высокой в пределах ростовой композиции температуре.
Поверхность Ы1 служит экраном, препятствующим прямому попаданию в ростовую зону атомов, испаряющихся с нагревателя. Давление паров тех же атомов, реиспаряющихся с поверхности Ы1, значительно ниже (из-за более низкой температуры этой поверхности по сравнению с температурой нагревателя).
Рассматриваемые атомы попадают на конструкционные элементы оснастки нагревателя, где также
адсорбируются и частично реиспаряются, создавая в конечном итоге свой вклад в интегральный поток примесных атомов J4, проникающий в ростовую зону и оказывающий непосредственное влияние на рост эпитаксиального слоя.
Исследования морфологии и состава поверхности N1 позволят судить о роли материала нагревательного элемента в формировании массопотока J3, об интенсивности и составе этого потока и о его возможном влиянии на качество эпитаксиальных слоев, получаемых при ЗСП.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В настоящей работе использовались два типа нагревателей: молибденовые и графитовые. Эти материалы чаще других применяются для изготовления высокотемпературных нагревательных элементов в вакуумных высокотемпературных установках. В качестве основного перекристаллизуемого материала использовался кремний. Процесс ЗСП проводился при температуре источника T1 = 1350 °C, остаточном давлении в вакуумной камере P = 10-3 Па. Время процесса составляло t = 1 ч.
Исследования, проведенные с помощью конфокальной, электронной и атомно-силовой микроскопии, показали, что при использовании молибденового нагревателя на обращенной к нему поверхности пластины-источника N1 возникают скопления упорядочено-распределенных островков (см. рис. 2а).
Эти островки представляют собой пологие возвышенности примерно одинакового размера с вкраплениями кристаллических образований. Кристаллические образования могут как располагаться в центре островка, так и быть смещенными от него на некоторое расстояние (рис. 26). Поверхностное расположение островков таково, что на поверхности пластин кремния с ориентацией (111) они образуют сетку с гексагональной ячейкой. На врезке рисунка 2а выделена единичная структурная ячейка системы возникающих островков, а также их типичная группа. На рисунке 2б показаны трехмерная визуализация участка поверхности N1 с островками, направление градиента температуры, профиль островка в натуральном масштабе, визуализация островка как без, так и со смещением кристаллита.
Энергодисперсионный рентгеновский микроанализ показал, что в состав островка, помимо основного материала (кремния), входят молибден, титан, железо. Максимальная концентрация этих элементов наблюдалась в кристаллитах (рис. 3а-в). Исследования зависимостей элементного состава островков и кристаллитов от расстояния до цент-
Рис. 4. Пленка осадка на поверхности Л1, возникающая при использовании графитового нагревателя (сканирующий конфокальный 3,0-микроскоп): а - микрофотография поверхности пленки (увеличение 3000*); б - микрофотография обратной стороны отслоившейся пленки (увеличение 3000*); в - микрофотография участка пленки на поверхности источника (увеличение 3000*); г - трехмерная визуализация этого участка пленки (увеличение 3000*)
ра пластины и угла поворота относительно центра не выявили значимых изменений в концентрациях элементов, входящих их в состав. В пространстве между островками не обнаружено каких-либо дополнительных элементов помимо кремния. Чувствительность метода составляла 0,01%.
При использовании графитовых нагревателей на поверхности N1 наблюдалось образование тонкой твердой пленки (рис. 4а) светло-коричневого цвета. Она легко отделяется от пластины и обладает повышенной хрупкостью.
Пленка состоит из кристаллических микрозерен. На поверхности пластины кремния с ориентацией (111) микрозерна имеют в основном треугольную или гексагональную огранку (рис. 4а) и своим основанием, как правило, срощены с кремнием (рис. 46, в). Обратная сторона кристалла-источника после удаления пленки имеет неровную поверхность со следами контакта с пленкой (рис. 4в). Неровность поверхности отчетливо видна на трехмерной визуализации соответствующего участка (рис. 4г), полученной с помощью сканирующего конфокального 3^-микроскопа.
Проведенный рентгеновский микроанализ поверхности плёнки (рис. 5) показал, что в состав пленки входит кремний (~95-97%), углерод (~3-4%) и железо (~1-2%).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В случае использования молибденового нагревателя на вн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.