Промышленная деятельность требует специального оборудования и технологий, позволяющих выполнять различные процессы, такие как эпитаксия. Эпитаксия – наращение много кристаллических слоёв на кристалл (также именуемый, как подложка), при этом новые нарощенные слои полностью повторяют контур исходного объекта.
Виды эпитаксиального наращивания
Как и любой другой процесс, эпитаксия имеет виды выполнения. Они связаны со способами обработки подложки.
Основные виды эпитаксии:
- Автоэпитаксия. Представляет собой наращение на кристалл вещества, имеющего практически абсолютное сходство по составу с самой подложкой. Накладываемое вещество может иметь в своём составе примеси. Ярким примером такой эпитаксии, является наращивание слоя кремния на кремниевую подложку.
- Гетероэпитаксия. При этом состав слоя и подложки отличается, но химические соединения не образуются.
- Хемоэпитаксия. Наращенный слой, является химическим соединением подложки и осаждаемого вещества.
Наращенный эпитаксиальный слой будет полностью повторять контур кристалла. Его можно наращивать из веществ любой консистенции: жидких, твёрдых газовых. Однако тогда специалисты используют различные методы эпитаксии.
Независимо от вида эпитаксии, наращивание тонких слоёв на поверхность подложки имеет такие преимущества:
- Применяется в различных сферах деятельности для улучшения физических качеств основного материала.
- Эпитаксию можно наносить локально.
- Проводимость наращиваемой плёнки можно изменять до нужных параметров, дополняя вещество различными примесями.
- Выполнять покрытие объекта можно, независимо от его размера, объёма, формы.
- Покрытие полностью повторяет контур исходного кристалла и может заполнять имеющиеся на его поверхности дефекты.
Кроме того, нанесение тонкого слоя, отличающегося от самого слитка на его поверхность, позволяет снизить концентрацию углерода и кислорода. Из-за чего повышается устойчивость объекта к повреждениям, и снижается количество дефектов.
Методы формирования эпитаксиальных слоёв
Методы эпитаксиального наращивания напрямую зависят от фазы вещества, используемого для наращивания много кристаллического слоя. Отсюда возникают следующие методы эпитаксии:
- Жидкофазная.
- Газофазная.
- Молекулярно-пучковая.
В процессе молекулярно-лучевого эпитаксиального наращивания используется сверхвысокий вакуум. Тогда вещество испаряется и осаждается на подложку. Наращивание слоёв происходит на молекулярном уровне.
Газофазная эпитаксия подразделяется на химическую и физическую. При последнем варианте наращивания используется методика катодного осаждения и распыления, расплавления и осаждения молекулярных пучков в вакуумированном пространстве.
В качестве дополнительных методов эпитаксии выделяют:
- Твердофазную эпитаксию. При доведении подложки до высоких температур фаза, располагающаяся внутри многослойной структуры, подвергается перекристаллизации и растёт на монокристалле.
- Жидкофазная. При этом монокристаллическая плёнка из расплавленного полупроводникового материала осаждается на подложку, в виде монокристаллического слоя.
- Конденсированная. При этом используемый материал подвергается испарению с дальнейшим распылением и осаждением на монокристаллический объект.
По механизму наращивания:
- Прямой. Атомы, находящиеся внутри камеры падают и осаждаются на поверхности обрабатываемого объекта.
- Непрямой. Атомы образуются за счёт разложения соединений самого слитка. Тогда атомы перемещаются по поверхности разогретого кристалла и занимают возникающие на поверхности объекта островки.
В методику наращивания эпитаксиального слоя входит правильный разогрев. Подложка должна быть нагретой до температуры, 576-673 градуса, в противном случае атомы не будут прикрепляться к кристаллу или снова начнут испаряться и осаждаться на менее раскалённых поверхностях. Вообще наращивание эпитаксиального слоя довольно кропотливая и сложная задача, ведь при диссонации используемых компонентов, следует уделять особое внимание их летучести, которая должна быть одинаковой. Из-за этого создание монослойной плёнки идентичной по составу/толщине затруднительно, и выполняется только при использовании специальных методик, оборудования.
Процесс наращивания
Эпитаксиальное наращивание выполняется исключительно в специальных промышленных камерах, позволяющих нагревать вещества до определенных температур и контролировать весь процесс эпитаксии.
Устройство для создания эпитаксиальных слоёв имеет следующую конструкцию:
- 2 сверхвакуумные барокамеры, имеющие безмасляную откачку.
- Камеру анализа.
- Механизм перемещения.
Весь процесс эпитаксии и формирование кристаллических плёнок происходит в сверхвакуумных барокамерах. После обработки подложки в одной камере, она перемещается в другую, благодаря специальному транспортирующему механизму. Он перемещает содержимое барокамеры без её разгерметизации. Процессы эпитаксиального наращивания внутри камер обязательно контролируются рабочим персоналом. Это требуется во избежание перегрева кристалла и переиспарения сформированной плёнки. Для этого предусмотрена камера анализа, позволяющая специалисту безопасно для здоровья оценивать качество обработки подложки.
Последовательность эпитаксии:
- Испарение отдельных атомов, выполняющееся за счёт нагревания лазером или спиралью, разогретой до предельно высоких температур.
- Переход атомов в более холодные участки барокамеры.
- Превращение атомов в наночастицы.
- Наложение наночастиц на поверхность объекта.
Процесс эпитаксии наглядно
Особенности процесса эпитаксиального наращивания:
- Напыление. Выполняется из ячеек Кнудсена, изготовленных из чисто-спектрального графита, с изолированным покрытием из алунда с наружной стороны.
- Нагрев. Внутри устройства имеется вольфрамовая, термоустойчивая спираль.
Во избежание взаимного теплового воздействия между устройством и его содержимым, предусмотрено помещение ячеек в медно-танталовую рифленую фольгу, охлаждающуюся азотом. Их особенностью, является доступность образования молекулярных безвихревых, ламинарных потоков. Их перекрытие выполняется, благодаря заслонке, управляемой вне барокамеры, из-за чего разгерметизация камер отсутствует.
В процессе наблюдения за эпитаксией, используются приборы:
- Дифрактометр медленных электронов.
- Оже-спектрометр.
Они позволяют оценить рельефность и химический состав образовавшейся поверхности, интенсивность молекулярных пучков, атмосферу внутри барокамеры и кристаллическую структуру формируемого слоя.
Следовательно, формирование слоя на подложке требует регулярной корректировки процесса, осуществляющегося в реальном времени, поэтому данным способом наращиваются рекордно тонкие (до 100 нм) слои на металлах, диэлектриках, полупроводниках и пр.
