Файл: Дорфман В.Ф. Газофазная микрометаллургия полупроводников [Текст] 1974. - 190 с.pdf

стороны, теплота гетерогенной реакции может повышать истинную температуру приповерхностного слоя на эквишалентную величину (для конденсации из собственного шара аналогичный эффект, связанный с теплотой крис­ таллизации, рассмотрен в работе [213]). Поэтому при

•аномально-высоких температурах подложки зародыше-

•образование может проходить через жидкую фазу. Пос­ кольку кинетика и термодинамика физико-химических процессов с участием жидкой фазы существенно изменя­ ется, однородность эпитаксиальных структур может на­ рушаться. Так, например, при кристаллизации германия, кремния II арсенида галлия наблюдается образование конусообразных фигур роста с диаметром основания до 0,5 см и высотой до 0,2—0,3 мм, в то время как основная поверхность подложки свободна от крупных неровностей или даже травится [45].

При очень малых зазорах между источником и под­ ложкой возникают нестабильности, связанные с измене­ нием фактического градиента температуры вблизи не­ ровностей и возникновением между ними локальных автгокаталитических связей (это явление теоретически и экспериментально исследовано в работе [73]). Резуль­ татом может быть срыв эпитаксиального роста вблизи неровностей вплоть до образования поликристалла.

Эти и другие нестабильности, проявляющиеся при ••аномальных режимах, требуют очень высокого качества исходной поверхности подложки и жесткого регулирова­ ния процесса. Однако они не являются принципиально неустранимыми. Аномальные режимы уже постепенно начинают применяться в газофазной микрометаллургии. П о существу к ним относятся V L S -метод (аномально •■ высокие концентрации примесей) и широко распростра­ ненный сэндвич-метод (аномально малые расстояния между источником и подложкой). Одно из основных пре­ имуществ сэндвич-метода — квазиизолнрованность пары

альные структуры (см., например [144]). Управление імаеоообменом путем «сжатия» маосолотока в нормаль­ ном (путем экранирования) или тангенциальном (путем кристаллизации в капиллярных ячейках) направлениях позволяет получать гладкие совершенные слои и иссле­ довать роль массообмена в формировании микрорельефа [45]. В качестве примера полезного эффекта аномально

137

нии происходит уже при 600—700°С без специальной об­ работки іподложки .в газовой фазе. Это объясняется ин­ тенсификацией сорбции газообразных компонентов, а также возможным травлением подложки в течение очень короткого начального периода процесса. Применение аномальных условий как метода физико-химического ис­ следования этой системы позволило выяснить природу нестацпонарности начальных стадий, определяющей образование так называемого «кавитационного слоя» в

кинетических зависимостей п максимальным значениям скорости роста (6000—6000 мкм/ч) они пока являются единственными в газофазной металлургии. Как видно (рис. 34), при низких градиентах температуры кинетнче-

ѵр ,м км /ч

Рис. 34. Зависимость скорости роста арсенида и фосфида галлия от концентрации иода:

54 град/ем)

ские зависимости носят обычный характер, в то время как при д Т Ід х ~ ІО3 град/см в области сравнительно высоких давлений (~ 2—3 ат) на кривых появляется второй максимум. Это связано с действием двух меха­ низмов транспортных реакций в этих системах, один

138

ііз которых проявляется в области сравнительно низких, а другой— высоких давлений. При высоких градиентах температуры «кинетическая область» режимов кристал­ лизации расширяется, и действие каждого из механиз­ мов проявляется на кривой зависимости скорости роста от давления в виде максимума. Поскольку совершенно аналогичные явления наблюдаются и для фосфида, и для арсенида галлия, то это дает основания полагать, что указанная особенность связана с переносом общего для обоих полупроводниковых соединений компонента — гал­ лия. Весьма интересно, что изменение механизма коррелнруется со структурно-морфологическими свойствами эпитаксиальных слоев и изменением направления «хо­ рошего роста»: при низких давлениях это исключитель­

[ІШ ]л и [1П ] л эквивалентны, а при более высоких дав­

условиях полезным средством воздействия на структур­ но-морфологические свойства слоев оназывается также

Рис. 35. Зависимость -плотности дислокаций от скорости роста (арсенид талия, сэндвич-метод в нодидиой си­

стеме)

139

применение сильно нестехиометрического состава газо­ вой фазы. (Подробнее о механизме роста и его связи со свойствами слоев в этих системах см. [153]).

ев фосфида галлия позволяет изготовлять на их основе светодиоды. Поэтому высокие скорости роста в указан­ ных условиях могут быть использованы для решения прикладных задач. Отработка технологических условий позволит, вероятно, значительно повысить параметры эпитаксиальных структур. Приведенные здесь примеры следует рассматривать лишь как иллюстративные. В действительности, аномальные режимы в процессах га­ зофазной металлургии пока остаются почти не исследо­ ванной областью, практическое значение которой может оказаться в дальнейшем очень большим.

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ

Воздействие внешних полей и источников излучений может преследовать различные цели: общую интенсифи­ кацию процесса, управление легированием, повышение степени совершенства структуры и снижение темпера­ туры кристаллизации. Во всех этих случаях использует­ ся однородное поле или излучение. С другой стороны, кажется весьма привлекательным осуществить локаль­ ную активацию излучением и соответственно селектив­ ный эпитаксиальный рост.

Экспериментальные исследования в данном направ­ лении находятся пока на начальном этапе, а теоретичес­ кие представления о механизме роста не позволяют сделать определенные количественные выводы о харак­ тере ожидаемых эффектов. Однако с точки зрения уп­ равляемого воздействия на ход процесса внешние элек­ трические поля и источники излучения являются особен­ но удобными средствами и интерес к этой области в по­ следнее время заметно возрастает. Поэтому, хотя здесь еще не достигнуты ощутимые практические результаты, целесообразно кратко остановиться на этом вопросе.

140

Воздействие внешних источников излучения

Под воздействием облучения молекулы могут пере­ ходить в возбужденное состояние или распадаться (фо­ толиз). При обычных давлениях время между столкно­

ключение составляют атомы некоторых инертных газов и немногие другие). Поэтому релаксация возбужденных молекул к основному состоянию происходит намного раньше активного столкновения. Таким образом, основ­ ными процессами при лучистом воздействии в ГМ П яв­ ляются фотолиз молекул газовой фазы и активация гете­ рогенных процессов.

Рассмотрим в качестве примера систему S iC l4—Н 2- Принципиально при воздействии кванта энергии йѵ здесь возможны следующие фотохимические реакции:

Поскольку энергия связи, исходных молекул различ­ на, следует ожидать, что диапазоны длин волн излуче­ ния, к которым они наиболее чувствительны, также раз­ личны. В частности, для первой реакции этот диапазон лежит в ультрафиолетовой области, а для последней, возможно— и в инфракрасной. Как показывают грубые оценки, для того, чтобы при типичных скоростях роста поглощенная энергия была сравнима с характеристичес­ кими значениями АН реакции, при наиболее благопри­ ятных условиях поглощения энергии пограничным слоем

О

газовой фазы толщиной ~ ІО3 А или хемосорбционным слоем .необходима мощность излучения > 1 —/10 Вт/см2.

Свободные атомы кремния, выделяющиеся по третьей реакции, затем вновь могут реагировать с молекулами

S iC l4:

141