С греческого слово «эпитаксия» переводится как «упорядоченность», «расположение». Процесс эпитаксии – это ориентированное наращивание в вакуумных установках кристаллов на специальных кристаллических поверхностях (подложках).

Эпитаксия

Виды эпитаксии

В зависимости от ориентировки кристаллической решетки существует несколько видов эпитаксии:

  1. Автоэпитаксия.
  2. Гомоэпитаксия.
  3. Гетероэпитаксия.

Автоэпитаксия – это наращивание того же вещества, что и подложка. Т.е. наращиваемый слой является продолжением основы с идентичной структурой.

Гомоэпитаксия характеризуется образованием эпитаксиальных слоев, повторяющих ориентировку кристаллической решетки подложки. В результате образуется такое же вещество, но с небольшим отличием в составе по количеству легирующих элементов.

Гетероэпитаксия подразумевает нарастание кристалла с совершенно другой структурой и другим составом. Такой процесс возможен в случае химической совместимости веществ, т.е. минералы не должны химически взаимодействовать между собой. Примером гетероэпиксиальных соединений может быть соединение нитрида галлия на сапфировой подложке.

Первые два вида являются естественными процессами и часто встречаются в природе. Гетероэпитаксия может создаваться только искусственным путем.

В природе также часто встречается наращивание элементов внутри кристаллической структуры другого вещества. Такой вид эпитаксии называется эндотаксия.

Методы эпитаксии

Метод эпитаксии зависит от того, в какой фазе находится напыляемое вещество и бывает:

  • газофазной;
  • молекулярно-лучевой;
  • жидкофазной;
  • твердофазной.

Большее распространение получили газофазные и молекулярно-лучевые процессы наращивания. Твердофазная и жидкофазная эпитаксия имеют ограниченное применение.

Газофазная эпитаксия

Газофазная эпитаксия позволяет наращивать эпитаксиальные слои из парогазовой смеси. Для ее проведения используется специальное оборудование с пониженным давлением. Установка для газофазного напыления представляет собой кварцевый реактор с нагревателями и газопроводом. Внутри реактора размещается подложка, которая нагревается до 4000С — 12000С. Газовая смесь взаимодействует с подложкой и оседает на ней, образуя эпитаксиальные слои. Добавляя в газовую смесь легирующие элементы возможно получение легированного слоя.

Эпитаксиальные методы газофазной эпитаксии основаны на осаждении молекул кремния или германия с помощью химических реакций. Температура нагрева зависит от состава смеси и кинетики химических процессов.

Чаще всего используются следующие химические методы эпитаксии:

  • восстановление хлоридов водородом;
  • пиролитическое разложение моносилана.

Газофазное эпитаксиальное наращивание

Схема газофазного наращивания хлоридным методом.

Перед наращиванием с поверхности подложки удаляются все загрязнения, включая мельчайшие пленки окислов. Для этого подложку обрабатывают водородом при очень высокой температуре, происходит восстановление кремния. Затем вводится хлоридный водород, который стравливает верхний слой.

После очищения начинается эпитаксиальное наращивание хлоридным методом, для этого в камеру вводится необходимый газовый состав. Происходит химическое взаимодействие веществ: необходимые элементы оседают на подложку, остальные выводятся из камеры. Это необходимо, чтобы предотвратить перенасыщение пространства камеры продуктами распада, поскольку химическая реакция восстановления процесс обратимый и возможно образование обратной реакции.

Недостаток эпитаксиального метода – необходимость в подогреве до очень высоких температур, что приводит к образованию легированного слоя.

Пиролитическое восстановление водорода происходит при более низкой температуре, поэтому позволяет получать более четкие грани между наращёнными слоями.

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии имеет очень широкое применение, так как позволяет полностью контролировать состав, толщину пленки и скорость осаждения. С помощью него возможно совершать точечные наращивания, создавать четкие границы, сверхтонкие и многослойные пленки.

Процесс представляет собой осаждение элементов, которые испаряются в молекулярном источнике, в сверхвысоком вакууме (до 10-8Па).

Каждый элемент находится в отдельном тигле, который имеет затвор. Каждый источник нагревается отдельно до температуры, необходимой для образования молекулярного луча и осаждения данного элемента на подложку.

Порядок нагрева различных элементов позволяет создавать сложные слои с точным химическим составом.

Молекулярно-лучевое эпитаксиальное наращивание

Установка для молекулярно-лучевой эпитаксии состоит из трех узлов, каждый из которых имеет свою функцию.

В первом узле проводится подготовка подложки, во втором – эпитаксия полупроводниковых соединений, в третьем – эпитаксия простых полупроводников или других элементов.

В камеру подложка подается специальными устройствами, чтобы не нарушать глубину вакуума.

В подготовительном модуле имеется ионная пушка, которая протравливает поверхность подложки. С помощью ожеспектрометра, находящегося в камере, проводится профильный анализ химического состава и образовавшейся структуры на поверхности подложки.

Вторая камера оснащена двумя термическими и двумя электронно-лучевыми испарителями. Третья камера снабжена шестью термическими испарителями. В каждой из камер имеется масс-спектрометр и дифрактометр, которые позволяют контролировать количество остаточных газов и качество создаваемого слоя.

Недостаток молекулярно-лучевого метода – низкая скорость наращивания, около 1 мкм в час. Но именно это позволяет строго контролировать параметры одного или нескольких слоев.

Жидкофазная эпитаксия

Жидкофазная эпитаксия позволяет наращивать монокристаллы кремния и создавать многослойные проводниковые соединения.

Наращивание при жидкофазной эпитаксии происходит путем кристаллизации из раствора в расплаве. Процесс проводится в атмосфере инертных газов (азота и водорода) или в вакууме. Для вакуумной кристаллизации подложку необходимо обязательно протравливать.

На подложку наносится расплав определенного состава, выдерживается при высокой температуре и постепенно охлаждается. В результате на поверхности основы образуется новый слой.

Жидкофазное эпитаксиальное наращивание

Устройства для проведения процесса жидкофазной эпитаксии бывает:

  • поворотным;
  • пенального типа;
  • цилиндрического типа.

Жидкофазный процесс очень сложно контролировать, поскольку качество слоя зависит от многих параметров: скорости охлаждения, температуры расплава, соотношения размеров подложки и количества расплава. Поэтому он практически вытеснен газофазным методом. Хотя существуют некоторые элементы, которые невозможно нарастить другими методами и создаются только из жидкой фазы.

Твердофазная эпитаксия

При твердофазной эпитаксии происходит перекристаллизация смежного с подложкой слоя. Для ускорения диффузии слоев необходима высокая температура, но ниже температуры плавления.

Эпитаксия: особенности и область применения

Качество эпитаксии зависит от трех параметров:

  • чистоты подложки;
  • скорости наращивания;
  • температуры.

Скорость наращивания эпитаксиальных слоев сильно зависит от температуры нагрева, давления и насыщенности газов. Чаще всего эпитаксиальные слои образуются со скоростью нескольких микрометров в минуту.

Высокая температура нагрева способствует свободному перемещению осаждающих атомов в структуру подложки и помогает занять им свое место. Но вместе с этим образуется толстый переходной слой, который значительно ухудшает качественные характеристики эпитаксиального наращивания. А низкая температура нагрева ведет к осаждению поликристаллического слоя, что также не всегда имеет положительный эффект.

Основные направления применения эпитаксии:

  • нанотехнологии;
  • полупроводниковое производство.

С помощью наращивания эпитаксиальных слоев создаются многослойные структуры для полупроводниковых схем, магнитной памяти и прочего.