Работу по преодолению электроном поверхностных сил, стремящихся удержать его в металле, называют работой выхода. При комнатной температуре количество электронов в металле, энергия которых превышает работу выхода, ничтожно мало. Однако их количество резко возрастает при росте температуры за счет увеличения интенсивности теплового хаотического движения.

Испускание электронов металлами, нагретыми до высокой температуры, называют термоэлектронной эмиссией (Рисунок 5.3.1, а), а выполненные из металла элементы, используемые для получения свободных электронов, ЎЄ термоэлектронными като­дами, или просто катодами. Материалом катодов обычно служит вольфрамовая проволока. Для накала катода, помещенного в вакуумную камеру, через него пропускают электрический ток.

Рисунок 5.3.1. Эффект термоэмиссии (а), ускорение электронов (б) и форми­рование электронного луча (в):

1 - эмиттированные электроны, 2 - термокатод, 3 - стенка вакуумной камеры, 4 - изоляторы, 5 ЎЄ источник питания термокатода, 7 - ускорен­ный электрон, 6,8 ЎЄ аноды, Р - электронный луч
Спиральный термокатод 2 закрепляют на стенках 3 ваку­умной камеры через изоляторы 4. При подаче тока накала от источника 5 происходит нагрев термокатода с испусканием электронов 1. Эти электроны обладают разной энергией и на­правление их движения от катода хаотично. Дня ускорения (повышения энергии) и направленного движения электронов необходимо создать ускоряющее электрическое поле.

Рассматривая движение электронов в электрическом поле, предполагают, что они находятся в достаточно разреженном пространстве. При этом взаимодействием между молекулами оставшегося в объеме газа и движущимися электронами можно пренебречь.

При этом кинетическая энергия (эВ) электрона

где те - масса электрона.

В устройстве для ускорения электронов (Рисунок 5.3.1, б) в не­скольких сантиметрах от катода размещают анод 6, создающий электрическое поле Е, направление которого показано стрел­кой. Между анодом 6 и катодом 2 образуется разность потен­циалов от 5 до 10 кВ. Электроны, эмиттируемые катодом 2, притягиваются анодом 6 и образуют направленный поток уско­ренных электронов 7.

Для формирования электронного луча 9 (Рисунок 5.3.1, в) ис­пользуют анод 8 с отверстием, через которое проходит значи­тельная часть электронного потока.

Рассмотрим движение электрона в магнитном поле и силу, действующую на электрон, влетающий в магнитное поле между полюсами постоянного магнита перпендикулярно силовым ли­ниям этого поля (Рисунок 5.3.2).

Движущийся электрон можно представить как электричес­кий ток, проходящий через проводник. Тогда по известному из электротехники правилу левой руки можно определить направление силы, действующей на электрон. Если расположить левую руку так, чтобы силовые линии магнитного поля упи­рались в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены в сто­рону, противоположную направлению скорости V электрона то отогнутый большой палец покажет направление силы, дей­ствующей на летящий электрон. Эта сила будет пропорциональ­на напряженности магнитного поля и скорости электрона.

Рисунок 5.3.2. Движение электронов в магнитном поле

Рисунок 5.3.3. Электронно-лучевой ис­паритель:

1 - полюсный наконечник, 2 -электромагнит, 3 - водоохлаждаемый тигель, 4 ЎЄ испаряе­мый материал, 5 ЎЄ поток нано­симого материала, 6 ЎЄ термо­катод, 7 ЎЄ фокусирующая сис­тема, 8 - электронный луч, 9 - тонкая пленка, 10 - подлож­ка

Фокусировка электронного луча позволяет получать большую концентрацию мощности на сравнительно малой поверхности (5 х 10 Вт/см2), а следовательно, испарять любые, даже самые тугоплав­кие материалы с достаточно большой скоростью.

Электронно-лучевой испаритель (Рисунок 5.3.3) состоит из трех основных частей: электронной пушки, отклоняющей системы и водоохлаждаемого тигля.

Электронная пушка предназначена для форми­рования потока электронов и состоит из вольфрамового тер­мокатода 6 и фокусирующей системы 7. Электроны, эмитируемые катодом, проходят фокусирующую систему, ускоря­ются за счет разности потенциалов между катодом и анодом (до 10 кВ) и формируются в электронный луч 8. Отклоняющая система предназначена для создания магнитного поля, перпендикулярного направлению скорости движения электронов, выходящих из фокусирующей системы пушки, и состоит из полюсных наконечников 1 и электромагнита 2. Между полюсными наконечниками рас­положены водоохлаждаемый тигель 3 и электронная пушка. Отклоняя электронный луч магнитным полем, его направ­ляют в центральную часть водоохлаждаемого тигля 3. В месте падения луча создается локальная зона испарения вещества из жидкой фазы. Нагретый электронной бомбардировкой ма­териал 4 испаряется, и поток паров 5 осаждается в виде тон­кой пленки 9 на подложке 10. Изменяя ток в катушке электро­магнита 2, можно сканировать лучом вдоль тигля, что предо­твращает образование "кратера" в испаряемом материале.

Медные водоохлаждаемые тигли емкостью 50 см3 и более обеспечивают длительную непрерывную работу без добавки испаряемого материала, который, кроме того, не контактирует в расплавленном виде с медными стенками тигля ("автотигельное испарение"), а значит, и исключается их вза­имодействие.

Электронно-лучевые испарители могут быть одно-и много­тигельной конструкции, с разворотом луча на 5.3.30 и 180°. При угле отклонения электронного луча до 270° исключается по­падание испаряемого материала на катод и загрязнение наноси­мых пленок материалом катода, который во время работы также испаряется.

Недостатки этих испарителей ЎЄ сложность аппаратуры питания и управления, трудность испарения металлов высокой теплопроводности (медь, алюминий, серебро, золото) из водо­охлаждаемого тигля, необходимость частой замены и юстировки катода, а также питание высоким напряжением, что требует соблюдения соответствующих правил техники безопасности.

5.4. КАТОДНОЕ РАСПЫЛЕНИЕ

  К. р., с одной стороны, нежелательное явление, уменьшающее срок службы электровакуумных приборов; с др. стороны, К. р. имеет практическое применение для очистки поверхностей, выявления структуры вещества (ионное травление), нанесения тонких плёнок, для получения направленных молекулярных пучков и т.д. Бомбардирующие ионы, проникая в глубь мишени, вызывают смещение её атомов. Эти смещенные атомы, в свою очередь, могут вызывать новые смещения и т.д. Часть атомов при этом достигает поверхности вещества и выходит за её пределы. При определённых условиях частицы могут покидать поверхность мишени в виде ионов (см. Ионная эмиссия). В монокристаллах наиболее благоприятные условия для выхода частиц складываются в направлениях, где плотность упаковки атомов наибольшая. В этих направлениях образуются цепочки соударений (фокусоны), с помощью которых энергия и импульс смещенных частиц передаются с наименьшими потерями. Существенную роль при К. р. играет процесс каналирования ионов, определяющий глубину их проникновения в мишень (см. Каналирование заряженных частиц).

  К. р. наблюдается при энергии ионов E выше некоторой величины E0, называемым порогом К. р. Значения E0 для различных элементов колеблются от единиц до нескольких десятков эв. Количественно К. р. характеризуется коэффициентом распыления S, равным числу атомов, выбитых одним ионом. Вблизи порога S очень мало (10ЁC5 атомов/ион), а при оптимальных условиях S достигает нескольких десятков. Величина S не зависит от давления газа при малых давлениях р < 13,3 н/м2 (0,1 мм рт. ст.), но при р > 13,3 н/м2 (0,1 мм рт. см.) происходит уменьшение S за счёт увеличения числа частиц, осаждающихся обратно на поверхность. На величину S влияют как свойства бомбардирующих ионов ЎЄ их энергия Ei (Рисунок 5.4.1 а), масса Mi (Рисунок 5.4.1 б), угол падения ее на мишень (Рисунок 5.4.1 в), так и свойства распыляемого вещества ЎЄ чистота поверхности, температура, кристаллическая структура, масса атомов мишени.

  Угловое распределение частиц, вылетающих с распыляемой поверхности, анизотропно. Оно зависит от энергии ионов, а для монокристаллов также от типа кристаллической решётки и строения распыляемой грани. Осадок из распыляемого вещества, образующийся на экране, имеет вид отдельных пятен, причём симметрия картины осадка та же, что и симметрии распыляемой грани и образовавшихся на ней в результате К. р. фигур травления (Рисунок 5.4.1 г). Энергии распылённых частиц колеблются от нескольких долей эв до величин порядка энергии первичных ионов. Средние энергии распыляемых частиц составляют обычно десятки эв и зависят от свойств материала мишени и характеристик ионного пучка

а) б) в)

г)

Рисунок 5.4.1 а-г

5.5 Высокочастотное распыление. Реактивное распыление

Для высокочастотного и реактивного ионного распыления используют как обычные диодные, так и магнетронные системы.

Высокочастотное распыление начали приме­нять, когда потребовалось наносить диэлектрические пленки. В предыдущей главе предполагалось, что распыляемое вещест­во - металл. При этом ударяющийся о мишень ион рабочего газа нейтрализуется на ней и возвращается в вакуумный объем рабочей камеры.

Если же распыляемый материал ЎЄ диэлектрик, то поло­жительные ионы не нейтрализуются и за короткий промежуток времени после подачи отрицательного потенциала покрывают слоем мишень, создавая на ее поверхности положительный заряд. Поле этого заряда компенсирует первоначальное поле мишени, находящейся под отрицательным потенциалом, и дальнейшее распыление становится невозможным, так как ионы из разряди но притягиваются к мишени.

Для того чтобы обеспечить распыление диэлектрической мишени, приходится нейтрализовать положительный заряд на ее поверхности подачей высокочастотного (ВЧ) перемен­ного потенциала. При этом в системе распыления, которая представляет собой диодную систему (Рисунок 5.5.1, а, б) с катодом 2, окруженным экраном 1 (анодом может служить вакуумная камера), происходя!' следующие процессы.

Так как в плазме положительного столба 4 содержатся равные количества иолов и электронов, при переменной по­ляризации мишени по время отрицательного полупериода (Рисунок 5.5.1, а) она притягивает ионы 3. Ускоренные ионы бом­бардируют и распыляют диэлектрическую мишень, одновре­менно передавая ей свой заряд. При этом мишень накаплива­ет положительный заряд и интенсивность распыления начинает снижаться. Во время положительного полупериода (Рисунок 5.5.1, б) мишень притягивает электроны 5, которые нейтрализуют заряд ионов, превращая их в молекулы 6. В следующие отри­цательный и положительный полупериоды процессы повто­ряются и т.д.

В промышленных установках ВЧ распыление ведется на единственной разрешенной частоте 13,56 МГц, которая нахо­дится в диапазоне радиосвязи. Поэтому иногда ВЧ распыление называют радиочастотным.

Реактивное распыление применяют для на­несения пленок химических соединений (оксидов, нитри­дов) . Требуемое химическое соединение получают, подби­рая материал распыляемой мишени и рабочий газ.

При этом методе в рабо­чую камеру в процессе рас­пыления вводят дозирован­ное количество так называе­мых реактивных (химически активных) газов. Причем для нанесения пленок оксидов и нитридов в рабочий газ ЎЄ аргон - добавляют соответ­ственно кислород и азот. Ос­новными условиями при по­лучении требуемых соедине­ний является тщательная очистка реагентов и отсутствие натекания, а также газовыде­ления в камере.

Рисунок 5.5.1. Схемы высокочастотного распыления при отрицательном (а) и положительном (б) полу­периодах напряжения:

7 - экран, 2 - катод, 3 - ионы, 4 ЎЄ плазма, 5 - электроны, б ЎЄ молекулы

Недостаток реактивного распыления ЎЄ возможность осаждения соединений на катоде, что существенно умень­шает скорость роста пленки.

При реактивном распылении реакции могут протекать как на мишени, так и в растущей пленке, что зависит от соот­ношений реактивного газа и аргона. В отсутствие аргона реак­ции происходят на мишени. При этом разряд протекает вяло, так как большинство атомов реактивного газа расходуется на образование на поверхности мишени соединений, которые препятствуют распылению. Чтобы реактивные процессы про­ходили на подложке, количество реактивного газа не должно превышать 10 %; остальное составляет аргон.

При реактивном распылении кремния напускаемый в рабочую камеру кислород взаимодействует с конденсирующи­ми на поверхности подложки атомами кремния, в результате чего образуется пленка SiO2.

При нанесении реактивным распылением диэлектричес­ких пленок нитрида кремния Si3N4 происходит аналогичный процесс. В рабочую камеру напускают тщательно осушенный и очищенный от кислорода аргон с добавкой азота. Ионы этих газов, бомбардируя кремниевый катод, выбивают из него атомы кремния и на подложке вследствие большой хими­ческой активности ионизированных атомов азота образуется пленка нитрида кремния Si3N4, отличающаяся высокой хи­мической стойкостью.

Так как условия реакции при нанесении диэлектрических пленок существенно зависят от постоянства в рабочем газе процентного содержания напускаемого реактивного газа, необходимо строго следить за его подачей. Напуск газов в ра­бочую камеру обычно производят двумя способами:

вводят оба газа (аргон и реактивный) из магистралей или баллонов, контролируя расход реактивного газа микро­расходомером и поддерживая постоянное давление;

вводят заранее подготовленную определенного состава рабочую смесь газов из резервуара.

5.6 ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

Эпитаксия ЎЄ это процесс наращивания слоев полупроводникового материала с упорядоченной кристаллической структурой на ориентиро­ванной пластине.

Выращиваемые слои могут повторять структуру пластины, например при выращивании кремния на кремнии, германия на германии. Они могут отличаться по структуре, например при выращивании кремния на сапфире, кремния на шпинели, крем­ния на оксиде бериллия.

Термин " эпитаксия " образован из двух греческих слов "эпи" - на, "таксис" ЎЄ располагать в порядке. Впервые выра­щивание кристаллов из паровой фазы было предложено в 1957 г. Практическое использование этого метода началось с 1960 г.

Эпитаксию можно подразделить на три вида: авто-, гетеро- и хемоэпитаксию.

Ав тоэпитаксия- процесс ориентированного нара­щивания вещества, не отличающегося или незначительно отли­чающегося по химическому составу от вещества пластины. Она обеспечивает возможность формирования гомогенных (однородных) p-n-переходов и иногда называется гомоэгштаксией.

Гетероэпитаксия ЎЄ процесс ориентированного наращивания вещества, отличающегося по химическому составу от вещества пластины. На границе "эпитаксиальный слой ЎЄ пластина" образуется гетерогенный (неоднородный) p-n-переход. Гетероэпитаксия осуществима для элементов, не склонных к химическому взаимодействию.

Хемоэпитаксия - процесс ориентированного нара­щивания, при котором образование слоя происходит за счет химического взаимодействия вещества пластины с наносимым веществом. Полученный слой по химическому составу отлича­ется как от вещества пластины, так и от наносимой фазы, но закономерно продолжает кристаллическую структуру пластины. При образовании таких слоев может быть сформирован гетеро­переход или невыпрямляющий контакт.

Маркируют кремниевые эпитаксиальные структуры буквами: К - кремний; Д - дырочный; Э - электронный тип электропроводности; Б, Ф, С, М - легирующие элементы, соответственно бор, фосфор, сурьма, мышьяк.

Однослойные эпитаксиальные структуры, изготовленные на крем­ниевых пластинах n-типа с эпитаксиальным слоем р- типа, маркируют дробью с цифровым коэффициентом. Например:

(5.6.1)

Маркировка многослойных эпитаксиальных структур, изготов­ленных в процессе автоэпитаксиального наращивания слоев разных типов электропроводности аналогична маркировке однослойных струк­тур, но содержит несколько уровней.

Эпитаксиальные структуры со скрытым слоем (ЭСС) (Рисунок 5.6.1),

Рисунок 5.6.1. Схема эпитаксиальной структуры со скрытым слоем:

1 - эпитаксиальная струк­тура; 2 - скрытый слой; 3 ЁC пластина
изготовленные, как правило, на кремниевых пластинах р-типа с локальными участками п -типа, которые формируют на них диф­фузией или ионным легированием мышьяком или сурьмой, марки­руют так:

(5.6.2)

Параметры эпитаксиальных и тонких эпитаксиальных структур со скрытым слоем Таблица 5.6.1

Тип структур При- Легиру- Толщина, Удельное сопро

месь и ющая мкм тивление, Ом • см

примесь

Толстые So P 10-20 3-8 (слабо

Средней толщины Sb P 6 - 15 0,5 - 5 (умеренно

легированные)

Уменьшенной

толщины As P 6-13 0,1-2

Тонкие As, Sb P, As 2,5 - 6 0,1 -1,5

Сверхтонкие Sb P 0,5-2,5 0,1-1,0

Специальные "Изо-

планар" Sb В, Р 1,0 - 2,5 0,1 - 1,0
5.7 Хлоридные и силановый методы получения эпитаксиальных слоев

Гидридную эпитаксию проводят чаще всего при температу­ре 1000° С реакцией пиролиза силана, которая идет почти с такой же скоростью, как и реакция восстановления SiCl4 при температуре 1200° С:

SiH4 => Siµ § + 2Н2µ §

cкорость растущей пленки зависит от давления в реакторе. В интервале температур 1100 - 1225° С скорость роста пленки практически не зависит от температуры.

При температурах выше 1225° С начинается газофазное раз­ложение силана, что приводит к уменьшению скорости осаж­дения Si. Скорость осаждения пленки зависит также от концент­рации силана в газовом потоке. При концентрациях силана больших, чем 0,2 маc. %, и температурах выше 1100° С скорость осаждения уменьшается из-за газофазного разложения SiH4. Газофазное разложение силана помимо уменьшения количества Si, осаждающегося на пластину, приводит к попаданию твердых частиц продуктов газофазного пиролиза SiH4 в растущий слой.

Силановый процесс, который проводится при относительно низкой температуре, позволяет легко регулировать концент­рацию SiH4 в газовом потоке, выбирать диапазон скоростей, слабо зависящий от температуры, что облегчает поддержание рабочей температуры с точностью ± 10° С.

К недостаткам гидридной эпитаксии следует отнести пирофорность силана (возможность самовозгорания на воздухе и взрыва). Это приводит к необходимости разбавлять силан ар­гоном или водородом до безопасных концентраций в баллоне (2,5 ЎЄ 4 %). Кроме того, если произошло газофазное разложение SiH4, то реактор, не имеющий водяного охлаждения, "зарастает" и выращенные пленки имеют большую плотность дефектов. При гидридном процессе требуется тщательно герметизировать все элементы газовых магистралей и узлы реакционной камеры, так как при взаимодействии SiH4 с воздухом образуется соеди­нение, которое может забить магистрали. По сравнению с хло­ридом силан ЎЄ дорогостоящий продукт.

Пиролиз дихлорсилана. Гидридную эпитаксию можно осуществить реакцией пиролиза дихлорсилана SiH2Cl2. Реакция начинается при температуре 600° С. Оптималь­ные температуры для получения пленок 1080 - 1100° С. Ухуд­шение качества слоев происходит при температуре ниже 1050° С.

Химические реакции с участием SiH2Cl2 занимают проме­жуточное положение между реакциями с участием SiCl4 и SiH4. Осаждение Si из SiH2Cl2 может происходить в среде аргона или азота по реакции

SiH2Cl2 => Siµ § +2HClµ §

причем водород не оказывает восстанавливающего действия. Кроме основной реакции возможны побочные:

SiHCl3 + Ar => Si + ЗНСl

SiCl2 + Ar => Si + 2HCl

SiCl4 + Ar => Si + 4HCl

Разложение SiH2Cl2 при избытках Н2 уменьшает вероят­ность протекания побочных реакций.

Как и при предыдущем процессе, на скорость роста эпитаксиальной пленки сильно влияет концентрация SiH2Cl2 в Н2 и температура процесса. В диапазоне 1100 ЎЄ 1200° С, однако, это влияние незначительно. Энергия активации процесса при пиролизе дихлорсилана невелика, что свидетельствует о том, что скорость осаждения определяется только массопереносом реагентов в газовой фазе.

При пиролизе SiH2Cl2, протекающем при относительно низких рабочих температурах (1080 ЎЄ 1100° С), практически отсутствует газофазное разложение, возможен подбор условий осаждения, не зависящих от температуры. К недостаткам отно­сятся повышенное требование к герметичности газовых магист­ралей и реакционной камере и в несколько раз большая стои­мость SiH2 Cl2 по сравнению с SiCl4.

Основные технологические параметры процессов эпитаксиального осаждения пленок приведены в таблице 5.7.1. Выбор того или иного кремнийсодержащего соединения для эпитаксии Si зависит от возможностей оборудования и температурные ограничений конкретного технологического маршрута.

Хлоридный метод заключается в восстановлении водородом кремния из S1CI4 • Реакция восстановления является гетерогенной

SiCl4 + 2Н2 => Siµ § + 4HClµ §

При относительно низких температурах скорость осаждения пленок описывается уравнением

Vp=Aexp[-µ §E/(RT)]

Где µ §E ЁC энергия активации процесса; A и R - постоянные, Т ЁC температура процесса.

зом. Пластины после предварительной аммиачно-перекисной отмывки устанавливают на подложкодержатель. Проверяют герметичность установки по скорости уменьшения избыточного давления газа азота. Герметичность установки и реактора счи­таются достаточными, если избыточное давление 0,2 • 105 Па за 30 мин не уменьшается. После этого реакционную камеру продувают азотом в течение 5 мин (с расходом газа 1,5 м3 /ч). Далее реактор продувают рабочим газом-носителем водородом в течение 5 мин и нагревают подложкодержатель с пластинами до рабочей температуры (1200 - 1250° С).

Рабочую температуру контролируют оптическим пиромет­ром через специальное смотровое окно в реакторе. После от­жига пластин при рабочей температуре в течение 5-7 мин про­изводится их газовое травление. Для этого к основному газу-носителю добавляют газообразный хлористый водород (расход хлористого водорода определяют по ротаметру или более точно с использованием регулятора расхода газа). Газовое трав­ление проводится 1-2 мин со скоростью травления 0,1 -0,2 мкм/мин. После травления газовую магистраль с хлорис­тым водородом закрывают. Во время газового травления испа­ритель с SiCl4 продувают водородом на байпасную линию для установления требуемого рабочего расхода. Водород, проходя через испаритель, насыщается его парами. Смесь SiCl4 + H2 после окончания газового травления добавляется к основному потоку водорода путем открывания соответствующих газовых кранов. После окончания выращивания эпитаксиальной струк­туры линию подачи водорода в испаритель закрывают.

Увеличение концентрации SiCl4 выше некоторого крити­ческого значения приводит к образованию газообразного НС1, который травит поверхность пластины и осаждаемого слоя.

Увеличение скорости роста с увеличением температуры связано с более интенсивным протеканием реакции восстанов­ления. Повышение скорости газового потока при фиксирован­ной температуре также приводит к увеличению скорости роста, что связано с интенсификацией доставки и отвода продуктов реакции.

Удельное сопротивление эпитаксиальной структуры зависит от типа и количества примесей, введенных в газовую смесь в процессе осаждения. В качестве источников легирующей приме­си п- и р-типов используют фосфин (РН3) и диборан (В2Н6) соответственно. Зависимость концентрации примеси в растущей пленке от концентрации примеси в газовой фазе очень сложная.

Хлоридным методом получают эпитаксиальные структуры с низкой дефектностью, т.е. малой плотностью дефектов упаковки и дислокации [порядка (2ЎK5) 102 см-2], что вязано с гетерогенным характером протекания реакции. Усло­вия реакции можно подобрать таким образом, чтобы не проис­ходило взаимодействия между реагентами и стенками реактора, что обеспечивает чистоту процесса. Кроме того, SiCl4 легко поддается очистке, нетоксичен и недорог, что позволяет предъявлять пониженные требования к герметичности газовых магистралей.