Гетероэпитаксия – это процесс нарастания кристаллической плёнки из одного вещества на подложке другого. Эффекты, возникающие при гетероэпитаксии, до сих пор до конца не изучены. Эта область в последнее время привлекает внимание исследователей, так-так при решении проблем, возникающих при гетероэпитаксии, станет возможным использовать хорошо себя зарекомендовавшие и удобные кремневые технологии с технологиями изготовления кристаллов из других материалов. Например, если удастся выращивать кристаллические плёнки GaAs эпитаксиальными методами, то это существенно снизит их стоимость и позволит массово использовать GaAs при изготовлении полупроводниковых приборов.

Важное свойство пористых поверхностей – это возможность их использования в качестве податливой подложки при гетероэпитаксиальном росте. Как известно, несоответствие параметров решетки Si и Ge достигает значения 4,2 %, поэтому при росте пленок возникают механические напряжения несоответствия, и с толщиной пленки возрастает запасенная в ней энергия. По достижению некоторой толщины, называемой критической, начинается релаксация упругих напряжений в системе пленка-подложка с появлением на ее границе раздела дислокаций несоответствия (ДН). Эти дислокации не только ухудшают кристаллическую структуру пленки, но и приводят к деградации электрофизических характеристик приборов. Во избежание такого эффекта используют структуру, где податливая подложка из пористого кремния подстраивается под постоянную решётки растущего кристалла и снимает напряжения внутри него. Пример такой структуры показан на рисунке 1.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) – это процесс выращивания плёнок на монокристаллической подложке в сверхвысоком вакууме.

При попадании атома на поверхность подложки он совершает миграции по поверхности и, в конечном счете, встраивается в узел кристалла. Вероятность, с которой атом может путешествовать или встраиваться, определяется тепловой энергией атома, которую он приобретает при посадке на поверхность (зависит от температуры подложки T) и энергией связей с соседями (E). Как только два атома, мигрирующие по поверхности встретятся, то они образуют латеральную связь, а другие, упавшие на поверхность, атомы легко пристраиваются к этой паре, так как в этом месте связей с ближайшими соседями больше, чем на гладкой поверхности. Благодаря этому эффекту, при эпитаксии рост нового слоя начинается с зарождения островков. Последующие атомы встраиваются в края островков, что приводит к росту островков. В дальнейшем островки соединяются друг с другом. Таким образом происходит полное зарастание начального слоя. В то время, когда последние вакансионные островки в формируемом слое зарастают, уже начинают образовываться новые островки на старых, совокупность которых составляет почти сформировавшийся слой кристалла. Таким образом, происходит послойный рост кристалла со структурой, повторяющей кристаллическую структуру подложки.

1. Люминесцентный экран
2. Криопанель
3. Нагреватель
4. Манипулятор
5. Рейка для транспортировки подложек
6. Шибер
7. Камера МЗВ
8. Манипулятор с кассетами
9. Система регистрации ДБЭ – “Фотон-микро”
10. Кварцевый измеритель тольщины

Вакуумная система нужна для создания необходимого рабочего давления в модулях и сосоит из насосов форвакумного, адсорбционного, сублимационного и магниторазрядного, обеспечивая пределное остаточное давление 1*10^-8 Па.

Блок испарителей является одним из основных узлов технологических модулей и предназначен для получения молекулярных пучков. Блок включает в себя два электронно лучевых испарителя (ЭЛИ) Ge и Si, две молекулярных ячейки Sb и B₂O₃ и криопанель. ЭЛИ позволяет получать молекулярные потоки веществ, имеющих высокую температуру испарения или требующих испарения из автотигелей из-за большой химической активности. Ячейки Кнудсена создают молекулярный поток за счёт нагрева тигля с испаряемым веществом. Конструкция ячеек позволяет получать температуры на тигле испарителя в диапазоне 0-1300 С, с точностью поддержания температуры +/-0.5 С.

1ый образец: В камере образец постепенно нагревался до 780 С. При этом, с него сублимировала оксидная защитная плёнка (SiO₂). После термической очистки были открыты заслонки нагретой ячейки с Si, и начался процесс эпитаксии. Скорость роста постепенно увеличивалась с 1.5 до 3 А/мин. (0.5 – 1 атомный слой в минуту). Наблюдение за образцом велось с помощью дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭО).

Рис. 3 Фотография ДБЭО образца. Прямые “тяжи” свидетельствуют о наличии сверхструктуры в образце. Имеет место трансляционная симметрия, следовательно, образец представляет собой правильную кристаллическую структуру. Это стандартный вид ДБЭО картинки для кристалла типа алмаза на поверхности (100).

На 18 минуте эксперимента на картинке ДБЭО появились “боковые тяжи” (Рис 4). Это свидетельствует о развитии морфологии поверхности. Появляются новые плоскости. То есть на поверхности есть наклоны, горки и т.п. Последующий анализ углов между “тяжами” позволил оценить ориентацию других плоскостей.

Рис. 5 Вид поверхности АФМ микроскопом. Чётко видна неоднородность поверхности. Наблюдаются “островки” и “канавки”. Средняя высота “островков” примерно 700 А. При том, что толщина выращенной плёнки составляла 190 А. Это говорит, о том, что пористая подложка изменила свою структуру в процессе эксперимента. Мы имеем дело не с выращенными “островками”, а с трещинами пористой структуры.

Обращает на себя внимание факт, что при напылении плёнки толщиной 190 А наблюдаются “островки” высотой ~ 700 A. При том, что структура имела пористость 32% на глубине до 1000 А, можно сделать вывод об изменении структуры этого слоя. Во время термической обработки подложки на стадии подготовки к эпитаксиальному росту из-за высокой температуры произошло спекание пористой структуры в “островки”, состоящие из чистого Si. Таким образом, к моменту начала эпитаксиального роста подложка уже не представляла пористую поверхность. Рост плёнки шёл на подложку, имеющую высокие островки. Это объясняет факт продолжительного наблюдения боковых “тяжей” на ДБЭО картинах. Значит, для выращивания качественного буферного слоя, необходимо сначала решить проблему, связанную со спеканием подложки. Следующие рисунки более подробно иллюстрируют морфологию поверхности.

Рис. 6 и Рис. 7 показывают поверхность образца в меньшем масштабе. Отчётливо видны контуры островков.

Чтобы избежать нежелательных процессов спекания пор можно попытаться, при изготовлении подложки, не наносить защитную плёнку из SiO₂. Эта плёнка наносится на поверхность сразу после анодного травления, чтобы деактивировать оборванные связи у атомов Si в кристалле. Если этого не делать, то при экспозиции подложки на воздухе внутрь кристалла могут попасть различные чужеродные атомы ,ухудшающие свойства кристалла. Кроме того, если поверхность вступит в реакции с соединениями углерода, то образованные связи будет невозможно разорвать впоследствии. Плёнка из SiO₂ уходит с поверхности кремния при температуре ~ 780 C. Вместо неё можно попробовать деактивировать оборванные связи кремния атомами водорода. Водород уходит с поверхности при более низкой температуре (~ 400 C), поэтому его возможно удалить быстрее, чем SiO₂. Ещё, можно попробовать наносить более тонкие пленки из SiO₂ на стадии подготовки подложки, но тогда существует риск ненадёжной защиты кристалла от атмосферной среды.

1. Обнаружено явление спекания пористой поверхности, происходящее во время отжига подложки и на начальных стадиях эпитаксии. Пористая структура спекается в “островки”, состоящие из чистого Si. Между “островками” образуются канавки. Высота островков примерно соответствует глубине слоя пористостью 32% на подложке, т. е. спекается верхний пористый слой. Таким образом, не удаётся получить гладкий буферный слой, используя высокотемпературный метод очистки поверхности.
2. Для улучшения морфологии поверхности, требуется снижать температуры очистки и проведения эпитаксии. Решением проблемы спекания пор может быть изменение технологии создания защитной плёнки из SiO₂, использование плёнки из других веществ.

[1] Estrup P.J., McRae E.G. Surface studies by electron diffraction, Surface Science, 1971, V.25, N1, pp.1-52.

[2] Hernandez-Calderon I., Hochst , Physical Review B, 1983, V.27, N.8 ,pp.4961-4965.