Молекулярно-пучковая эпитаксия из сублимационного источника слоев кремния и гетероструктур SiGe/Si на сапфире

• Автор: Денисов, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 154 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 Проблемы гетероэпитаксиального роста субмикронных слоев кремния и кремний-германия на сапфире
1.1 Данные о кристаллографии Бі, Ое, сапфира и их ориентационные соотношения
1.2 Молекулярно-пучковая эпитаксия кремния из сублимационного источника
1.3 Гетероэпитаксиальный рост слоев кремния на сапфире
1.3.1 Подготовка подложек сапфира для эпитаксиального роста слоев кремния
1.3.2 Условия роста монокристаллических слоев кремния на сапфире
1.3.3 Начальная стадия роста слоев кремния на сапфире
1.4 Дефекты кристаллической структуры слоев кремния на сапфире
1.5 Методы улучшения структурного совершенства КНС-структур
1.5.1 Двухтемпературный режим роста
1.5.2 Рост слоев кремния из ионно-молекулярных потоков
1.5.3 Другие методы улучшения структуры слоев кремния на сапфире
1.6 Гетероэпитаксиальные слои ЗЮе на сапфире
1.7 Постановка цели и задач исследования
ГЛАВА 2 Сверхвысоковакуумные технологические установки, методики выращивания эпитаксиальных слоев кремния на сапфире и исследования их структуры и морфологии поверхности
2.1. Сверхвысоковакуумные установки для выращивания эпитаксиальных гетероструктур
2.1.1 Устройство сверхвысоковакуумных технологических установок
2.1.2 Устройства для нагрева подложек
2.1.3 Сублимационные источники паров кремния
2.2. Общие вопросы методики роста КНС-структур
2.2.1 Основные этапы технологического цикла
2.2.2 Характеристики процесса роста эпитаксиальных слоев кремния
2.3. Методы исследования
2.4 Выводы
ГЛАВА 3 Теоретическое и экспериментальное исследование распределения толщины слоя по площади подложки диаметром до 100 мм при испарении из неподвижных и
движущихся сублимационных источников
3.1 Теоретические оценки распределения толщины слоя по площади подложки в зависимости от закона движения источника кремния или их числа

3.1.1 Выбор метода расчета
3.1.2 Распределение толщины слоя по площади подложки в зависимости от закона движения источника
3.1.3 Распределения толщины слоя по площади подложки при испарении из нескольких источников
3.2 Экспериментальное исследование распределения толщины слоя по площади подложки
3.2.1 Испарение из неподвижных источников кремния
3.2.2 Испарение из источника, движущегося по закону синуса
3.2.3 Испарение из источника, движущегося по линейному закону
3.3 Выводы
ГЛАВА 4 Особенности эпитаксиального роста слоев кремния на сапфире в процессе сублимационной молекулярно-пучковой эпитаксии
4.1. Влияние предэпитаксиального высокотемпературного отжига подложек на их структуру и морфологию
4.1.1 in situ высокотемпературный отжиг подложек сапфира в вакууме
4.1.2 Отжиг подложек сапфира в потоке атомов кремния
4.2 Начальная стадия роста слоев кремния на сапфире
4.3 Влияние условий роста на процесс эпитаксии слоев кремния на сапфире
4.3.1 Рост при постоянной температуре подложки
4.3.2 Двухтемпературный режим роста
4.3.3 Влияние послеростового отжига на структуру слоев кремния на сапфире
4.4 Влияние приложения отрицательного потенциала к подложке на структуру и морфологию поверхности слоев кремния на сапфире
4.5 Структурное совершенство слоев кремния на подложках сапфира стандартной формы диаметром 76 и 100 мм
4.6 Фотолюминесценция легированных эрбием слоев кремния на сапфире
4.7 Выводы
ГЛАВА 5 Эпитаксиальный рост слоев SiGe на сапфире и КНС-подложках
5.1 Слои SiGe, выращенные непосредственно на сапфире
5.2 Слои SiGe, выращенные на КНС-подложках
5.3 Некоторые оптические свойства структур со слоями Sii.xGex:Er на сапфире
5.3 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Список публикаций по теме диссертации
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Листинг программного обеспечения для анализа распределения толщины слоя по площади подложки

количественный анализ результатов показал, что ионное воздействие усиливает процесс зародышеобразования и ускоряет образование сплошного слоя, т.е. способствует уменьшению переходной области на границе КНС-структуры.
Авторы работы [45] считают, что влияние энергии и импульсов осаждающихся заряженных частиц на уменьшение переходной области проявляется в более раннем образовании сплошного слоя, что подтверждается данными электронной микроскопии. В результате блокируется диффузия алюминия из сапфира в слой кремния. Наблюдаемые результаты авторы объясняют существенным влиянием ионноактивированной миграцией адатомов и ускоренной коалесценцией зародышей, что приводит к раннему сплошному зарастанию слоя.
Также сообщалось о выращивании гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире при низкой температуре (600°С) при использовании метода ионно-лучевого осаждения [87]. Подложкой служила пластина сапфира (П02). После химической очистки она загружалась в установку с базовым давлением 710'9 Topp и выращивали слои кремния толщиной менее 500 нм при Ts < 800°С и энергией ионов Si+ 100-400 эВ. Установлено, что при повышении скорости роста с 0,02 до 0,04 нм/с гетеро-эпитаксиальные слои кремния могут быть получены при увеличении энергии ионов до 300 эВ. Ориентация слоев кремния составляет Si(100), т.е. такая же, как при МПЭ, наблюдаемая в работе [6]. Однако в слоях присутствовали микродвойники.
С целью устранения микродвойников в работе [87] был предложен двухступенчатый режим роста слоев кремния. На начальной стадии роста энергия ионов была выбрана равной 300 эВ для того, чтобы снизить температуру гетероэпитаксиального роста до Ts = 600°С. Затем, на второй стадии роста, для устранения повреждений в слое, вызванных бомбардировкой высокоэнергетическими частицами, и сохранения кристаллического качества слоев энергия ионов снижалась до 100 эВ. Важным моментом в этой процедуре является выбор оптимальной толщины слоев на первой стадии роста, чтобы получить качественный слой кремния. Оптимальной толщиной слоя, осаждаемого на первой стадии роста, являлась величина 50 нм при 300 эВ, на второй - 150 нм при энергии ионов 100 эВ и скорости роста 0,04 нм/с. С использованием такого двухстадийного процесса на подложке сапфира были выращены при 600°С тонкие слои Si толщиной 200 нм, которые не содержали микродвойников. Эта температура ниже, чем в случае роста известными методами ГФЭ [88,89] и МПЭ [6].
До настоящего времени не существует строгой теории воздействия быстрых ио-