Механизмы наращивания эпитаксиальных пленок

Выделяют прямые и непрямые механизмы. Непрямое наращивание происходит, когда атомы кремния образуются за счет разложения кремниевых соединений на поверхности нагретой подложки. Прямое наращивание происходит, когда атомы кремния непосредственно попадают на поверхность подложки и осаждаются на ней, как это имеет место при молекулярно-лучевой эпитаксии (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема реактора для МЛЭ кремния (прямое наращивание кремния на подложке).

1 - экран
2 - основа с водяным охлаждением
3 - нить накала источника
4 - электронный пучок
5 - электростатический экран (-V)
6 - твердый кремний
7 - расплавленный кремний
8 - пары кремния
9 - держатель подложки
10 - кремниевая подложка
11 - нить подогрева подложки
12 - электронный пучок

При соответствующих условиях осаждения атомы кремния, двигаясь по нагретой поверхности, занимают положения, соответствующие кристаллической структуре подложки. Иными словами эпитаксиальное наращивание состоит в образовании центров кристаллизации и последовательном формировании двумерной решетки из островков, растущих вдоль поверхности. Процесс эпитаксиального наращивания на поверхности пластины (см. рис. 2) происходит в следующей последовательности:

• массопередача вступающих в реакцию молекул посредством диффузии из турбулентного потока через граничный слой к поверхности кремния;
• адсорбция молекул поверхностью;
• процесс реакции на поверхности;
• десорбция продуктов реакции;
• массопередача молекул продуктов реакции посредством диффузии через граничный слой к основному потоку газа;
• упорядочение адсорбированных атомов кремния в решетке.

Рис. 2. Формирование слоя кремния на подложке.

Результирующая скорость роста пленки определяется самым медленным процессом в приведенной выше последовательности. В равновесных условиях все процессы протекают с одинаковыми скоростями и эпитаксиальный слой растет равномерно.

Энергия активации процесса равна приблизительно 5 эВ и соответствует энергии активации самодиффузии кремния. Попытка увеличения скорости роста пленки выше оптимального значения, зависящего от температуры, приводит к росту поликристаллической пленки (уменьшается время поверхностной миграции и происходит встраивание кремния в произвольные, а не только кристаллографически благоприятные места).