Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ)

ехнология молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) является результатом развития классических технологий вакуумного напыления материалов. Схема метода показана на Рис. 5. На рисунке обозначено: 1 – держатель подложки с нагревателем, 2 - подложка, 3 – масс-спектрометр, 4 – эффузионные ячейки, 5 - заслонки, 6 – манипулятор, 7 – электронная пушка дифракции быстрых электронов, 8 – люминесцентный экран.

На Рис. 6 показана схема эффузионной ячейки. На рисунке 6 обозначено: 1 – тигель, 2 – нагреватель, 3 – радиационный экран, 4 – термопара.

Рис. 5. Схема установки для молекулярно-лучевой эпитаксии.

Рис. 6. Схема эффузионной ячейки.

Основными отличительными особенностями технологии МЛЭ являются:

- реализация процесса напыления в сверхвысоком вакууме;

- возможность прецизионного управления потоками напыляемых веществ;

- возможность контроля напыляемых структур методами дифракции быстрых электронов (контроль кристаллической структуры напыленного слоя), Оже-спектроскопии (контроль состава поверхности), дифракции медленных электронов (контроль кристаллической структуры верхнего монослоя).

Область между эффузионными ячейками можно условно разделить на три области: I – зона генерации молекулярных пучков, II – зона смешивания молекулярных потоков, III – зона кристаллизации, в которой, собственно, и происходит эпитаксиальный рост структуры на подложке.

Технология МЛЭ нашла широкое применение в микроэлектронике и обеспечивает:

- получение монокристаллических пленок высокой чистоты;

- выращивание сверхтонких структур с резким изменением состава на границах (за счет относительно низкой температуры подложки);

- получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпитаксии (за счет ступенчатого механизма роста без образования островковых зародышей);

- получение сверхтонких слоев контролируемой толщины;

- создание структур со сложными профилями состава или легирования.

Современные установки МЛЭ представляют собой комплексы, состоящие из нескольких высоковакуумных технологических камер, соединенных шлюзовыми устройствами. Схема такой установки показана на Рис. 7.

На Рис. 7 обозначено: ПАП – модуль подготовки а анализа подложек, ЭПМ – модуль эпитаксии элементарных полупроводников, металлов и диэлектриков, ЭПС – модуль эпитаксии полупроводниковых соединений, ЗВП – модуль загрузки и выгрузки подложек, МС – масс-спектрометр, ЭОС – электронный Оже-спектрометр, ДОБЭ – дифрактометры отраженных быстрых электронов, Э – люминесцентные экраны, ИП – ионная пушка, ТИ – тигельные испарители, ЭЛИ – электронно-лучевые испарители.

Рис. 7. Схема многомодульной установки для МЛЭ.

Механизмы роста тонких плёнок

Механизмы роста тонких плёнок (англ. thin films growth modes) — классификация механизмов формирования тонких пленок на подложках.

Выделяют три основных механизма роста тонких пленок. Эти механизмы получили свои названия по именам их авторов и включают:

· механизм послойного роста Франка–ван дер Мерве;

· механизм островкового роста Вольмера–Вебера;

· механизм послойного-плюс-островкового роста Странского–Крастанова.

Механизм роста Франка — Ван дер Мерве или механизм послойного роста (англ. Frank–van der Merve growth mode) — один из трех основных механизмов роста тонких пленок, описывает послойный рост пленок.

Послойный рост по механизму Франка-ван дер Мерве относится к случаю, когда атомы пленки сильнее связаны с подложкой, чем друг с другом. В результате этого рост следующего слоя не начинается, пока не завершено формирование предыдущего, то есть имеет место строго двумерный рост. После формирования первого слоя механизм может измениться, поэтому в случае к переходу к росту островков реализуется механизм роста Странского — Крастанова.

Механизм роста Вольмера — Вебера — Вебера или механизм островкового роста (англ. Vollmer – Weber growth mode) — один из трех основных механизмов роста тонких пленок, описывает островковый рост пленок.

Островковый рост по механизму Вольмера — Вебера соответствует ситуации, когда атомы пленки сильнее связаны между собой, чем с подложкой. В этом случае трёхмерные островки зарождаются и растут прямо на поверхности подложки. При гетероэпитаксии материалов, согласованных по постоянной решётки, когда сумма поверхностной энергии эпитаксиальной плёнки и энергии границы больше поверхностной энергии подложки, возникают островки на поверхности. Иначе реализуетсямеханизм роста Франка — Ван дер Мерве.

Механизм роста Странского — Крастанова иначе механизм послойного-плюс-островкового роста (англ. Stranski-Krastanov growth mode) — один из трех основных механизмов роста тонких пленок; описывает случай, когда рост начинается как двумерный (послойный), а затем меняется на трехмерный (островковый).

Послойный-плюс-островковый рост по механизму Странского — Крастанова представляет собой промежуточный случай между послойным и островковым ростом. После завершения формирования двумерного слоя идет рост трехмерных островков. Природа и толщина двумерного слоя (часто называемого слоем Странского — Крастанова) зависят от конкретного случая. Например, этот слой может быть поверхностной реконструкцией с субмонослойным покрытием адсорбата или напряженной пленкой толщиной в несколько монослоев.

Формирование наноструктур с использованием процессов самоорганизации на атомарном уровне; с использованием нековалентных связывающих взаимодействий (силы Ван-дерВаальса), ковалентных сил.