CC BY
66
УДК 538.911
А. Н. Брызгалов (д.физ.-мат. н., проф.), С. М. Долапчи (асп.)
СОЗДАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПЛЕНОК КРЕМНИЯ НА ПОДЛОЖКЕ САПФИРА МЕТОДОМ ЭПИТАКСИИ
Челябинский государственный педагогический университет, кафедра теоретической физики и методики преподавания физики 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 69; тел. (351) 2165772, e-mail:[email protected]
A. N. Brizgalov, S. M. Dolapchi
CREATE OPTIMAL SILICON FILMS AT SAPPHIRE SUBSTRATES EPITAXY
Chelyabinsk State Pedagogical University 454080, Chelyabinsk, Lenin Ave., 69; ph. (351) 2165772, e-mail:[email protected]
Рассмотрен процесс образования силоксановой связи на базе кристаллов сапфира методом электронно-лучевой эпитаксии. Детально рассмотрена технология образования пленки из кремния, ее роста и сохранения, путем обеспечения необходимых температурных режимов, обеспечивающих снятие внутренних напряжений.
Ключевые слова: эффузия; эпитаксия; Кику-чи линии и Кикучи полосы; молекулярно-луче-вая эпитаксия; фотолюминесценция; сублимация; пинакоид; орбиталь; пленка; ромбоэдр.
In this article the process of formation of siloxane-based communications sapphire crystals by electron beamepitaxy. Considered in detail the technology of the film forming of silicon, its growth and preservation, by providing the necessary temperature conditions for the removal of internal stresses.
Key words: effusion; epitaxy; Lines Kikuchi and Kikuchi of a strip; molecular and beam epitaxy;photoluminescence; sublimation; pina-coid; orbital; tape; rhombohedron.
В последнее время заметно возрос интерес к соединениям кремния с сапфиром. Это обусловлено тем, что кремний — отличный элемент для создания полупроводников, а сапфир обладает такими свойствами, как прочность, отличная теплопроводность, устойчивость к кислотам и радиоактивному излучению, что делает его незаменимым материалом для создания подложек микросхем 1. Проводятся научные
работы по созданию пленок кремния и на ал-2
мазной подложке 2.
Определенные результаты работ экспериментального характера по этой тематике достигнуты российскими учеными 3-5.
Целью данной работы является практическое обоснование возможности образования качественных пленок кремния на сапфире (КНС), пригодных для микроэлектроники. Многолетняя работа в этом направлении проводилась авторами на заводе «Кристалл» в г. Южноуральске Челябинской области, где были получены результаты, способствующие улучшению качества продукции.
Материалы и методы исследования
Для получения качественных КНС-струк-тур, их кристаллографического совершенства, применяют метод молекулярно-лучевой эпи-таксии (МЛЭ). Эксперименты проводились на установке, изображенной на рис. 1.
сверхвысоко-вакуумная камера
Дата поступления 30.09.14
Рис. 1. Схема установки для молекулярно-лучевой эпитаксии: 1 — держатель образца с нагревателем; 2 — образец; 3 — масс-спектрометр; 4 — эффузион-ные ячейки; 5 — заслонки; 6 — манипулятор; 7 — электронная пушка; 8 — люминесцентный экран.
Перед осаждением слоев кремния пластины нагревались до температуры 1200—1400 оС с помощью электронной пушки непосредственно в ростовой камере, что обеспечивало ликвидацию оксидной пленки. Потоки атомов и комплексов кремния формировались при нагреве сублимирующего источника, вырезанного из кремниевого слитка, до температуры 1330 оС. Атомы и комплексы кремния формировались в эффузионных ячейках, а количество их регулировалось с помощью заслонок. В ряде опытов на сапфире выращивались нелегированные слои кремния, при этом в качестве источника использовался кремний марки КДБ-15, нагретый до температуры около 1380 оС, что было необходимо для снятия внутренних напряжений в самом кристалле. Скорость роста слоев составляла 0.08—0.1 нм/с благодаря оседанию на грани ромбоэдра m кристалла целых комплексов атомов кремния. Температура подложки составляла от 500 оС до 800 оС. Давление остаточных газов в процессе роста не превышало 133.3 Па (1-10-7 Torr). Манипулятор обеспечивал смену образца.
Для проведения эксперимента подложками служили грани r-ромбоэдра кристалла сапфира. Это обусловлено тем, что именно на этой грани атомы кислорода находились ближе всего к поверхности кристалла и это обстоятельство давало возможность ионам и комплексам кремния вступать в связи с кислородом. Отсюда большая и качественная скорость роста кристалла в данном направлении. Прак-
тически не наблюдалось роста по грани с — пинакоиду, где слою ионов кислорода предшествуют слои ионов алюминия, заряженные одноименно с ионами кремния и препятствующие росту кристалла в сингулярном направлении.
Структура выращенных слоев анализировалась методами дифракции электронов и фрактальной геометрии 6.
Результаты и их обсуждение
В ходе опытов удалось вырастить слои кремния толщиной от 0.25 до 0.75 мкм. Подложки сапфира, прокаленные до температуры в 1400 оС, имели более совершенную структуру в приповерхностной области слоя кремния, чем подложки, прокаленные до 1200 оС. Это объясняется тем, что высокая температура разрушает оксидную пленку корунда и создает благоприятные условия для образования до-норно-акцепторной связи. Результаты подтверждаются анализом линий и полос Кикучи 7, указывающих на хорошее строение кремниевой пленки.
Однородность поверхности уменьшается по мере приближения к равновесным условиям осаждения. При этом увеличивается средний размер структурно-упорядоченных областей в объеме. Определенное влияние на оба этих параметра могут оказывать поверхностно-активные примеси 6.
Рис. 2. Рост кристалла по грани ромбоэдра
Литература
1. Шкляев А.А., Ичикава М. Создание наноструктур германия и кремния с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа // Успехи физических наук.- 2006.- Т. 176, №9.- С. 913-930.
2. Карасев В.Ю., Крюков В.Д., Кузнецов М.Г., Пинтус С.М., Ламин М.А., Пчеляков О.П., Соколов Л.В. Особенности роста пленок кремния на алмазных подложках // Микроэлектроника.- 2005.- Т. 34, №1.- С. 37-42.
3. Киселев А.Н., Перевощиков В.А., Скупов В.Д., Филатов Д.О. Различия в изменениях параметров компонентов структур «кремний на сапфире» после рентгеновского облучения со стороны эпитаксиального слоя и подложки // Письма в Журнал технической физики.- 2003.- Т. 29, №23.- С. 8-12.
4. Александров П.А., Демаков К.Д., Шемардов С.Г., Кузнецов Ю.Ю. Особенности процесса твердофазной рекристаллизации аморфизован-ных ионами кислорода структур кремний-на-сапфире // Физика и техника полупроводников.- 2009.- Т. 43, №5.- С. 627-629.
5. Патент РФ №2185685 Способ обработки структур «кремний на сапфире» / Скупов В.Д., Смолин В.К. // Б. И.- 2002.
6. Воронков М.Г., Южелевский Ю.А., Милешке-вич В.П. Силоксановая связь и ее влияние на строение и физические свойства кремнийорга-нических соединений // Усп. хим.- 1975.- Т. 44, №4.- С. 715-743.
7. Светлов С.П., Чалков В.Ю., Шенгуров В.Г., Дроздов Ю.Н., Красильник З.Ф., Красильни-кова Л.В., Степихова М.В., Павлов Д.А., Павлова Т.В., Шиляев П.А., Хохлов А.Ф. Структурные и фотолюминесцентные свойства гетеро-эпитаксиальных слоев кремния на сапфире // Физика твердого тела.- 2004.- Т.46, №1.-С.15-17.
References
1. Shklyaev A.A., Ichikawa M. [Fabrication of germanium and silicon nanostructures using a scanning tunneling microscope] Physics-Uspekhi, 2006, vol. 49, no. 9, pp. 887-903.
2. Karasev V.Y., Kryukov V.D., Kuznetsov M.G., Pintus S.M., Lamin M.A., Pchelyakov O.P., Sokolov L.V. [MBE growth of silicon films on diamond substrates] Russian Microelectronics, 2005, vol. 34, no.1, pp. 30-35.
3. Kiselev A.N., Perevoshchikov V.A., Skupov V.D., Filatov D.O. Razlichiya v izmeneniyakh parametrov komponentov struktur «kremnii na sapfire» posle rentgenovskogo oblucheniya so storony epitaksial'nogo sloya i podlozhki [The differences in the changes in the parameters of components structures «silicon on sapphire» after X-ray irradiation from the epitaxial layer and the substrate]. Pis'ma v Zhurnal tehnicheskoi fiziki [Letters to the Journal of Applied Physics], 2003, vol. 29, no. 23, pp. 8-12.
4. Aleksandrov P.A., Demakov K.D., Shemardov S.G., Kuznetsov Yu.Yu. [Specific features of solidphase recrystallization of silicon-on-sapphire structures amorphized by oxygen ions]. Semiconductors, 2009, vol. 43, no. 5, pp. 599-601.
5. Skupov V. D., Smolin V. K. Sposob obrabotki struktur «kremnii na sapfire» [A method of processing structures «silicon on sapphire»]. Patent RF, no. 2185685, 2002.
6. Mikhail G Voronkov. [The Siloxane Bond and Its Influence on the Structure and Physical Properties of Organosilicon Compounds]. Russian Chemical Reviews, 1975, vol. 44, no.4, pp. 355-372, http://dx.doi.org/10.1070/ RC1975v044n04ABEH002273
7. Svetlov S.P., Chalkov V.Yu., Shengurov V.G., Drozdov Yu.N., Krasil'nik Z.F., Krasil'nikova L.V., Stepikhova M.V., Pavlov D.A., Pavlova T.V., Shilyaev P.A., Khokhlov A.F. [Structural and Photoluminescence Properties of Heteroepi-taxial Silicon-on-Sapphire Layers]. Physics of the Solid State, 2004, vol. 46, no. 1, pp. 10-12.
