Что такое эпитаксия, её методы, процесс и виды

Промышленная деятельность требует специального оборудования и технологий, позволяющих выполнять различные процессы, такие как эпитаксия. Эпитаксия – наращение много кристаллических слоёв на кристалл (также именуемый, как подложка), при этом новые нарощенные слои полностью повторяют контур исходного объекта.

Что представляет собой эпитаксия

Виды эпитаксиального наращивания

Как и любой другой процесс, эпитаксия имеет виды выполнения. Они связаны со способами обработки подложки.

Основные виды эпитаксии:

  • Автоэпитаксия. Представляет собой наращение на кристалл вещества, имеющего практически абсолютное сходство по составу с самой подложкой. Накладываемое вещество может иметь в своём составе примеси. Ярким примером такой эпитаксии, является наращивание слоя кремния на кремниевую подложку.
  • Гетероэпитаксия. При этом состав слоя и подложки отличается, но химические соединения не образуются.
  • Хемоэпитаксия. Наращенный слой, является химическим соединением подложки и осаждаемого вещества.

Наращенный эпитаксиальный слой будет полностью повторять контур кристалла. Его можно наращивать из веществ любой консистенции: жидких, твёрдых газовых. Однако тогда специалисты используют различные методы эпитаксии.

Основные виды эпитаксиального наращивания

Независимо от вида эпитаксии, наращивание тонких слоёв на поверхность подложки имеет такие преимущества:

  • Применяется в различных сферах деятельности для улучшения физических качеств основного материала.
  • Эпитаксию можно наносить локально.
  • Проводимость наращиваемой плёнки можно изменять до нужных параметров, дополняя вещество различными примесями.
  • Выполнять покрытие объекта можно, независимо от его размера, объёма, формы.
  • Покрытие полностью повторяет контур исходного кристалла и может заполнять имеющиеся на его поверхности дефекты.

Кроме того, нанесение тонкого слоя, отличающегося от самого слитка на его поверхность, позволяет снизить концентрацию углерода и кислорода. Из-за чего повышается устойчивость объекта к повреждениям, и снижается количество дефектов.

Методы формирования эпитаксиальных слоёв

Методы эпитаксиального наращивания напрямую зависят от фазы вещества, используемого для наращивания много кристаллического слоя. Отсюда возникают следующие методы эпитаксии:

  • Жидкофазная.
  • Газофазная.
  • Молекулярно-пучковая.

В процессе молекулярно-лучевого эпитаксиального наращивания используется сверхвысокий вакуум. Тогда вещество испаряется и осаждается на подложку. Наращивание слоёв происходит на молекулярном уровне.

Методы эпитаксии, используемые в промышленности

Газофазная эпитаксия подразделяется на химическую и физическую. При последнем варианте наращивания используется методика катодного осаждения и распыления, расплавления и осаждения молекулярных пучков в вакуумированном пространстве.

В качестве дополнительных методов эпитаксии выделяют:

  • Твердофазную эпитаксию. При доведении подложки до высоких температур фаза, располагающаяся внутри многослойной структуры, подвергается перекристаллизации и растёт на монокристалле.
  • Жидкофазная. При этом монокристаллическая плёнка из расплавленного полупроводникового материала осаждается на подложку, в виде монокристаллического слоя.
  • Конденсированная. При этом используемый материал подвергается испарению с дальнейшим распылением и осаждением на монокристаллический объект.

По механизму наращивания:

  • Прямой. Атомы, находящиеся внутри камеры падают и осаждаются на поверхности обрабатываемого объекта.
  • Непрямой. Атомы образуются за счёт разложения соединений самого слитка. Тогда атомы перемещаются по поверхности разогретого кристалла и занимают возникающие на поверхности объекта островки.

В методику наращивания эпитаксиального слоя входит правильный разогрев. Подложка должна быть нагретой до температуры, 576-673 градуса, в противном случае атомы не будут прикрепляться к кристаллу или снова начнут испаряться и осаждаться на менее раскалённых поверхностях. Вообще наращивание эпитаксиального слоя довольно кропотливая и сложная задача, ведь при диссонации используемых компонентов, следует уделять особое внимание их летучести, которая должна быть одинаковой. Из-за этого создание монослойной плёнки идентичной по составу/толщине затруднительно, и выполняется только при использовании специальных методик, оборудования.

Процесс наращивания

Эпитаксиальное наращивание выполняется исключительно в специальных промышленных камерах, позволяющих нагревать вещества до определенных температур и контролировать весь процесс эпитаксии.

Устройство для создания эпитаксиальных слоёв имеет следующую конструкцию:

  • 2 сверхвакуумные барокамеры, имеющие безмасляную откачку.
  • Камеру анализа.
  • Механизм перемещения.

Весь процесс эпитаксии и формирование кристаллических плёнок происходит в сверхвакуумных барокамерах. После обработки подложки в одной камере, она перемещается в другую, благодаря специальному транспортирующему механизму. Он перемещает содержимое барокамеры без её разгерметизации. Процессы эпитаксиального наращивания внутри камер обязательно контролируются рабочим персоналом. Это требуется во избежание перегрева кристалла и переиспарения сформированной плёнки. Для этого предусмотрена камера анализа, позволяющая специалисту безопасно для здоровья оценивать качество обработки подложки.

Последовательность эпитаксии:

  • Испарение отдельных атомов, выполняющееся за счёт нагревания лазером или спиралью, разогретой до предельно высоких температур.
  • Переход атомов в более холодные участки барокамеры.
  • Превращение атомов в наночастицы.
  • Наложение наночастиц на поверхность объекта.

Процесс эпитаксии и механизм наращивания эпитаксиальных слоёв

Процесс эпитаксии наглядно

Особенности процесса эпитаксиального наращивания:

  • Напыление. Выполняется из ячеек Кнудсена, изготовленных из чисто-спектрального графита, с изолированным покрытием из алунда с наружной стороны.
  • Нагрев. Внутри устройства имеется вольфрамовая, термоустойчивая спираль.

Во избежание взаимного теплового воздействия между устройством и его содержимым, предусмотрено помещение ячеек в медно-танталовую рифленую фольгу, охлаждающуюся азотом. Их особенностью, является доступность образования молекулярных безвихревых, ламинарных потоков. Их перекрытие выполняется, благодаря заслонке, управляемой вне барокамеры, из-за чего разгерметизация камер отсутствует.

В процессе наблюдения за эпитаксией, используются приборы:

  • Дифрактометр медленных электронов.
  • Оже-спектрометр.

Они позволяют оценить рельефность и химический состав образовавшейся поверхности, интенсивность молекулярных пучков, атмосферу внутри барокамеры и кристаллическую структуру формируемого слоя.

Следовательно, формирование слоя на подложке требует регулярной корректировки процесса, осуществляющегося в реальном времени, поэтому данным способом наращиваются рекордно тонкие (до 100 нм) слои на металлах, диэлектриках, полупроводниках и пр.