Метод конденсации паров компонентов.

Выращивание кристаллов из паровой фазы, образованной атомами или молекулами компонентов, производится преимуще­ственно в замкнутых эвакуированных контейнерах или в вакуум­ных камерах. Процесс сводится к созданию потока паров, испу­скаемых источником, нагретым до выбранной температуры возгонки или испарения; пары, пройдя некоторый путь, конденси­руются на подложке. Давление насыщенных паров элементар­ного вещества, образующею одноатомные пары в зависимости от температуры, описывае1ся уравнением Клаузиуса—Клапей­рона. Но процесс проводится в динамическом режиме, и реаль­ное давление паров над поверхностью источника описывается выражением:

Р = a0Рs         (6.52)

где Р, — давление насыщенных паров при температуре Tист,;

      a0 — коэффициент аккомодации, представляющий собой  от­ношение числа испарившихся атомов, которые   рекон-денсировались на поверхности испарения, к числу ато­мов, столкнувшихся с ней (a£1).

Скорость испарения с поверхности практически не зависит от давления над ней и определяется ее температурой. Однако часть испарившихся частиц претерпевает соударения с молекулами па­ра и возвращается на исходную поверхность.

В условиях молекулярного режима скорость испарения свя­зана с упругостью пара выражением

WM=aPsÖ M/(2pRT)                  6.53

Испарившиеся с поверхности молекулы распределены в телес­ном угле со. Их распределение зависит от геометрии испарителя и давления паров и является функцией угла со и расстояния от ис­точника г о (рис. 634). Доля молекул, достигающих поверхности конденсации,

Nk=f(w,r0)+aPs(2pMkT)-1/2          6.54

При этом предполагается, что средняя длина свободного пробега молекул велика по сравнению с расстоянием r0, т. е. процесс про­водится в вакууме. Влияние отдель­ных факторов на механизм конденсации, который происходит в атомном масштабе, непосредственно исследовать невозможно. Можно только сопоставлять полученные результаты при измене­нии некоторых условий проведения процесса.
Для этого опреде­ляем скорость роста кристалла в зависимости от температуры ис­точника, температуры подложки, плотности пучка атомов, угла падения пучка на поверхность конденсации и устанавливаем влияние различных комбинаций этих факторов на скорость рос­та, микроморфологию поверхности роста и свойства полученных кри­сталлов.

При проведении процессов в непрерывно откачиваемых ваку­умных камерах наименее контро­лируемым и наименее изученным является влияние всегда при­сутствующих остаточных газов и паров. При давлении остаточ­ных газов в рабочей камере 10-6 — 10-4 мм рт. ст. число газовых молекул, бомбардирующих поверхность роста, часто сравнимо с числом атомов конденсируемого пара (1014—1015 aro«oe/c.u2X Хсек). Остаточные газы, способные хемосорбировать на поверх­ности роста и входить в решетку кристалла, безусловно оказыва­ют вредное влияние на скорость роста, совершенство и свойства растущего кристалла. Влияние же инертных газов, по-видимому, незначительно, а в отдельных случаях может быть даже благо­творным. Выращивание кристаллов методом конденсации паров обычно проводится в тщательно отгазированных герметичных системах, в которых остаточное давление химически активных га­зов (азот, кислород, водород, углеводороды) не должно превы­шать 10~8—10 -10 мм рт. ст, тогда как остаточное давление инерт­ных газов порядка 10 -6 мм рт. ст. может считаться вполне прием­лемым.

Процессы кристаллизации из паровых пучков принято ха­рактеризовать коэффициентом конденсация а. Коэффициент кон­денсации определяется как отношение числа атомов, встроившихся в решетку, к числу атомов, достигших поверхности конденса­ции Процесс конденсации можно разбить на три стадии:

1) первое соударение атомов пара с подложкой, при котором рассеивается большая часть их кинетической энергии;

2)   адсорбция атома;

3) перемещение атомов по поверхности, приводящее либо к встраиванию атома г, кристалл, либо к ею повторному испа­рению.


Поэтому величина коэффициента конденсации опреде­ ляется скоростью рассеяния энергии атома (которая зависит от температуры подложки, от присутствия на ней монослоя «холод­ных» атомов инертного газа), теплотой адсорбции подложки (влияние чистоты поверхности подложки) и микрорельефом по­верхности (плотность мест закрепления атомов в решетку). Ве­личина коэффициента конденсации зависит также от природы атомов.

Таким образом, основными технологическими факторами, определяющими возможность получения методом конденсации монокристаллических образований с контролируемыми свойства­ми, являются: природа, кристаллографическая ориентация и со­стояние поверхности подложки, на которую производится нара­щивание, выбор величины пересыщения и температуры подлож­ки, при которых обеспечивается с одной стороны закономерное встраивание атомов в решетку растущего кристалла, а с другой стороны установление заданного химического состава растущего кристалла.

Управление составом кристалла, который образуется кон­денсацией паров нескольких элементов, является одной из наи­более трудных задач. Коэффициент конденсации зависит от при­роды конденсирующихся атомов; значит состав образующегося кристалла не идентичен составу паровой фазы и должен зави­сеть также от природы подложки. Создание многокомпонентной паровой фазы заданного состава также сопряжено со значитель­ными трудностями.

Как уже отмечалось, отклонения от стехиометрии соединений возникают в результате того, что состав паровой фазы над кри­сталлом, как правило, не идентичен составу кристалла. Если в качестве источника брать заранее синтезированные кристаллы од­ного и того же соединения, но с различными отклонениями от стехиометрии, то составы паровой фазы должны быть различными . В результате различия коэффициентов конденсации у раз­ных атомов соединения состав кристалла может оказаться от­личным от состава источника. С этой точки зрения выращивание кристаллов в запаянных ампулах со строго локализованной по­верхностью конденсации (см.


рис. 6.35) имеет преимущества по сравнению со схемой рис. 6.34, где только часть атомов паровой фазы конденсируется на поверхности роста. Чем больше разли­чие в давлении насыщенных паров компонентов, тем труднее -уп­равлять составом паровой фазы, и приходится использовать раз­дельное испарение (или возгонку) компонентов, кристаллизую­щегося вещества.

Состав паровой фазы над многокомпонентным кристаллом или над его расплавом при не слишком малых плотностях паро­вых пучков должен быть различным, ввиду малой скорости диф­фузионных процессов в кристалле и быстрого выравнивания со­става в расплавах.

При испарении бинарного расплава парциальное давление пара компонента в первом приближении принимается пропорци­ональным его молярной доле в расплаве (закон Рауля):

PA=P0ANA;

(P0A – PA)/ P0A= DPA/ P0A= NB

DPB/P0B = NA   (NA–NB=1)

Pобщ=PA+PB=P0ANA+P0BNB;

PA/PB=NA/NB·P0A/P0B;

Следовательно, состав расплава и состав паровой фазы не­прерывно изменяются стечением процесса (дистилляция). В этом случае также целесообразно использовать раздельное испарение чистых компонентов.

В настоящее время метод конденсации компонентов полупро­водниковых материалов применяют для:

1) изготовления топких эпитаксиальных пленок полупровод­никовых элементов и соединений;

2) выращивания крупных монокристаллических слитков со­единении, все компоненты которых обладают в технологически приемлемой области температур значительными и сравнимыми давлениями паров;

3) выращивания небольших монокристаллов некоторых полу­проводниковых соединений и их твердых растворов.


Содержание раздела

---