WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 1997, том 67, № 7 01;05;06;12 Формирование многослойных упругонапряженных гетерокомпозиций методом жидкофазной эпитаксии I. Теоретические аспекты проблемы и расчетная модель © Р.Х. Акчурин1, Д.В. Комаров2 1 Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова, 117571 Москва, Россия 2 Институт химических проблем микроэлектроники, 117571 Москва, Россия (Поступило в Редакцию 13 июля 1995 г. В окончательной редакции 14 мая 1996 г.) Проанализированы проблемы формирования многослойных упругонапряженных гетерокомпозиций методом ”капиллярной” жидкофазной эпитаксии с принудительной гидравлической сменой растворов в ростовом канале. Показано, что при малых временах контакта растворов с поверхностью кристаллизации характер их течения в канале играет важную роль в достижении однородности физических характеристик наращиваемых слоев. На примере ряда систем АIII–BV произведены расчетные оценки гидродинамической устойчивости растворов при движении в тонких каналах. Разработана расчетная модель, позволяющая моделировать условия создания упругонапряженных гетерокомпозиций. Она включает в себя учет диффузионного и конвективного массопереноса в жидкости при различных режимах ее течения в капилляре и эффекта смещения гетерогенных равновесий в системе под влиянием упругих напряжений.

Введение ми, при котором замена растворов осуществляется путем их принудительной прокачки через капиллярные канаСоздание многослойных упругонапряженных гетеро- лы (капиллярная эпитаксия [4]). При этом проблемы композиций является одним из эффективных способов однородности и воспроизводимости состава и толщин управляемого воздействия на фундаментальные физиче- эпитаксиальных слоев по площади и толщине напрямую ские параметры полупроводниковых материалов, исполь- связаны с гидродинамическими условиями в растворе и зуемых, в частности, в оптоэлектронике [1–3]. Толщины влиянием конвективных явлений на процессы массообэпитаксиальных слоев, образующих такие гетерокомпо- мена при гетероэпитаксии. Необходимость сохранения зиции, не должны превышать предела, соответствующего упругих напряжений в эпитаксиальных слоях требует переходу упругонапряженного состояния в релаксиро- учета их вклада в смещение гетерогенных равновесий в ванное с образованием дислокаций несоответствия и в рассматриваемых системах, а отсутствие термодинамибольшинстве случаев лежат в пределах от единиц до ческого равновесия между контактирующими твердой и сотен нм. В настоящее время для получения сверхтон- жидкой фазами при гетероэпитаксии — использования ких эпитаксиальных слоев широко применяются мето- предварительно переохлажденных растворов для исклюды газофазной эпитаксии с использованием металлоор- чения подрастворения предыдущих слоев. При низкотемганических соединений, а также молекулярно-лучевая пературной эпитаксии предварительное переохлаждение эпитаксия. Разработка процессов осаждения сверхтонких раствора благоприятно и для более успешного образоваслоев из жидкой фазы сталкивается с рядом серьезных ния сплошного слоя в условиях малых времен контакта проблем. Тем не менее возможности успешного роста жидкой и твердой фаз.

таких слоев методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) Целью настоящей работы являлась разработка расчетбыли продемонстрированы в целом ряде эксперимен- ной модели, позволяющей на основе учета указанных тальных исследований (например, [4–6]). Однако до сих явлений обеспечивать поиск оптимальных (по критериям пор некоторые теоретические аспекты ЖФЭ, касаю- требуемых характеристик эпитаксиальных слоев) услощиеся осаждения сверхтонких эпитаксиальных слоев и вий процесса воспроизводимого создания многослойных создания многослойных упругонапряженных гетероком- гетерокомпозиций.

позиций, остаются разработанными недостаточно.

Очевидные направления развития метода ЖФЭ применительно к решению указанных задач сводятся к сниже- Описание процесса нию температур эпитаксиального наращивания, уменьшению времен роста и ограничению объемов исполь- Рассмотрим схему процесса формирования на подзуемой для эпитаксии жидкой фазы. Наиболее рацио- ложках соединения АВ многослойной структуры, вклюнальным способом реализации таких процессов является чающей чередующиеся слои АВ и твердого раствора эпитаксия из растворов, помещаемых в тонком зазоре А1-x-yВxСyD. Допустим, что процесс эпитаксиального между двумя параллельно расположенными подложка- осаждения проводится в изотермических условиях на две Формирование многослойных упругонапряженных гетерокомпозиций методом... Описание процесса эпитаксии, таким образом, должно включать массоперенос в жидкости (естественную и вынужденную конвекцию, диффузию) и распределение компонентов осаждаемого вещества между исходной жидкой и кристаллизующейся твердой фазами в ходе эпитаксиального осаждения на подложку. Рассмотрим роль каждого из этих явлений в рассматриваемом процессе.

1) Ес т е с т в е нна я к онв е к ция. Поскольку изменением температуры у границы раздела фаз в процессе эпитаксии можно пренебречь вследствие пренебрежимо малой величины скрытой теплоты фазового перехода, то рассматриваемый процесс можно считать изотермичеРис. 1. Схема эпитаксии в ростовом канале: 1 — подложки, ским. Поэтому при оценке вероятности возникновения 2 — стенки канала, L — длина участка гидродинамической естественной конвекции следует принимать во внимастабилизации, L0 — длина подложек, U0 — скорость потока ние лишь концентрационные неоднородности в растворе.

жидкой фазы, Hc — толщина ростового канала.

Анализ относительного вклада градиентов температуры и концентрации при ЖФЭ в устойчивость жидкой фазы к возникновению естественных конвективных потоков, параллельные близкорасположенные подложки (рис. 1), выполненный в [7], подтверждает эту предпосылку. В зазор между которыми (ростовой канал) последова- условиях преобладающей роли концентрационных градительно заполняется предварительно переохлажденными ентов над тепловыми гидродинамическая устойчивость растворами соответствующего состава, находящимися покоящейся жидкости определяется критерием Рэлея при одинаковой температуре T. При этом величина (Rac), применительно к нашему случаю выражаемым в исходного переохлаждения растворов достаточна для следующей форме:

предотвращения подрастворения подложки или ранее выращенного эпитаксиального слоя по всей поверхности Rac = gcHc /D, (1) контакта (при низкотемпературной эпитаксии это услогде g — ускорение свободного падения, вие выполнимо для большинства полупроводниковых систем). Смена растворов осуществляется под воздей- c = (/C)-1 — коэффициент концентрационной зависимости плотности раствора, Hc — толщина ствием оказываемого на них гидравлического давления путем прокачки их через капиллярный канал (вынужден- ростового канала, C — изменение концентрации растворенного компонента, D — коэффициент его ная конвекция), сечение которого по форме и размерам аналогично ростовому каналу. Соприкосновение пересы- диффузии в жидкой фазе, — кинематическая вязкость раствора.

щенного раствора с поверхностью подложек приводит к снятию пересыщения в его приповерхностных областях Пользуясь критериями подобия (Rac/Hс) для бинари росту эпитаксиальных слоев. В зоне I происходит ных полупроводниковых систем АIII–BV, приведенными формирование потока жидкой фазы, в зоне II —эпи- в [7], можно в первом приближении оценить предельные таксиальный рост, который может осуществляться как толщины ростовых каналов, превышение которых спов релаксационном режиме с остановкой потока, так собно привести к возникновению естественной конвеки в режиме непрерывного течения раствора в канале. ции в рассматриваемом варианте эпитаксии. При этом Использованный (отработанный) раствор попадает в зо- следует отметить, что поскольку значения критериев ну III, процессы в которой уже не оказывают влияния подобия в [7] получены для традиционно используемых на эпитаксию. Допустим, что ростовой канал симметри- при ЖФЭ соединений АIIIBV температур эпитаксии, а чен относительно плоскости, перпендикулярной нормали температурный интервал охлаждения принят равным между подложками и проходящей через ее середину. 30 K, то эти значения требуют существенной коррекЭто дает возможность рассматривать протекающие в тировки. Использование низкотемпературных режимов нем явления лишь на участке от подложки до плоскости эпитаксии, проводимой из предварительно переохласимметрии. В целом эпитаксиальное осаждение можно жденных растворов в изотермических условиях, должно, описать совокупностью следующих процессов: a) подача по приближенным оценкам, уменьшить значения указанв ростовой канал исходного раствора, осуществляемая ных критериев в 10–15 раз. Причина этого в том, что путем вынужденной конвекции в соответствии с за- величина используемого при ЖФЭ исходного переохладаваемыми временными параметрами; b) массоперенос ждения растворов, как правило [8], примерно в 3 раза компонентов осаждаемого вещества из объема раствора меньше принятого в [7] интервала охлаждения; кроме к подложкам; c) непосредственно эпитаксия, т.е. сток рас- того, для большинства систем АIII–BV в низкотемператворенного вещества на поверхности подложек, d) отвод турной области диаграмм состояния, приемлемой для из ростового канала обедненного раствора. решения рассматриваемой задачи, характерно относиЖурнал технической физики, 1997, том 67, № 44 Р.Х. Акчурин, Д.В. Комаров ждаемых эпитаксиальных слоев. Однако до настоящего времени в литературе, посвященной процессам ЖФЭ, этим вопросам внимания практически не уделялось.

Характер потока раствора, попадающего в канал, определяется как физико-химическими параметрами жидкой фазы, так и скоростью потока. Критерием устойчивости здесь выступает число Rac, безразмерной характеристикой потока — число Рейнольдса (Red = U0Hc/, где U0 — средняя скорость течения раствора в канале). Связь между этими величинами определяет характер течения (рис. 3). Следует отметить, что характеристические значения и соотношения критериев получены из общих законов гидромеханики и не зависят от физических параметров системы и ее компонентов.

Из рис. 3 очевидны области параметров потока жидкости, наиболее приемлемые для использования в процессах ЖФЭ. Так, внешняя по отношению к кривым область нестационарного течения I непригодна для проведения эпитаксиальных процессов по своей сути. В области регулярного турбулентного течения II могут проводиться процессы, требующие интенсивного перемешивания Рис. 2. Значения критерия Rac в зависимости от толщины жидкой фазы, например низкотемпературная эпитаксия ростового канала для различных бинарных систем In-InAs (1), In-InSb (2), Ga-GaAs (3), Ga-GaP (4), Ga-GaSb и In-InP (5). при условиях плохой смачиваемости расплавом подложки. В этом случае канал эпитаксии представляет собой систему, близкую к реактору идеального смешения, так как, за исключением тонкой пристеночной области ламительное 3–5-кратное уменьшение /T, что вызывает нарного подслоя, во всем объеме канала концентрации соответствующее уменьшение C в (1).

компонентов распределены равномерно [10]. Однако Рассчитанные с учетом этого зависимости Rac от Hс при значениях Re порядка 2000 и использовании даже для различных систем АIII–ВV приведены на рис. 2.

относительно тонких каналов эпитаксии (Нс 300 мкм) Видно, что интервал толщин ростового канала, для скорости потока для этой области получаются очень которых соблюдается условие отсутствия естественной большими (U0 > 100 см/с), что ведет к неоправданконвекции, в большинстве случаев лежит при значениях ному расходу вещества. Поэтому такой режим может Hс < (200-500 mkm). Однако поскольку режим быть полезен только в исключительных ситуациях. При стационарной регулярной конвекции, вызывающий сущемалых значениях критериев (зона III) поток ламинарен, ственные различия в скорости роста на верхней и нижней профиль течения сохраняется во времени. Эта область подложках, возникает только при Rac > 105, то даже при может быть однозначно рекомендована для применения некотором превышении рассчитанных значений Hc вряд в ЖФЭ. Для описания этого режима используются ли следует ожидать заметной естественной конвекции в зависимости теории пограничного слоя [10,11].

рассматриваемом процессе.

Следует отметить, что наличие в капиллярном канале поверхности раздела двух растворов различного состава, предназначенных для попеременной подачи в ростовой канал, в принципе может вызвать условия появления другого вида естественной конвекции — межфазной (например, конвекции Марангони) [9]. Однако с учетом кратковременности такого контакта, малой его площади и, как правило, близости физико-химических характеристик растворов, используемых при создании гетерокомпозиций, явления межфазной конвекции в большинстве случаев можно отнести к процессам второго порядка малости и из рассмотрения исключить.

2) В ы н у ж д е н н а я к о н в е к ц и я.

В условиях кратковременного контакта с подложками Рис. 3. Области устойчивости движущегося потока [10,11].

гидродинамические особенности потока раствора, поI, II — зоны нестационарного и стационарного турбулентного ступающего в ростовой канал, играют исключительно потока соответственно; III — зона ламинарного потока; волноважную роль в обеспечении однородности свойств оса- вой вектор: 1 —не равен 0, 2 —равен 0.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Формирование многослойных упругонапряженных гетерокомпозиций методом... ние таких слоев, образованных сопротивлением стенок канала. Длина участка гидродинамической стабилизации определяется как L0 = 0.065 RedHc. (3) Если L (рис. 1) больше этой величины, то течение стабилизировано и распределение скорости U по радиусу r канала (в данном случае r — расстояние от оси канала по нормали к поверхности роста) имеет вид Ur = U0(1 - 4r2/Hc ), (4) что соответствует профилю скорости Пуазейля. Как видно из (4), распределение скорости потока в канале не зависит от свойств жидкой фазы, она явно определяется только средней скоростью потока и геометрией канала.

Если L < L0, то смыкания пограничных слоев у подложек не происходит и модель может быть представлена в виде двух независимых пластин, обтекаемых потоком раствора. Толщина пограничного слоя у каждой гориРис. 4. Связь скорости потока жидкой фазы в ростовом зонтальной стенки канала вдоль координаты x [11] канале с разностью давлений на его входе и выходе. Расчет для Т = 573 К, L+L0 = 3 см и Hc = 100 (1), 300 (2), = 4.64x/ Rex, (5) 500 мкм (3); растворители для AIIIBV: сплошные линии — Ga; штриховые — In, Bi.

где Rex = U0(L0 + L)/.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.