Публикации: Методы исследования

Метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) основан на выращивании полупроводниковых слоев из испаряемых в сверхвысоком вакууме (~10^-11 мм.рт.ст.) эффузионными источниками компонентов, причем распространение потоков компонентов роста в объеме происходит в режиме молекулярного пролёта. Для обеспечения необходимой чистоты процесса и сверхвысокого вакуума кроме внешней безмасляной откачной системы (турбомолекулярные, ионные, крио-насосы) используются встроенные в ростовой реактор и заполненные жидким азотом криопанели.

Сильный разогрев источников и подложки, прецизионные встроенные методики исследования, необходимость механического перемещения подложек между камерами в условиях сверхвысокого вакуума приводят к заметной сложности оборудования. Как следствие, установки МПЭ производятся лишь несколькими фирмами в США и Европе. В России серийный выпуск таких установок, начатый в 80-ые годы, к середине 90-х гг. был повсеместно прекращен, причем уровень продукции, сравнимого с зарубежным качества, так и не был достигнут.

В 2001 г. за разработку и производство установок МПЕ (торговая марка "SemiTEq") (Рис. 1) взялось новое предприятие– ЗАО "Научное и технологическое оборудование" (Санкт-Петербург). Предприятие было основано технологами, имевшими большой опыт практической работы на отечественном и зарубежном оборудовании МПЭ в ФТИ им. Иоффе РАН. К работам были привлечены конструкторы из бывшего НПО "Аналитического приборостроения" (Санкт-Петербург) и НИТИ (Рязань), участвовавшие в создании первых серийных отечественных установок МПЭ.

Предприятие начало свою деятельность с разработки специализированной установки МПЭ для выращивания структур на базе нитридов 3-ей группы (В 1990-2000 гг. нитридные полупроводники продемонстрировали исключительные приборные возможности в оптоэлектронике и СВЧ-микроэлектронике). Выяснилось, что ростовые условия для их создания заметно отличаются от условий для классических полупроводников А₃В₅ (например, AlGaAs). Попытки адаптации для этих целей традиционных установок МПЭ не дали желаемых результатов. Требовалось заметное повышение температуры подложки, существенное усиление откачной системы для удаления используемого в качестве источника азота значительного потока аммиака и др. (Применительно к нитридам это, в частности, привело в мире к временному отставанию технологии МПЭ по сравнению с газотранспортными методами).

Разработчикам ЗАО "Научное и технологическое оборудование" удалось решить вышеназванные проблемы. Созданные к 2005 г. установки STE3N2 (Рис. 2), STE3N3 демонстрируют уровень технологических и приборных результатов, сравнимый с зарубежными, полученными с использованием газотранспортных методов и на специализированных МПЭ-установках иностранного производства. Первая апробация созданного на предприятии оборудования МПЭ была проведена в ЗАО "Светлана-Рост" (Санкт-Петербург), которое специализируется на разработке и серийном выпуске полупроводниковых гетероструктур, СВЧ-транзисторов и МИС на их основе. Разработанные им нитридные гетероструктуры для СВЧ-микроэлектроники демонстрируют полное отсутствие эффекта коллапса (падение мощности в СВЧ-режиме по сравнению со статическими характеристиками), что характерно для нитридных транзисторов. Подвижность в двумерном канале на гетерогранице GaN/AlGaN составляет ~1500 см^-2/В×с при концентрации ~1,5×10¹³ см^-2. (Отметим, что концентрация носителей почти на порядок превышает максимальные значения для структур на основе AlGaAs). Разброс удельного слоевого сопротивления R_s по пластине – не более ±1,5%, что определяет высокий выход годных при производстве транзисторов (Рис. 3).

Совместно с ФГУП "Исток" на созданных гетероструктурах были изготовлены транзисторы с удельной мощностью 3,8 Вт/мм при 10 ГГц, что близко к предельным значениям для структур, выращенных на сапфире. Достижение указанных результатов в значительной степени обусловлено возможностями ростового оборудования. Установки STE3N2 и STE3N3 обеспечивают максимальное значение температуры образца не ниже 1200⁰С, что по меньшей мере, на 200⁰С выше, чем у GaN-ориентированной установки Compact-21 производства фирмы Riber (Франция) – одного из мировых лидеров в этой области. Возможность проведения процесса при ~1200⁰С позволяет растить гетероструктуры с переходного слоя AlN, имеющего высокое кристаллическое совершенство. Выращенный на таком слое объемный нитрид галлия демонстрирует рекордные значения подвижности свободных носителей (Рис. 4). Эта базовая характеристика материала для газотранспортной технологии оказывается, как правило, выше, чем для МПЭ. Результат, полученный на STE3N2, превышает литературные данные как для традиционного МПЭ оборудования, так и для газотранспортной эпитаксии (при росте на сапфире).

Важный приборный аспект включающего переходной слой AlN ростового процесса – возможность его легкой адаптации к различным видам подложек: сапфир, кремний, карбид кремния. Высокая теплопроводность подложек Si и, в особенности, SiC позволяет существенно снизить влияние теплового разогрева на работу мощного транзистора.

Особенности созданного оборудования обеспечивают эти результаты.

Ростовой реактор диаметром ~600 мм включает в себя:

• манипулятор, обеспечивающий нагрев и вращение подложки диаметром до 100 мм, закреплённой в держателе запатентованной конструкции;
• две криопанели с жидким азотом;
• семь портов для эффузионных источников с заслонками и один, центральный, для инжектора аммиака;
• систему дифракции быстрых электронов, оптический пирометр, специализированный лазерный интерферометр, масс-спектрометр.

Система откачки реактора состоит из: коррозионно-стойкого турбомолекулярного и ионного насосов, безмасляной системы форвакуумной откачки. Обслуживающие камеры (одна в STE3N2, две в STE3N3): шлюзовая камера с накопителем на восемь образцов; дополнительная камера подготовки, обеспечивающая прогрев и обезгаживание подложек перед ростом. Камеры имеют индивидуальную систему откачки; объединяются линейными манипуляторами, которые переносят образцы из одной камеры в другую. При проведении ростового процесса реализуются следующие функции управления:

• температура каждого источника задается с точностью ±0,5°С;
• осуществляется манипулирование заслонками источников;
• подача потока аммиака проводится с точностью не менее 2%;
• температура подложки поддерживается с точностью ±0,5°С.

Процесс полностью автоматизирован, но может проводиться и вручную (от персонального компьютера). Следует также отметить использование оригинальной конструкции эффузионных источников галлия и алюминия собственной разработки, позволяющей учитывать специфику их эксплуатации в атмосфере аммиака и обеспечивать длительную работоспособность в сочетании с высокими скоростями роста AlN и GaN (>1 мкм/ч).

Конструкция источников, как и ряд принципиально важных технических решений по установкам в целом, запатентованы. Апробация головного экземпляра установки STE3N2 в ЗАО "Светлана-Рост" имела целью не только проведение технологических работ, но и испытания надежности всей конструкции. После годичной эксплуатации, в ходе которой было выполнено более трехсот эпитаксиальных процессов, был начат серийный выпуск установок STE3N2 и STE3N3. К настоящему времени осуществлены поставки:

• STE3N2 и STE3526 в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН;
• трех модулей установки STE3N3 в состав роботизированного кластера производства ЗАО "НТ-МДТ" в МИЭТ (Зеленоград);
• произведен предварительный запуск и подготовлена поставка включающего STE3N3 многокамерного комплекса для Курчатовского Научного Центра – совместная разработка с ЗАО "Сигма-Скан" (Москва);
• завершается поставка STE3N3 в ЗАО "Светлана-Рост"
• начато изготовление такой же установки по заказу Института физики микроструктур РАН (Нижний Новгород).

ЗАО "Научное и технологическое оборудование" кроме нитридных МПЭ-установок, освоило производство оборудования МПЭ для классических полупроводников A₃B₅/A₂B₆ (Рис. 5, 6), установок электронно-лучевого напыления, плазмо-химических установок травления и нанесения диэлектриков, оборудования для термической обработки полупроводниковых пластин.