5.2. Кинетика и механизмы процессов эпитаксии

Наиболее распространенным процессом является эпитак­сия в газовой фазе, при которой газ-носитель, содержащий ком­поненты эпитаксиального слоя в виде газообразных соединений, взаимодействует с подложкой. Процесс эпитаксии в данном случае включает в себя следующие этапы (см. рис. 5.1):

Доставку: объемная транспортировка реагентов к поверхно­сти подложки; диффузия газообразных реагентов к поверхности подложки; адсорбция реагентов на поверхности подложки.

Поверхностные реакции: поверхностные реакции (либо ре­акции, протекающие в объеме газа над поверхностью); поверх­ностная диффузия; встраивание диффундирующих элементов в кристаллическую решетку.

Удаление продуктов реакции: десорбция продуктов реакции; диффузия газообразных продуктов реакции в направлении от поверхности; объемная транспортировка продуктов реакции от зоны взаимодействия.

Необходимым условием для роста на поверхности подлож­ки новой фазы является пресыщение реагирующей фазы осаж­даемым компонентом. На начальной стадии роста эпитакси-ального слоя на поверхности подложки формируется система зародышей. Активными центрами образования зародышей яв­ляются вакансии, инородные адсорбированные атомы, дислока­ции, моноатомные ступени. С наибольшей вероятностью устой­чивые конфигурации атомов осаждаемого вещества формируют­ся у изломов ступеней (см. рис. 5.2). Далее атомы, молекулы или кластеры реагирующей фазы, осаждаясь на поверхность подложки, мигрируют по ней, закрепляются у зародышей, уве­личивают их размер и образуют островковую структуру. Затем островки сливаются в сплошной слой, который растет даже при незначительном пресыщении реагирующей фазы.

Рис. 5.2. Центры образования зародышей на поверхности подложки: 1 - адсорбированные атомы двухатомного соединения; 2 - адсорби­рованный атом на поверхности; 3, 4, 5 — адсорбированные атомы на элементах ступеней; 6 - дефект поверхности

Скорость эпитаксиального роста лимитируется скоростью самой медленной стадии. Если скорость роста ограничивается процессами массопереноса диффузии реагентов к подложке, то эпитаксия происходит с диффузионным контролем. Если же скорость роста ограничивается кинетикой поверхностных про­цессов (адсорбции, поверхностных реакций, десорбции), то эпи-таксиальный рост будет проходить с кинетическим контролем. Лимитирующая стадия будет полностью определяться режима­ми технологического процесса, поэтому существует вероятность,

что процесс будет протекать в переходной области как с диффу­зионным, так и с кинетическим контролем. Детальное описание процесса эпитаксиального роста включает рассмотрение термо­динамики, кинетики химических реакций и механизма течения газового потока в реакторе.

При подаче в реактор потока парогазовой смеси над под-ложкодержателем и стенками на входе в реактор образуется пограничный слой, толщина которого увеличивается по мере продвижения вдоль реактора (см. рис. 5.3).

Рис. 5.3. Образование пограничного слоя в эпитаксиальном реакторе: С — распределение концентрации; V - распределение скорости потока; Т - распределение температуры

Через пограничный слой исходные реагенты переносятся из газового потока к поверхности подложек, а продукты реакции диффундируют в направлении от поверхности и удаляются ос­новным потоком газа. Таким образом, потоки реагентов, на­правленные к поверхности подложки и от нее, являются слож­ной функцией нескольких переменных: температуры, давления в системе, концентрации реагентов и толщины пограничного слоя.

Совершенство структуры эпитаксиального слоя, а также мор­фология его поверхности зависят от типа лимитирующей ста­дии. Наиболее совершенные эпитаксиальные слои с гладкой однородной поверхностью получают в процессах с диффузион­ным контролем. Слои, полученные в таком процессе, характе­ризуются сильно развитой поверхностью и зачастую мозаичной структурой.