5.2. Кинетика и механизмы процессов эпитаксии

Наиболее распространённым 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 (рис. 5.1):

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

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

Удаление продуктов реакции: десорбция продуктов реакции; диффузия газообразных продуктов реакции в направлении от поверхности; объёмную транспортировку продуктов реакции от зоны взаимодействия.

Рис. 5.1. Схема реакций, иллюстрирующих этапы процесса эпитаксиального роста: 1 – объёмная транспортировка реагентов к зоне реакции; 2 – диффузия реагентов к поверхности подложки; 3 – адсорбция реагентов на поверхности подложки; 4 – реакции на поверхности подложки; 5 – поверхностная диффузия; 6 – встраивание диффундирующих элементов в кристаллическую решётку; 7 – десорбция продуктов реакции; 8 – диффузия продуктов реакции в направлении от поверхности; 9 – объёмная транспортировка продуктов от зоны взаимодействия

Необходимым условием для роста на поверхности подложки новой фазы является пресыщение реагирующей фазы осаждаемым компонентом. На начальной стадии роста эпитаксиального 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 (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 растёт 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 эпитаксиальный 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 подложкодержателем и стенками на входе в реактор образуется пограничный слой, толщина которого увеличивается по мере продвижения вдоль реактора (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Образование пограничного слоя в эпитаксиальном реакторе: C – 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.