1.8. Ионно-лучевое и ионно-плазменное распыление при воздействии высокочастотного электромагнитного поля.
В отличие от электронов большинство ионов немобильны в условиях высокочастотного поля (5-30 МГц), поэтому, если электрод подсоединяется к радиочастотному генератору, на электроде появляется отрицательное напряжение вследствие различия в подвижности между электронами и ионами. При этом распыление может производиться при достаточно низких давлениях (5 – 15 торр) в сравнении с планарным магнетронным распылением из-за более высокой частоты колебаний электронов и их большей энергии. Следовательно, большее количество соударений может приводить к ионизации распыляющего газа. Из-за отсутствия эффекта накопления заряда на поверхности мишени при воздействии высокочастотного электромагнитного поля появилась возможность получать пленки непроводящих материалов.
В общем случае получение качественных тонких слоев при физическом осаждении методами испарения или распыления является чрезвычайно сложной многопараметрической задачей. К основным управляющим параметрам данного процесса следует отнести кристаллографическую ориентацию подложки и качество ее поверхности, температуру подложки, скорость осаждения, которая зависит как от величины пересыщения пара, так и от газодинамических особенностей реактора. Чтобы образовалось покрытие на поверхности твердотельной подложки, частицы осаждаемого материала должны пролететь через среду-носитель и вступить в непосредственный контакт с подложкой. После попадания на поверхность значительная часть частиц должна адсорбироваться и остаться на поверхности. Эти частицы могут быть атомами, молекулам, ионами атомов, ионизированными молекулами или маленькими кусочками материала, как заряженными, так и незаряженными.
1.9. Молекулярно-лучевая эпитаксия.
Этот процесс обеспечивает эпитаксиальный рост тонких слоев в условиях сверхвысокого вакуума. В основе метода лежит осаждение испаренного вещества на кристаллическую подложку. Источник, в котором формируются молекулярные и атомные пучки, представляет собой камеру, соединённую с высоковакуумным объёмом при помощи отверстия в тонкой стенке или узкого капилляра в толстой стенке. Напыляемые молекулы или атомы вводятся в камеру в виде газа или пара при давлении несколько мм рт. ст. Для увеличения интенсивности пучков применяют источники с несколькими отверстиями или капиллярами, расстояние между которыми должно быть несколько больше их диаметра. Соударения с частицами остаточного газа разрушают молекулярные и атомные пучки, тем быстрее, чем хуже вакуум. Длина молекулярных и атомных пучков в идеальном вакууме была бы чрезвычайно велика, т. к. возможны были бы только соударения «догона». Несмотря на достаточно простую идею, реализация данной технологии требует чрезвычайно сложных технических решений (Рис.2.5.)
Рис.2.5. Упрощенная схема высоковакуумной установки для молекулярной эпитаксии, показывающая ее основные компоненты (слева направо: Transport rod – транспортирующий стержень; Load door – загрузочная камера; Beam flow gauge – датчик молекулярного потока ; Sample heating and rotation – система нагревания и вращения образца ; E-gun (RHEED - reflection high energy electron diffraction) - электронная пушка системы отражения высокоэнергетических дифрагированных электронов ; Chamber cooled by liqN2 – камера, охлаждаемая жидким азотом до -196 ОС; Effusion sells – ячейки эффузии- подачи молекул в квази-Кнудсеновском режиме; Shutter - вибратор; Florescent screen (RHEED) – флуоресцентный экран системы отражения высокоэнергетических дифрагированных электронов; MS - ??; Sample holder – держатель образца).
Основные требования к установке эпитаксии следующие:
рабочей камере установки необходимо поддерживать сверхвысокий вакуум (около 10−8 Па).
чистота испаряемых материалов должна достигать 99,999999 %.
необходим молекулярный источник, способный испарять тугоплавкие вещества (такие как металлы) с возможностью регулировки плотности потока вещества.
Особенностью молекулярно-лучевой эпитаксии является невысокая скорость роста пленки (обычно менее 3000 нм в час). При этом в установке может использоваться держатель для мишени, позволяющий вращать ее и нагревать до нескольких сот градусов по Цельсию, что увеличивает скорость роста пленки. Несоответствие между параметрами кристаллических решеток растущей пленки и подложки приводит к накоплению упругой энергии в растущем слое. При некоторой критической толщине это может приводить к разрушению пленки на островки и релаксации накопленных напряжений. При этом критическая толщина определяется модулями упругости растущего слоя и подложки, величиной несоответствия между параметрами кристаллических решеток и межфазным натяжением. Однако, непрерывный контроль толщины растущего слоя с помощью системы отражения высокоэнергетических дифрагированных электронов (RHEED) и компьютерный контроль подачи осаждаемого материала из источника через тонкие капилляры при малом давлении с помощью специальных вибраторов позволяет регулировать толщину наносимого слоя вплоть до атомного уровня. Поэтому метод молекулярно-лучевой эпитаксии при отсутствие газа-носителя и использовании сверхвысокого вакуума и хорошо очищенных подложек с атомарно-гладкой поверхностью обеспечивает получение предельно чистых покрытий и пленок. Этот метод позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины с моноатомногладкими гетерограницами и с заданным профилем легирования.