Положение подложки относительно потока

 

В CVD процессах, лимитированных диффузией реагентов к подложке, обычно осаждаются слои с изменяющейся вдоль подложки толщиной. Это обусловлено тем, что скорости роста в таких процессах сильно зависят от газодинамических явлений в реакторе. Пограничные слои обычно образуются не у самого переднего края пластинки, а на неко­тором расстоянии от него вдоль потока. Наклонение или иное изменение положения подложки в реакторе оказывает сильное влияние на скорость роста в процессе, лимитированном диффу­зией, из-за особенностей поведения газодинамических потоков вблизи подложки.

Скорость роста в кинетическом режиме в принципе не должна зависеть от положения подложки, поэтому этот критерий можно использовать для выявления лимитирующей стадии. Разу­меется, надо убедиться, действительно ли изменение скорости роста с положением подложки связано с варьированием газодинамических условий, а не с изменениями температуры вдоль подложки. Изменения тол­щины подложки могут отражаться не только на условиях ее обтекания газовым потоком, но и на распределении температуры, которое проявится в изме­нении скорости поверхностных или иных активационных про­цессов.

Вблизи края подложки в виде пластинки иногда наблюдаются более высокие скорости роста. На первый взгляд это свидетельствует о диф­фузионном режиме, поскольку газодинамические условия у края должны быть иными, чем в центре пластинки. Однако такой эффект может наблюдаться, особенно для процессов эпитаксиального роста, и в кинетическом режиме как следствие зависимости скорости роста от кристаллографи­ческой ориентации, так как при химической полировке подложек их края обычно округляются, поскольку здесь условия для травления кристаллов более благоприятны. Образующиеся при этом ступенчатые поверх­ности затем при эпитаксиальном осаждении растут быстрее, чем центральный участок.

Если пренебречь ориентационными и температурными эф­фектами, то изменение скорости роста с положением подложки в реакторе относительно потока свидетельствует в пользу диф­фузионного режима. Однако в случае, когда зона осаждения имеет ограниченные размеры и процесс лимитируется доставкой реагентов, варьирование положением подложки может привести к тому, что ее часть окажется за пределами зоны осаждения, что приведет к кажущемуся изменению скорости процесса.

 

Роль кристаллографической ориентации

 

Один из наиболее надежных признаков кинетического ре­жима протекания CVD процесса, особенно при выращивании кристаллов или эпитаксиальных пленок, - сильная зависимость скорости роста от кристаллографической ориентации подложки. Для разных ориентации поверхности кристалла характерны разные конфигурации и разные ретикулярные плотности атомных плоскостей. Например, у кристал­лов со структурой сфалерита, химиче­ские свойства поверхностей могут различаться существенным образом, хотя их даже ретикулярные плотности одинаковы (таковы грани (III) и (Ī Ī Ī )). Многие кинетические стадии CVD процесса (напри­мер, адсорбция, десорбция или гетерогенная химическая реак­ция) либо предполагают активное участие поверхности, либо, по меньшей мере, протекают па ней. Соответственно скорости таких стадий должны сильно зависеть от природы поверх­ности, что фактически и наблюдается. Оказалось, например, что при осаждении GaAs в кинетическом режиме скорость роста грани A (III) превосходит скорость роста грани В (Ī Ī Ī ) в 16 раз. Указанные грани имеют одинаковую ретикулярную плотность и являются плотноупакованными, а различаются лишь тем, что одна из них (в идеальном случае) образована атомами галлия, другая - атомами мышьяка. Этот факт иллюстрирует чувствительность поверхностных процессов к кристаллографической ориентации монокристаллических подложек. От ориентации подложки зависят даже скорости поверхностной диффузии. Следовательно, скорости процессов в кинетическом режиме должны зависеть от кристаллографической ориентации подложек.

Скорости CVD процессов, лимитированных тем или иным видом массопереноса, когда основные события разыгры­ваются в газовой фазе вдали от подложки, являются  нечувствительными к кристаллографической ориентации подложки.

Кристаллографическая ориентация подложки представляет собой весьма удобный параметр эксперимента. В кристаллиза­ционную камеру можно загрузить несколько пластинок с раз­ными ориентациями и одновременно проводить на них нара­щивание. Приняв во внимание малосущественные эффекты, связанные с различным положением подложек в реакторе, можно затем определить ориентационную зависимость скорости роста, сравнивая толщины наросших слоев. При этом, однако, следует с осторожностью интерпретировать обнаруженные эффекты в том случае, когда подложки разных ориентаций находятся в непосредственной близости друг от друга. Имеются сведения о том, что два соседних участка с разными ориента­циями могут сильно конкурировать друг с другом в смысле пе­рехвата вещества, поступающего к поверхности посредством диффузии. В таком случае общая скорость осаждения может быть лимитирована диффузией, а локальные скорости роста мо­гут различаться.

Следует особо подчеркнуть, что исследование влияния кристаллографической ориентации подложки на скорость осаждения, может оказаться очень информативными и в случае исследования CVD процессов, осложненных гомогенными реакциями.

 

Парциальные давления реагирующих веществ

Этот параметр дает мало информации для выявления ли­митирующей стадии процесса. Как показано в разделе о тем­пературных эффектах, для простых процессов и кинетическая, и диффузионная стадии изменяются пропорционально пар­циальным давлениям реагентов. Если уже установлено, что процесс протекает в кинетическом режиме, то парциальное дав­ление становится наиболее важным параметром, поскольку с его помощью удастся, возможно, выяснить механизм роста. К сожалению, некоторые исследователи упорно продолжают определять «порядок» реакции для процессов, о которых еще не известно, протекают ли они на самом деле в кинетическом режиме.

 

Площадь поверхности подложки

 

Для CVD процессов, лимитированных одной из кинетических стадий, скорость осаждения зависит от фактической площади поверхности подложки. Это означает, что экспериментально определенные скорости осаждения на подложках одинаковых геометрических размеров, но, имеющих разную величину фактической площади поверхности (например, из-за разной шероховатости) будут отличаться.

В то же время в лимитированном диффузией CVD процессе изменение шероховатости поверхности подложки может существенно повлиять на толщину диффузионного пограничного слоя, а, следовательно, скорость массопереноса через него, что также может повлиять на величину скорости осаждения. Очевидно, что в случае процесса, лимитированного доставкой реагентов в зону осаждения, фактическая площадь поверхности не оказывает влияния на скорость осаждения.

Проведенный анализ характера влияния основных технологических параметров на скорость CVD процесса представляется полезным, так как может быть использован для выявления лимитирующих стадий в случае процессов, характеризующихся простой реакционной схемой (отсутствуют гомогенные реакции). В тех случаях, когда роль гомогенных реакций существенна, а также когда осаждение может протекать по многомаршрутным реакционным схемам, такой подход может привести к ошибочным заключениям. К сожалению, во многих случаях в основе CVD процессов лежат сложные реакционные схемы, и выяснение их физико-химических закономерностей возможно только в результате использования специальных инструментальных методов исследования свойств технологической среду, образующейся в зоне осаждения.

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: