PL219166B1 - Sposób określania temperatury podłoży w procesach epitaksji z wiązek molekularnych związków półprzewodnikowych AIII BV - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób określania temperatury podłoży w procesach epitaksji z wiązek molekularnych (MBE) związków półprzewodnikowych AKIIIBV. Z uwagi na własności podłoża sposób ten można zastosować w przypadku procesów wzrostu związków półprzewodnikowych zawierających pierwiastki grupy III: Ga, Al, In oraz pierwiastki grupy V: As i Sb. Do związków tych należą, ważne ze względu na zastosowania, GaSb, InAs i Ga_xAl_1-xAS_ySb_1-y.

W procesie MBE wytwarzania związku n-składnikowego podstawowymi parametrami określającymi przebieg procesu i decydującymi o jakości otrzymanych warstw są natężenia wiązek molekularnych φπ gdzie i = 1, 2, ..., n oraz temperatura podłoża T_s. Parametry te powiązane są skomplikowanymi zależnościami, które wyznaczane są doświadczalnie. W szczególności ustalenie właściwej temperatury podłoża ma kluczowe znaczenie dla jakości otrzymywanych warstw (ich struktury krystalicznej, gładkości powierzchni, własności transportowych i własności optycznych). Temperatura podłoża Ts musi być precyzyjnie kontrolowana (tzn. utrzymywana lub odpowiednio zmieniana) w ciągu całego procesu. Na ogół przyjmuje się, że wystarczająca dokładność tej regulacji wynosi ± 5°C.

Nowoczesne maszyny MBE zapewniają dokładny pomiar strumieni φ_i przy pomocy mierników Bayarda Alperta. Natomiast pomiar temperatury podłoża nastręcza dotąd poważne trudności. Wiążą się one ze sposobem mocowania i grzania podłoża w komorze wzrostu maszyny MBE. Istnieją dwa sposoby mocowania podłoża: podłoże może być lutowane do specjalnego bloku o kształcie tarezy wykonanego z molibdenu i zwanego moliblokiem lub też mocowane do specjalnego pierścienia zwanego uchwytem bezindowym. Grzanie podłoża w obu przypadkach odbywa się przy pomocy promieniowania (głównie w podczerwieni i zakresie widzialnym) emitowanego przez piec grzewczy. Temperatura pieca grzewczego Tf jest kontrolowana przy pomocy termopary, która jest wprowadzona w pobliże jego spirali grzewczej. Odczyt temperatury Tf jest wykorzystywany do sterowania zasilaczem pieca grzewczego za pośrednictwem komputerowego lub ręcznego układu sterowania. Wartość temperatury Tf jest oczywiście inna niż wartość wyżej zdefiniowanej temperatury Ts (w wielu przypadkach różnica między tymi temperaturami może przewyższać 100°C). Tak więc, chcąc skutecznie sterować procesem, musimy doświadczalnie ustalić zależność między temperaturami T_f i T_s.

Maszyna MBE jest na ogół wyposażona w moliblok z gniazdem na termoparę do użycia w komorze załadowczej w celu wygrzewania próbek/podłoży. Moliblok ten jest również grzany przez promieniowanie podczerwone, jednak jego specyficzna konstrukcja zapewnia doskonały kontakt z termoparą. Próbka jest lutowana na tym molibloku przy pomocy In, który ma duży współczynnik przewodności cieplnej (fig. 1). W efekcie możemy w komorze załadowczej określić temperaturę podłoża za pomocą termopary z dokładnością znacznie większą niż w komorze wzrostu.

Przedstawione powyżej uwarunkowania konstrukcyjne powodują, że pomiar temperatury podłoża Ts jest utrudniony. Podstawową trudnością jest fakt, że powinniśmy znać temperaturę na powierzchni wzrostu kryształu, a więc powierzchnia ta nie może być przesłonięta, ani nie może się stykać z żadnym przyrządem pomiarowym (np. z termoparą). Druga niekorzystna okoliczność to obrót podłoża w czasie procesu. Uniemożliwia on przytwierdzenie termopary (lub innego przyrządu pomiarowego) do spodu podłoża.

Jedynym rozwiązaniem możliwym w tej sytuacji jest pomiar temperatury na powierzchni podłoża przy pomocy pirometru optycznego. Rozwiązanie takie jest stosowane we wszystkich nowoczesnych maszynach MBE. Jednak pomiar temperatury metodą pirometrii optycznej wiąże się koniecznością precyzyjnego wycechowania pirometru. W praktyce proces cechowania napotyka jednak poważne trudności. Wycechowanie pirometru na podstawie znajomości własności optycznych układu jest niemożliwe, gdyż nieznany jest spektralny współczynnik emisyjności ε (zwany dalej krótko emisyjnością), a także współczynnik transmisji światła przez okienko pirometryczne. Również wprowadzenie poprawek na specyficzną geometrię układu pomiarowego jest bardzo trudne. W tej sytuacji większość badaczy cechuje pirometr na podstawie znajomości pewnych chwilowych stanów podłoża, w których można mu przypisać określoną temperaturę. Jeśli więc jesteśmy przekonani, że podłoże w danym stanie ma temperaturę Ts, to dobieramy emisyjność ε tak, by pirometr wskazywał właśnie tę temperaturę. W tym przypadku emisyjność ε jest efektywnym współczynnikiem aparaturowym, a nie materiałowym.

W praktyce istnieją dotychczas tylko dwa sposoby określania emisyjności na podstawie znajomości chwilowej temperatury podłoża. Pierwszy z nich polega na znajomości temperatury podłoża przy zmianach rekonstrukcji powierzchni kryształu. W metodzie tej obserwujemy przy pomocy odbiPL 219 166 B1 ciowej dyfrakcji elektronów (RHEED) rekonstrukcję powierzchni kryształu w czasie wzrostu (lub bez wzrostu) jednocześnie wolno zmieniając jego temperaturę. W chwili, gdy następuje zmiana rekonstrukcji powierzchni, przerywamy wzrost (lub spadek) temperatury i tak dobieramy ε, by pirometr wskazywał znaną skądinąd temperaturę kryształu (A. S. Bracker, M. J. Yang, B. R. Bennett, J. C. Culbertson, W. J. Moore) J. Crystal Growth 220 (2000) 384-392). Metoda ta jest bardzo niedokładna, gdyż temperatury przejścia między rekonstrukcjami są znane z małą dokładnością, a sam proces grzania lub chłodzenia kryształu przy jednoczesnej obserwacji rekonstrukcji jest trudny do kontroli. Drugą słabością tej metody jest fakt, że można ją zastosować tylko w przypadku, gdy mamy doskonałą powierzchnię kryształu, a więc, gdy proces MBE przebiega optymalnie. Nie jest to więc możliwe na wczesnych etapach opracowywania technologii, kiedy dopiero kalibrujemy układ i poszukujemy właściwych parametrów procesu. Ponadto, temperatura przejścia między rekonstrukcjami wyraźnie zależy od natężenia strumieni molekularnych padających na powierzchnię kryształu, co znacznie obniża dokładność metody.

Drugi sposób określania emisyjności na podstawie znajomości chwilowej temperatury podłoża polega na wykorzystaniu informacji o temperaturze desorpcji tlenku z jego powierzchni. W metodzie tej również obserwujemy obraz RHEED jednocześnie powoli podnosząc temperaturę podłoża. W chwili, gdy na obrazie RHEED zaobserwujemy desorpcję tlenku, przerywamy wzrost temperatury i dobieramy emisyjność ε tak, by pirometr wskazywał znaną skądinąd temperaturę desorpcji tlenku (E. A. Plis, Mid-IR Type-II InAs/GaSb Nanoscale Superlattice Sensors, Dissertation, The University of New Mexico, Albuquerque, 2007). Metoda ta jest jeszcze mniej dokładna niż poprzednia, gdyż w przypadku podłoży GaSb temperatura desorpcji tlenku jest znana z dokładnością znacznie gorszą niż 10°C. Na dodatek, temperatura ta znacznie się zmienia w miarę starzenia się podłóż.

Sposób określania temperatury podłoży według wynalazku składa się z dwóch etapów. W pierwszym etapie, półprzewodnikowe podłoże umieszcza się w uchwycie, w komorze wzrostu urządzenia MBE. Następnie, na tym podłożu po usunięciu tlenku osadza się warstwę buforową tak, by był widoczny obraz dyfrakcyjny RHEED. Później, podłoże z tą warstwą schładza się do temperatury ~100°C poniżej temperatury sublimacji warstwy desorpcyjnej i nanosi się warstwę desorpcyjną o grubości ~100 nm tak, by obraz RHEED zanikł. Po naniesieniu warstwy desorpcyjnej podłoże chłodzi się, wyjmuje z komory wzrostu, lutuje na molibloku z gniazdem na termoparę i przenosi do komory załadowczej. Następnie, w warunkach ultrawysokiej próżni podłoże to powoli podgrzewa się i rejestruje się przy pomocy termopary temperaturę Td desorpcji warstwy desorpcyjnej. W drugim etapie podłoże z tego samego materiału mocuje się w uchwycie w komorze wzrostu i na tym podłożu osadza się warstwę buforową tak, by był widoczny obraz RHEED. Następnie podłoże z tą warstwą schładza się do temperatury ~100°C poniżej temperatury sublimacji warstwy desorpcyjnej i nanosi warstwę desorpcyjną o grubości ~100 nm. Po naniesieniu warstwy desorpcyjnej podnosi się temperaturę Tf pieca grzewczego w komorze do wartości, przy której pojawia się obraz RHEED i przy tej temperaturze dobiera się emisyjność ε pirometru zamontowanego w urządzenia MBE. Emisyjność dobiera się tak, by pirometr wskazywał znaną z pierwszego etapu temperaturę desorpcji Td warstwy desorpcyjnej i określał rzeczywistą temperaturę podłoża Ts w swoim zakresie pomiarowym.

W przypadku, kiedy podłożem jest GaSb, to w pierwszym etapie, na podłożu tym z usuniętą warstwą tlenku osadza się warstwę buforową GaSb i schładza się do temperatury ~200°C. Na tak schłodzone podłoże nanosi się warstwę desorpcyjną Sb o grubości ~100 nm. Następnie, podłoże chłodzi się, wyjmuje z komary wzrostu, lutuje na molibloku z gniazdem na termoparę i przenosi do komory załadowczej. W komorze załadowczej, w warunkach ultrawysokiej próżni podgrzewa się je i rejestruje przy pomocy termopary temperaturę Td desorpcji warstwy Sb.

W drugim etapie podłoże GaSb mocuje się w uchwycie w komorze wzrostu, usuwa warstwę tlenku, osadza warstwę buforową GaSb, następnie schładza się do temperatury ~200°C i nanosi warstwę desorpcyjną Sb o grubości ~100 nm. Później, podnosi się temperaturę Tf pieca grzewczego w komorze do wartości, przy której pojawia się obraz dyfrakcyjny i przy tej temperaturze dobiera się emisyjność ε pirometru w urządzeniu MBE. Emisyjność dobiera się tak, by pirometr wskazywał znaną z pierwszego etapu temperaturę desorpcji Sb równą Td i określał rzeczywistą temperaturę podłoża Ts w swoim zakresie pomiarowym.

Zaletą przedstawionego sposobu określania bezwzględnej wartości temperatury jest jej niezależność od stanu podłoży, to znaczy można go używać zarówno do podłoży świeżych jak i starych. Ponadto do stosowania tego sposobu nie potrzebne są żadnych stałe fizyczne charakteryzujące podłoże, a dokładność temperatury podłoża jest szacowana na około ± 5°C przy temperaturach rzędu 500°C.

PL 219 166 B1

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie określenia rzeczywistej temperatury podłoża GaSb podczas procesu osadzania warstwy GaSb w urządzeniu MBE.

Sposób określania temperatury krystalicznego podłoża według wynalazku odbywa się poprzez kalibrację pirometru optycznego urządzenia MBE. Do stosowania sposobu wystarcza standardowe wyposażenie aparatury MBE. W komorze wzrostu niezbędny jest dyfraktometr RHEED oraz pirometr optyczny (który zostanie wykalibrowany za pomocą przedmiotowego sposobu). Ponadto, niezbędny jest układ pomiaru i regulacji temperatury pieca grzewczego (z zastosowaniem termopary). W komorze załadowczej niezbędny jest piec do wygrzewania próbek, umożliwiający dołączenie molibloku z gniazdem na termoparę. Konstrukcja molibloku zapewnia doskonały kontakt z termoparą. W efekcie termopara mierzy temperaturę molibloku, a nie pieca, jak to miało miejsce w przypadku komory wzrostu. Z kolei próbka/podłoże jest lutowane na tym molibloku przy pomocy In, który ma duży współczynnik przewodności cieplnej. W rezultacie próbka ma dobry kontakt termiczny z termoparą co powoduje, że możemy w komorze załadowczej określić temperaturę podłoża za pomocą termopary z dokładnością znacznie większą niż w komorze wzrostu. Do przeprowadzenia procesu kalibracji potrzebne są dwa molibloki: oprócz molibloku lub uchwytu bezindowego stosowanego do wzrostów, moliblok z gniazdem na termoparę (do użycia w komorze załadowczej).

W etapie pierwszym hoduje się na podłożu GaSb z usuniętą warstwą tlenku cienką warstwę GaSb tak, by uzyskać widoczny obraz RHEED. Warstwa ta nie musi być doskonała pod względem krystalograficznym, ani też nie musi być wystarczająco gładka, by obserwować wyraźną rekonstrukcję. Wystarczy zaobserwować refleksy braggowskie. Taką warstwę łatwo jest wyhodować nawet przy niedokładnie dobranych warunkach wzrostu. Następnie, warstwę schładza się do temperatury około 200°C i pokrywa się cienką warstwą Sb tak, by obraz RHEED całkowicie zaniknął. Temperatura 200°C nie musi być dokładnie ustalona - wystarczy dokładność ± 50°C. Grubość warstwy też nie jest krytyczna - do całkowitego wygaszenia obrazu RHEED wystarcza na ogół warstwa o grubości 100 nm.

Próbkę pokrytą warstwą Sb wyjmuje się z komory wzrostu, lutuje się przy pomocy In na moliblok z gniazdem na termoparę i następnie przenosi się do komory załadowczej. W komorze załadowczej w warunkach ultrawysokiej próżni powoli podgrzewa się podłoże aż do uzyskania desorpcji Sb jednocześnie cały czas mierząc jego temperaturę przy pomocy termopary. Warstwa Sb na podłożu jest dobrze widoczna i moment desorpcji łatwo jest wzrokowo zaobserwować przez wziernik. Nie jest konieczne użycie żadnych przyrządów optycznych. Ponieważ w komorze załadowczej mamy dobry kontakt termiczny między termoparą a moli blokiem, a przewodnictwo cieplne In jest bardzo wysokie, możemy przyjąć, że temperatura desorpcji wskazywana przez termoparę Td jest dokładnie zarejestrowana.

W drugim etapie kalibracji powtarzamy proces wytworzenia warstwy Sb na podłożu, identycznie jak w etapie pierwszym. Następnie, w warunkach ultrawysokiej próżni powoli podgrzewa się podłoże aż do uzyskania desorpcji Sb jednocześnie cały czas mierząc jego temperaturę przy pomocy termopary i pirometru oraz obserwując obraz RHEED. Oczywiście na tym etapie kalibracji pomiary te nie dają nam jeszcze prawdziwej temperatury podłoża. Za moment desorpcji Sb przyjmuje się stan podłoża, gdy na ekranie RHEED ukażą się refleksy braggowskie. W chwili, gdy na obrazie RHEED zaobserwujemy desorpcję Sb, przerywamy wzrost temperatury, rejestrujemy ją i dobieramy emisyjność ε tak, by pirometr wskazywał znaną z poprzedniego etapu temperaturę desorpcji Sb równą Td.

W ten sposób proces kalibracji pirometru jest zakończony i możemy tak wykalibrowany pirometr używać do określania rzeczywistej temperatury powierzchni podłoża w czasie procesów MBE.

Poniżej przedstawiono wyniki standardowego sposobu krystalizacji warstw oraz, dla porównania, wyniki uzyskane przy zastosowaniu metody będącej przedmiotem wynalazku. W obydwu przypadkach do procesu wzrostu zastosowano podłoże GaSb, pochodzące od tego samego dostawcy.

W pierwszym przypadku, ze względu na niemożność dokładnego ustalenia temperatury podłoża, proces od początku prowadzony był w zbyt wysokiej temperaturze. Powierzchnia podłoża już przed rozpoczęciem wzrostu została zdefektowana poprzez silną desorpcję atomów Sb z przypowierzchniowego obszaru płytki. Otrzymano warstwę GaSb silnie zdefektowaną. Obraz powierzchni takiej warstwy, wykonany za pomocą mikroskopu optycznego z kontrastem Nomarskiego, zamieszczono na fig. 2.

W drugim przypadku desorpcję rodzimych tlenków przeprowadzono w temperaturze 540°C, wygrzano płytkę w temperaturze nie przekraczającej 560°C, wzrost rozpoczęto w 530°C. W wyniku krystalizacji otrzymano warstwę o gładkości powierzchni porównywalnej z grubością pojedynczej monowarstwy. Na fig. 3 zamieszczono obraz powierzchni atomowo gładkiej warstwy epitaksjalnej wykonany za pomocą mikroskopu sił atomowych.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób określania temperatury podłoży w procesach epitaksji z wiązek molekularnych (MBE) związków półprzewodnikowych AIIIBV, znamienny tym, że w pierwszym etapie w komorze wzrostu na zamocowanym w uchwycie półprzewodnikowym podłożu z usuniętą warstwą tlenku osadza się warstwę buforową tak, by był widoczny obraz dyfrakcyjny RHEED, następnie podłoże z tą warstwą schładza się do temperatury ~100°C poniżej temperatury sublimacji warstwy desorpcyjnej i nanosi warstwę desorpcyjną o grubości ~100 nm tak, by zanikł obraz RHEED, po czym podłoże z tymi warstwami chłodzi się, wyjmuje z komory wzrostu, lutuje na molibloku z gniazdem na termoparę i przenosi do komory załadowczej, następnie w warunkach ultrawysokiej próżni powoli podgrzewa się podłoże i rejestruje się przy pomocy termopary temperaturę Td desorpcji warstwy desorpcyjnej, w drugim etapie podłoże z tego samego materiału mocuje się w uchwycie w komorze wzrostu i na tym podłożu osadza się warstwę buforową tak, by był widoczny obraz RHEED, następnie podłoże z tą warstwą schładza się do temperatury ~100°C poniżej temperatury sublimacji warstwy desorpcyjnej i nanosi się warstwę desorpcyjną o grubości ~100 nm, po czym podnosi się temperaturę Tf pieca grzewczego w komorze do wartości, przy której pojawia się obraz RHEED i przy tej temperaturze dobiera się emisyjność ε pirometru zamontowanego w urządzenia MBE tak, by pirometr wskazywał znaną z pierwszego etapu temperaturę desorpcji Td warstwy desorpcyjnej i określał rzeczywistą temperaturę podłoża Ts w swoim zakresie pomiarowym.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszym etapie, na półprzewodnikowym podłożu GaSb z usuniętą warstwą tlenku osadza się warstwę buforową GaSb, a po schłodzeniu do temperatury ~200°C nanosi się warstwę desorpcyjną Sb o grubości ~100 nm, po czym podłoże chłodzi się, wyjmuje z komory wzrostu, lutuje na molibloku z gniazdem na termoparę i przenosi do komory załadowczej, gdzie w warunkach ultrawysokiej próżni podgrzewa się je i rejestruje przy pomocy termopary temperaturę Td desorpcji warstwy Sb, a w drugim etapie podłoże GaSb mocuje się w uchwycie w komorze wzrostu, usuwa warstwę tlenku, osadza warstwę buforową GaSb, następnie schładza się do temperatury ~200°C i nanosi warstwę desorpcyjną Sb o grubości ~100 nm, po czym podnosi się temperaturę Tf pieca grzewczego w komorze do wartości, przy której pojawia się obraz dyfrakcyjny, a następnie przy tej temperaturze dobiera się emisyjność ε pirometru w urządzeniu MBE tak, by pirometr wskazywał znaną z pierwszego etapu temperaturę desorpcji Sb równą Td i określał rzeczywistą temperaturę podłoża Ts w swoim zakresie pomiarowym.