Низкоэнергетическое плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы ( LEPECVD ) — это метод плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы , используемый для эпитаксиального осаждения тонких полупроводниковых пленок ( кремний , германий и сплавы SiGe ). Удаленная низкоэнергетическая аргоновая плазма высокой плотности постоянного тока используется для эффективного разложения прекурсоров газовой фазы , оставляя эпитаксиальный слой неповрежденным, что приводит к высококачественным эпитаксиальным слоям и высоким скоростям осаждения (до 10 нм/с).
Подложка (обычно кремниевая пластина ) вставляется в камеру реактора, где она нагревается графитовым резистивным нагревателем с задней стороны. В камеру вводится аргоновая плазма для ионизации молекул прекурсоров, генерируя высокореактивные радикалы , которые приводят к росту эпитаксиального слоя на подложке. Более того, бомбардировка ионами Ar удаляет атомы водорода, адсорбированные на поверхности подложки, не внося структурных повреждений. Высокая реакционная способность радикалов и удаление водорода с поверхности ионной бомбардировкой предотвращают типичные проблемы роста сплавов Si, Ge и SiGe методом термического химического осаждения из паровой фазы (CVD), которые
Благодаря этому эффекту скорость роста в реакторе LEPECVD зависит только от параметров плазмы и газовых потоков, и возможно получение эпитаксиального осаждения при значительно более низких температурах по сравнению со стандартным CVD-инструментом.
Реактор LEPECVD разделен на три основные части:
Подложка размещается в верхней части камеры, лицом вниз к источнику плазмы. Нагрев осуществляется с задней стороны тепловым излучением от резистивного графитового нагревателя, инкапсулированного между двумя дисками из нитрида бора , которые улучшают однородность температуры по всему нагревателю. Термопары используются для измерения температуры над нагревателем, которая затем коррелируется с температурой подложки с помощью калибровки, выполненной с помощью инфракрасного пирометра . Типичные температуры подложки для монокристаллических пленок составляют от 400 °C до 760 °C для германия и кремния соответственно.
Потенциал пластинчатого каскада можно контролировать с помощью внешнего источника питания, влияя на количество и энергию радикалов, падающих на поверхность, и обычно он поддерживается на уровне 10–15 В относительно стенок камеры.
Технологические газы вводятся в камеру через газодисперсионное кольцо, расположенное под ступенью пластины. Газы, используемые в реакторе LEPECVD, — это силан ( SiH4 ) и герман ( GeH4 ) для осаждения кремния и германия соответственно, а также диборан ( B2H6 ) и фосфин ( PH3 ) для легирования p- и n-типа.
Источник плазмы является наиболее важным компонентом реактора LEPECVD, поскольку плазма с низкой энергией и высокой плотностью является ключевым отличием от типичной системы осаждения PECVD . Плазма генерируется в источнике, который прикреплен к нижней части камеры. Аргон подается непосредственно в источник, где танталовые нити нагреваются для создания богатой электронами среды посредством термоионной эмиссии . Затем плазма зажигается разрядом постоянного тока от нагретых нитей к заземленным стенкам источника. Благодаря высокой плотности электронов в источнике напряжение, необходимое для получения разряда, составляет около 20-30 В, что приводит к энергии ионов около 10-20 эВ, в то время как ток разряда составляет порядка нескольких десятков ампер, что дает высокую плотность ионов. Ток разряда постоянного тока можно настраивать для управления плотностью ионов, тем самым изменяя скорость роста: в частности, при большем токе разряда плотность ионов выше, поэтому скорость увеличивается.
Плазма поступает в камеру роста через анод, электрически соединенный с заземленными стенками камеры, который используется для фокусировки и стабилизации разряда и плазмы. Дальнейшая фокусировка обеспечивается магнитным полем , направленным вдоль оси камеры, которое обеспечивается внешними медными катушками, обернутыми вокруг камеры. Ток, протекающий через катушки (т. е. интенсивность магнитного поля), можно контролировать, чтобы изменять плотность ионов на поверхности подложки, тем самым изменяя скорость роста. Дополнительные катушки («воблеры») размещаются вокруг камеры, причем их ось перпендикулярна магнитному полю, чтобы непрерывно перемещать плазму по подложке, улучшая однородность осажденной пленки.
Благодаря возможности изменения скорости роста (через плотность плазмы или газовые потоки) независимо от температуры подложки, как тонкие пленки с острыми границами раздела и точностью вплоть до нанометрового масштаба при скоростях до 0,4 нм/с, так и толстые слои (до 10 мкм и более) при скоростях до 10 нм/с могут быть выращены с использованием одного и того же реактора и в одном и том же процессе осаждения. Это было использовано для выращивания волноводов с низкими потерями состава для ближнего ИК-диапазона [1] и среднего ИК-диапазона [2] и интегрированных наноструктур (т. е. стеков квантовых ям) для оптической амплитудной модуляции ближнего ИК-диапазона. [1] Возможность LEPECVD выращивать как очень острые квантовые ямы на толстых буферах на одном и том же этапе осаждения также была использована для реализации высокоподвижных напряженных каналов Ge. [3]
Другим многообещающим применением метода LEPECVD является возможность выращивания самоорганизующихся кремниевых и германиевых микрокристаллов с высоким соотношением сторон на глубоко структурированных кремниевых подложках. [4] Это решает многие проблемы, связанные с гетероэпитаксией (т. е. коэффициент теплового расширения и несоответствие кристаллической решетки), что приводит к очень высокому качеству кристаллов и возможно благодаря высоким скоростям и низким температурам, обнаруженным в реакторе LEPECVD. [5]
