Осаждение карбида кремния на инородную диэлектрическую подложку
Изолирующая подложка представляет интерес для технологии получения гетероструктур различного функционального назначения. Учитывая традиционно высокие при получении ориентированных слоев SiC температуры подложки, а также агрессивность кремнийсодержащих компонентов и восстановительные свойства углеводородов, в качестве базовой технологии низкотемпературного получения карбида кремния было выбрано реактивное ионно-плазменное осаждение.
Нанесение слоев осуществлялось в системе, оснащенной высоковакуумной камерой, турбомолекулярным насосом и магнетронными системами распыления. В качестве источника атомно-молекулярного потока использовались поликристаллическаяSiC-мишень и композиционная (Si + C)-мишень (при распылении в инертном газе), а также Si-мишень (при распылении в аргон-метановой газовой смеси). Остаточное давление составляло10–3-10–4 Па.
Пленки SiC получали в диапазоне температур от20 до 1200 °С, на подложках из различных материалов (Si, SiC, Al2O3, AlN, SiO2, Si3N4) с различной кристаллической структурой и ориентацией [10].
Была разработана модель, описывающая технологию реактивного ионно-плазменного осаждения SiC, проанализированы процессы, происходящие на поверхности распыляемой мишени, а также механизмы структурного и химического упорядочения на поверхности роста. С целью обеспечения процессов получения структурно упорядоченного стехиометрического SiС были детально проанализированы адсорбция реактивного газа на поверхности мишени, разложение реакционного газа в плазме, перераспыление, формирование потоков компонентов к подложке, пиролиз реакционного газа на поверхности подложки, бомбардировка высокоэнергетичными частицами, а также условия ад- сорбционно-десорбционного равновесия [11].
Анализ этих факторов и установление количественных взаимосвязей между параметрами процесса и свойствами синтезируемых пленок SiC позволил более эффективно управлять процессами химического и структурного упорядочения SiC на инородной подложке [12].
64
Было определено влияние температуры подложки и скорости роста пленок на их структурное и химическое упорядочение. Так, при температуре подложки от 20 до 350 °С образование химических связей обусловлено случайными процессами встраивания адсорбированных атомов. В этом диапазоне температур получены аморфные структуры метастабильной фазы твердого раствора «Si – C» переменного состава.
А в диапазоне температур 350–700 °С получены поликристаллические слои SiC, а также SiC в механической смеси с избыточным компонентом потока (рис. 13).
Cij, |
|
|
|
|
|
о. е. |
|
|
|
|
|
1,00 |
|
|
|
|
|
0,75 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,50 |
Аморфная |
|
Образование |
|
|
|
|
|
|
||
|
фаза |
|
поликристаллической |
|
|
|
|
|
структуры |
|
|
0,25 |
|
|
2 |
3 |
|
|
|
|
|
||
0 |
100 |
Ткр |
200 |
300 |
T, ºC |
Рис. 13. Зависимость доли связей Cij |
в пленке SiC от температуры подложки: |
||||
|
1 – Si–C; 2 – Si–Si; 3 – C–C |
|
|
||
При этом скорость роста слоев не зависела от температуры подложки и определялась потоком частиц к подложке. При температурах 700–950 °С решающее влияние начинает оказывать кинетика процессов на ростовой поверхности. В этом диапазоне температур наблюдается образование пленок SiC с упорядоченной кристаллической структурой на монокристаллической подложке (рис. 14).
65
а |
б |
в г
Рис. 14. Последовательность изменения структуры пленки SiC
стемпературой при осаждении на (10 12)-подложки из сапфира
(без подслоя): а – 100 °C; б – 600 °C; в – 800 °C; г – 900 °C
Сувеличением температуры подложки происходит уменьшение скорости роста и увеличение доли углерода в составе пленки из-за избыточной десорбции кремния с поверхности роста. Введение избыточного кремния в поток частиц, поступающих на подложку, способствует самостабилизации стехиометрического состава пленки в данном -ин тервале температур (рис. 15).
Добавка углеродсодержащего газа(метана) приводит к пропорциональному увеличению доли углерода в пленках(через графитизацию мишени и выделение в поток активных радикалов из области раз-
ряда). При температуре подложки свыше800 °С значительная часть углерода поступает в результате пиролиза метана на поверхности подложки. При этом диапазон стабилизации стехиометрического состава пленки находится при более высоких температурах подложки [13].
Самостабилизация стехиометрического состава пленки при некоторой вариации технологических параметров связана с различием эффективных энергий десорбции (адсорбции) компонентов на поверхностях роста, обогащенных кремнием или углеродом. В этом диапазоне состав пленки и ее структура чувствительны к дефектам поверхности
66
V , |
|
|
|
мкм ч |
1 |
|
|
|
|
|
|
0,8 |
|
|
|
|
3 |
|
|
0,4 |
|
|
|
|
2 |
|
|
0 |
400 |
800 |
T, ºC |
|
а |
|
|
CSi/CC, |
3 |
|
|
o. e. |
|
|
|
|
1 |
|
|
1,0 |
|
|
|
0,8 |
2 |
|
|
|
|
|
|
0,6 |
|
|
|
0,4 |
|
|
|
0,2 |
|
|
|
0 |
400 |
800 |
T, ºC |
|
б |
|
|
Рис. 15. Зависимость скорости роста (а) и элементного состава (б) слоев SiC |
|||
от температуры подложки при различном соотношении основных компонентов |
|||
в потоке: ○ – слои с избытком Si; □ – слои близкие к стехиометрическому |
|||
составу SiC; ● – слои с избытком С:1 – Si/С = 1; 2 – Si/С = 0,7; 3 – Si/С = 1,2 |
|||
|
67 |
|
|