Способ определения скорости роста полупроводниковых пленок и устройство для его осуществления

 

Сущность: генератор 9 синхронно с вращением подложкодержателя 4 вырабатывает импульсы, отпирающие пушку 5 быстрых электронов, которая вырабатывает импульсы с периодом, равным периоду вращения подложки. Дифрагированный пучок электронов регистрируется детектором 6. Фильтр 10 выделяет из зарегистрированного детектором 6 дискретного сигнала низкочастотную составляющую, несущую информацию об изменении интенсивности дифрагированного с электронного пучка, по которому судят о скорости роста полупроводниковой пленки. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технологии выращивания тонких пленок и может быть использовано в молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) для контроля скорости роста полупроводниковых пленок.

Одной из ведущих тенденций современного этапа развития физики и техники полупроводников является все более широкое исследование и применение полупроводниковых пленочных структур со сверхтонкими составляющими слоями, изготавливаемыми методом МЛЭ, например, гетероструктуры, сверхрешетки. Дальнейший прогресс в технологии МЛЭ обусловлен возможностями воспроизводимого выращивания однородных по свойствам и толщине сверхтонких полупроводниковых слоев на подложках максимальной площади.

Для воспроизводимого выращивания должен быть обеспечен оперативный контроль скорости роста пленки по всей площади подложки на уровне 1 монослой/с. Однородность свойств и толщины выращиваемых слоев по площади подложки обеспечивает проведением процесса МЛЭ на вращающейся подложке.

Известен способ измерения скорости роста полупроводниковых эпитаксиальных пленок, заключающийся в облучении поверхности роста пленки высокоинтенсивным пучком света с энергией квантов вблизи порога фотоэмиссии и измерении периода осцилляций тока фотоэмиссии с освещенной поверхности эпитаксии [1] .

Один период осцилляций тока фотоэмиссии соответствует наращиванию на поверхности полупроводника одного монослоя атомов. Если длительность одного периода осцилляций Т с, то скорость роста V_р = 1/Т монослой/с. Данный способ позволяет измерять скорость роста МЛЭ на неподвижной подложке или в центре вращающейся подложки.

Недостатками описанного способа являются трудности измерения распределения скорости роста по поверхности неподвижной подложки, связанные с необходимостью получения острофокусированного, высокоинтенсивного коротковолнового оптического луча, перемещаемого по поверхности подложки. В случае вращающейся подложки измерения проводятся в центре подложки из-за мешающего сигнала, обусловленного вращением подложки.

Также отрицательное влияние на процесс эпитаксии вызывает фотостимулированная адсорбция примесей из атмосферы остаточных газов вакуумной камеры установки МЛЭ.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения скорости роста полупроводниковых пленок, заключающийся в облучении поверхности роста пучком быстрых электронов, детектировании отраженного от поверхности роста дифрагирован- ного электронного пучка и измерении периода колебаний электрического сигнала, полученного в результате детектирования [2] .

Устройство для осуществления известного способа представляет собой вакуумную камеру с молекулярными источниками, заслонками и подложкодержателем с подложкой, в которой установлены пушка быстрых электронов, подключенная к блоку управления, и детектор отраженного электронного луча (например, флюоресцентный экран и фотоприемник), причем пушка и детектор размещены относительно подложки так, что электронный луч падает на поверхность роста под скользящим углом и обеспечивает выполнение условий Вульфа-Брэггов, а отраженный дифрагированный пучок электронов попадает на вход детектора (изображение одного из рефлексов картины дифракции быстрых электронов (ДБЭ) на флюоресцентном экране преобразуется фотоприемником в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности отраженного электронного луча). Выход детектора соединен с входом блока регистрации [2] .

Во время эпитаксии интенсивность отраженного электронного луча и, следовательно, сигнал на выходе детектора осцил- лируют с периодом Т, равным времени наращивания одного монослоя атомов полупроводника. Скорость роста определяется так же, как и в первом способе измерения, с помощью блока регистрации (в качестве которого может быть использован самописец, цифровой осциллограф или вычислительное устройство).

Недостатками известных способа и устройства являются ограничение области применения, обусловленное невозможностью измерения скорости роста по поверхности вращающейся подложки (так как при вращении подложки облучению пучком быстрых электронов подвергаются все время разные участки растущей пленки), и загрязнение выращиваемой пленки, связанное с неконтролируемым внедрением примесей (кислород и углерод) в месте облучения из атмосферы остаточных газов вакуумной камеры установки МЛЭ, Цель изобретения - расширение области применения способа за счет обеспечения измерения скорости роста на вращающейся подложке и повышение качества выращиваемых структур за счет уменьшения неконтролируемого внедрения примесей в растущие слои в процессе измерений.

Это достигается тем, что в способе измерения скорости роста полупроводниковых пленок, заключающемся в облучении поверхности роста пленки пучком быстрых электронов, детектировании отраженного от поверхности роста дифрагированного электронного пучка, измерении периода колебаний электрического сигнала, полученного в результате детектирования и определении по измеренному периоду скорости роста пленки, облучение поверхности роста пленки производят импульсно с периодом, равным периоду вращения подложки, в моменты времени, соответствующие попаданию пучка быстрых электронов на контролируемый участок поверхности роста вращающейся подложки, а электрический сигнал ограничивают по ширине частотного спектра диапазоном F = 0 - F_b, причем длительность импульсов облучения t_u и граничную частоту F_b выбирают из условий: t_u ; F_b = V_{р макс} , где d - ширина отраженного от поверхности роста электронного пучка в плоскости детектирования; l - расстояние от центра подложки до плоскости детектирования; V_{р макс} - максимальная скорость роста пленки.

Устройство для реализации способа, содержащее вакуумную камеру с размещенными в ней молекулярными источниками, снабженными заслонками, подложкодержателем с подложкой, пушкой быстрых электронов, подключенной к блоку управления, и детектором отраженного дифрагированного электронного пучка, подключенным к блоку регистрации, снабжено импульсным генератором, вход которого подключен к синхронизатору, связанному с подложкодержателем, а выход - к пушке быстрых электронов, и фильтром нижних частот, входом подключенным к выходу детектора, а выходом соединенным с входом блока регистрации.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - зависимость от времени интенсивности I_e отраженного дифрагированного пучка; на фиг. 3 - изменение во времени напряжения сигнала U_с после фильтрации.

Способ осуществляют следующим образом.

Поверхность роста в заданном месте вращающейся подложки облучается пучком быстрых электронов в дискретные моменты времени, соответствующие выполнению условий Вульфа-Брэггов. Временная зависимость интенсивности I_e отраженного дифрагированного электронного пучка и соответствующего ему электрического сигнала после детектирования представляет в этом случае последовательность импульсов, низкочастотная составляющая спектра которых несет информацию о скорости роста аналогично случаю непрерывного облучения поверхности роста.

Полученный в результате детектирования электрический сигнал в дискретной форме ограничивают по ширине частотного спектра, в результате чего он преобразуется в континуальную форму и аналогичен электрическому сигналу U_с при непрерывном облучении поверхности роста.

Скорость роста определяют по формуле: V_p= , где Т - период колебаний континуального электрического сигнала, измеренный после фильтрации.

Частота импульсов облучения определяется на основании теоремы Котельникова (4), определяющей условие точного восстановления континуального сигнала, представленного его отсчета в дискретные моменты времени. В частности, для точного восстановления синусоидального сигнала с периодом Т отсчеты должны браться не реже, чем 2 раза за период колебаний. Следовательно, при максимальной скорости V_{р макс} частота отсчетов и, следовательно, частота f импульсов облучения должны удовлетворять условию f 2V_{p макс} (1) Величина V_{р макс} имеет физические ограничения, вытекающие из принципа МЛЭ, и определяется особенностями конструкции конкретной установки МЛЭ - диаметром подложки и расстоянием ее от молекулярных источников. Величина V_{р. макс} обычно не более ~ 1 .

При этом во время вращения подложки для любой точки подложки условия дифракции могут быть выполнены по крайней мере один раз за оборот подложки, поэтому частота вращения подложки f_вр, должна быть равна частоте следования импульсов облучения, т. е. f_вр. = f.

Длительность t_u импульсов облучения задается временем, за которое при вращении подложки отраженный дифрагированный пучок пересечет приемную площадку детектора электронов, и которое определяется, исходя из угловой скорости вращения подложки = 2nf_вр, расстояния l от центра подложки до приемной площадки детектора, ширины d отраженного электронного луча на плоскости детектирования (ширину приемной площадки детектора в азимутальной плоскости полагаем равной ширине отраженного электронного луча), иначе говоря, длительность t_u импульсов определяется как время, за которое при вращении подложки с угловой скоростью = 2 f_вр конец отраженного электронного луча на приемной площадке детектора проделает путь по дуге радиуса l, равный удвоенной ширине отраженного электронного луча (удвоенной ширине рефлекса на картине ДБЭ); t_u= или t_u . (2) Нижний предел длительности импульсов облучения t_u ограничивается чувствительностью и быстродействием детектора электронов.

Устройство для осуществления способа (фиг. 1) содержит вакуумную камеру 1 с размещенными в ней молекулярными источниками 2, заслонками 3, подложкодержателем 4 с подложкой, пушкой 5 быстрых электронов и детектором 6 отраженного дифрагированного пучка. К пушке быстрых электронов подключен блок 7 управления, к подложкодержателю - вход синхронизатора 8, выход которого соединен с входом импульсного генератора 9, выход которого соединен с управляющим электродом пушки 5. К выходу детектора 6 подключены последовательно соединенные фильтр 10 нижних частот и блок 11 регистрации.

Устройство работает следующим образом. После предростовой подготовки подложки включается вращение подложкодержателя 4 и открываются для начала роста заслонки 3. Синхронизатор 8, связанный с подложкодержателем 4 (оптически или механически и т. п. ) в моменты времени, соответствующие попаданию пучка быстрых электронов на контролируемый участок поверхности роста, один раз за оборот подложки вырабатывает импульсы синхронизации, которые подаются на вход генератора 9 импульсов. Последний синхронно с вращением подложкодержателя 4 вырабатывает импульсы, отпирающие пушку 5, которая в дискретные моменты в выбранном месте подложки облучает поверхность роста пучком быстрых электронов.

Отраженный дифрагированный электронный луч (соответствующий рефлексу картины ДБЭ на флюоресцентном экране) в момент действия отпирающего импульса попадает на вход детектора 6. с выхода которого дискретный электрический сигнал поступает на вход фильтра 10 нижних частот, преобразующего сигнал из дискретной в континуальную форму. Сигнал с выхода фильтра нижних частот поступает на вход блока регистрации, с помощью которого по периоду колебаний континуального сигнала измеряется скорость роста.

Фильтр 10 нижних частот служит для выделения низкочастотной информативной составляющей из дискретного электрического сигнала. В соответствии с теоремой Котельникова (4) его частота среза выбирается из условия: F_в(щ)= V_{p макс} , где V_{р макс} - максимальная скорость роста в процессе эпитаксии.

Задавая параметры установки МЛЭ:
V_{р макс}= 1 ,
l = 250 мм.

d = 1 мм.

Находят:
Частота
импульсов
облучения f 2V_р.макс
Выбирают f = 3 (с^-1)
Число
оборотов
подложкодер-
жателя f_вр = f = 3 (с^-1)
Длительность
импульсов
облучения t_u= = 0,410^-3 (3)
Частота
среза фильтра
нижних частот F_b = Vр_.макс. = 1 (Гц)
Минимальное
время роста од-
ного монослоя T_мин= = 1 (c)
Время действия импульса облучения занимает лишь малую часть времени наращивания одного монослоя
= = 810^-4 (4)
Поэтому влияние внедрения примесей из атмосферы остаточных газов вакуумной камеры МЛЭ на качество выращиваемого полупроводника в месте облучения уменьшается.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство измерения скорости роста эпитаксиальных пленок позволяют за счет импульсного облучения поверхности роста обеспечить измерение скорости роста на вращающейся подложке и уменьшить неконтролируемое внедрение примесей в растущие слои в процессе измерений, что в конечном итоге, обеспечивает повышение качества выращиваемых тонкопленочных эпитаксиальных структур.

Формула изобретения

1. Способ определения скорости роста полупроводниковых пленок в процессе их наращивания на подложку, заключающийся в облучении поверхности роста пленки пучком быстрых электронов, детектировании отраженного от поверхности роста дифрагированного электронного пучка, измерении периода колебаний электрического сигнала на выходе детектирующего устройства и определении по измеренному периоду скорости роста пленки, отличающийся тем, что, с целью обеспечения измерения скорости роста пленки на вращающейся подложке и уменьшения неконтролируемого внедрения примесей в растущие слои в процессе измерений, облучение поверхности роста осуществляют импульсно с периодом, равным периоду вращения подложки, электрический сигнал на выходе детектира фильтруют, ограничивая его по ширине частотного спектра диапазоном F = 0 - F_в , причем длительность импульсов облучения t_и и граничную частоту выбирают из условий
t_и ; F_в= v, ,
где d - ширина отраженного от поверхности роста электронного пучка в плоскости детектирования;
l - расстояние от центра подложки до плоскости детектирования;
v_pmax - максимальная скорость роста пленки.

2. Устройство для определения скорости роста полупроводниковых пленок в процессе их наращивания на подложку, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены молекулярные источники, снабженные заслонками, подложкодержатель, пушка быстрых электронов, подключенная к блоку управления, и детектор отраженного дифрагированного электронного пучка, подключенный к блоку регистрации, отличающееся тем, что оно снабжено синхронизатором, связанным с подложкодержателем, импульсным генератором, вход которого подключен к синхронизатору, а выход - к пушке быстрых электронов, и фильтром нижних частот, вход которого подключен к выходу детектора, а выход соединен с блоком регистрации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3