Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РОСТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РОСТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РОСТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: 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.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2011973
Класс(ы) патента: G01N23/20, H01L21/203
Номер заявки: 4912130/25
Дата подачи заявки: 19.02.1991
Дата публикации: 30.04.1994
Заявитель(и): Научно-исследовательский технологический институт
Автор(ы): Кадушкин В.И.; Фомичев С.И.
Патентообладатель(и): Научно-исследовательский технологический институт
Описание изобретения: 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 Vр = 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 ΔF = 0 - Fb, причем длительность импульсов облучения tu и граничную частоту Fb выбирают из условий:
tu ;
Fb = Vр макс , где d - ширина отраженного от поверхности роста электронного пучка в плоскости детектирования;
l - расстояние от центра подложки до плоскости детектирования;
Vр 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 Ie отраженного дифрагированного пучка; на фиг. 3 - изменение во времени напряжения сигнала Uс 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 Ie 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 Uс при непрерывном облучении поверхности роста.
Скорость роста определяют по формуле:
Vp= , 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 Vр макс частота отсчетов и, следовательно, частота f импульсов облучения должны удовлетворять условию
f ≥ 2Vp макс (1)
Величина Vр макс имеет физические ограничения, вытекающие из принципа МЛЭ, и определяется особенностями конструкции конкретной установки МЛЭ - диаметром подложки и расстоянием ее от молекулярных источников. Величина Vр. 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 fвр, должна быть равна частоте следования импульсов облучения, т. е. fвр. = f.
Длительность tu 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 ω= 2nfвр, 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 tu импульсов определяется как время, за которое при вращении подложки с угловой скоростью ω= 2π fвр 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); tu= или tu . (2) Нижний предел длительности импульсов облучения tu 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:
Fв(щ)= Vp макс , где Vр макс - максимальная скорость роста в процессе эпитаксии.
Задавая параметры установки МЛЭ:
Vр макс= 1 ,
l = 250 мм.
d = 1 мм.
Находят:
Частота
импульсов
облучения f ≥2Vр.макс
Выбирают f = 3 (с-1)
Число
оборотов
подложкодер-
жателя fвр = f = 3 (с-1)
Длительность
импульсов
облучения tu= = ≈ 0,4·10-3 (3)
Частота
среза фильтра
нижних частот Fb = Vр.макс. = 1 (Гц)
Минимальное
время роста од-
ного монослоя Tмин= = 1 (c)
Время действия импульса облучения занимает лишь малую часть времени наращивания одного монослоя
δ ≅ = = 8·10-4 (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 ΔF = 0 - Fв , причем длительность импульсов облучения tи и граничную частоту выбирают из условий
tи ; Fв= v, ,
где d - ширина отраженного от поверхности роста электронного пучка в плоскости детектирования;
l - расстояние от центра подложки до плоскости детектирования;
vpmax - 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.