Схема реактора для одержання епітаксіальних плівок наведена на рисунку 7.10

Епітаксіальне вирощування плівки металу, наприклад, кремнію з парогазової фази звичайно проводять у реакторі, виготовленому зі скловидного кварцу, на поміщеному всередині нього п'єдесталі (підкладкотримачі). П'єдестал служить для установки підкладок і їхнього нагрівання під час процесу. Вирощування кремнію проводиться в потоці парогазової суміші при високих температурах.

Кварцовий реактор Відпрацьований -------------→ газ Силан ------→ Водень

Рис. 7.10. Схема реактора для епітаксії з паро-газової суміші: 1- тримач; 2- кремнієва пластина; 3- плівка

Для вирощування епітаксіального кремнію використовується один із чотирьох реагентів, що містять кремній, (тетрахлорид кремнію - SiCl4, трихлорсилан - , дихлорсилан - і силан - ) і водень. За таких умов можливе протікання хімічних реакцій типу

Газ розкладається на поверхні пластини й на неї осаджуються атоми кремнію. Розкладання компонентів, що містять кремній, відбувається піролітично, тобто тільки за рахунок тепла. Швидкість росту плівки пропорційна парціальному тиску силану. Всі речовини, що надходять у реактор, є газами, звідси й назва "хімічне осадження з газової фази".

Формування епітаксіальних плівок здійснюється при ламінарному плині газу по трубі, тобто коли число Рейнольдса менше критичного значення ,

, (7.1)

де - діаметр труби реактора,

- швидкість плину газу,

- щільність газу,

- коефіцієнт в'язкості газу.

При конструюванні реактора необхідно враховувати, що в міру просування вглиб труби швидкість руху газу в області біля стінки шириною y падає, а температура відповідно росте (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Утворення прикордонного шару в горизонтальному реакторі

Це й визначає швидкість реакції на поверхні, оскільки саме через прикордонний шар вихідні реагенти переносяться з газового потоку до поверхні, а продукти реакції дифундують у зворотному напрямку, віддаляючись потім основним потоком газу. Потік реагентів J від поверхні підкладки або назад задається рівнянням:

або (7.2)

, (7.3)

де і - концентрація реагентів у газовому потоці й поблизу поверхні відповідно,

· - коефіцієнт дифузії реагенту в газовій фазі, що є функцією тиску й температури,

· - потік реагентів, що характеризує кількість молекул, що проходить через одиницю площі за одиницю часу,

· - градієнт концентрації реагентів,

· у – потік реагентів до поверхні.

При конструюванні реактора в першу чергу повинен бути врахований вплив величини y на процеси масопереносу. Оскільки величина y, що визначає потік реагентів до поверхні, обернено пропорційна швидкості потоку газу, то для досягнення однорідності швидкості росту епітаксіальної плівки по довжині реактора при заданій температурі необхідно підбирати оптимальне значення товщини прикордонного шару, погоджене зі зміною температури й концентрації реагентів. Цього можна досягти, наприклад, шляхом зміни потоку газу в реакторі (тобто числа Re). Таким чином, змінюючи число Рейнольдса, можна варіювати швидкість потоку газів і швидкість росту плівки одночасно й домогтися умов рівномірності (рис. 7.12).

Наприклад, для труби діаметром звичайна швидкість плину газу становить , а значення

(7.4)

менше, ніж половина діаметра труби (x - відстань уздовж осі реактора).

Рис. 7.12. Залежність швидкості росту плівки від відстані уздовж підкладкотримача

Для одержання монокристалічної плівки необхідно досить сильно нагріти пластину так, щоб атоми кремнію, що осаджуються, могли переміщатися в положення, у яких би вони утворювали з підкладкою ковалентні зв'язки. При цьому атоми повинні встигнути продовжити монокристалічні ґрати до того, як вони будуть накриті наступними шарами атомів, що осаджуються. Це відбувається при температурах процесу від 900 °С до 1250 °С. Звичайно швидкість росту епітаксіальної плівки становить величину порядку декількох мікрометрів у хвилину.

Механізми нарощування епітаксіальних плівок. Виділяють прямі й непрямі механізми. Непряме нарощування відбувається, коли атоми кремнію утворяться за рахунок розкладання кремнієвих сполук на поверхні нагрітої підкладки. Пряме нарощування відбувається, коли атоми кремнію безпосередньо попадають на поверхню підкладки й осаджуються на ній, як це має місце при молекулярно-променевій епітаксії (рис. 7.13).

При відповідних умовах осадження атоми кремнію, рухаючись по нагрітій поверхні, займають положення, що відповідають кристалічній структурі підкладки.

Рис. 7.13. Схема реактора для МЛЕ кремнію (пряме нарощування кремнію на підкладці): 1 - екран; 2 - основа з водяним охолодженням; 3 - нитка розжарення джерела; 4 - електронний пучок; 5 - електростатичний екран (-V); 6 - твердий кремній; 7 - розплавлений кремній; 8 - пари кремнію; 9 - тримач підкладки; 10 - кремнієва підкладка; 11 - нитка підігріву підкладки; 12 - електронний пучок

Іншими словами епітаксіальне нарощування полягає в утворенні центрів кристалізації й послідовному формуванні двовимірних ґрат з острівців, що ростуть уздовж поверхні. Процес епітаксіального нарощування на поверхні пластини (рис. 7.14) відбувається в наступній послідовності:

Рис. 7.14. Формування шару кремнію на підкладці

· масопередача молекул, що вступають у реакцію, за допомогою дифузії з турбулентного потоку через граничний шар до поверхні кремнію;

· адсорбція молекул поверхнею;

· процес реакції на поверхні;

· десорбція продуктів реакції;

· масопередача молекул продуктів реакції за допомогою дифузії через граничний шар до основного потоку газу;

· упорядкування адсорбованих атомів кремнію в ґратах.

Результуюча швидкість росту плівки визначається самим повільним процесом у наведеній вище послідовності. У рівноважних умовах всі процеси протікають із однаковими швидкостями й епітаксіальний шар росте рівномірно.

Енергія активації процесу дорівнює приблизно 5 еВ і відповідає енергії активації самодифузії кремнію. Спроба збільшення швидкості росту плівки вище оптимального значення, що залежить від температури, приводить до росту полікристалічної плівки (зменшується час поверхневої міграції й відбувається вбудовування кремнію в довільні, а не тільки кристалографічно сприятливі місця).

Легування при епітаксії. Для легування використовуються гідриди домішкових елементів, наприклад арсин AsH₃, диборан B₂H₆, фосфін PH₃. Процеси, що відбуваються на поверхні кремнію при осадженні:

- адсорбція миш'яку на поверхні;

- дисоціація молекул;

- вбудовування миш'яку в зростаючий шар.

Швидкість росту плівки впливає на кількість домішок, що вбудовується в електронний шар, тому що зі збільшенням швидкості не досягається рівновага між твердою й газоподібною фазами реагуючих речовин. Якщо потік легуючої домішки в реактор різко перервати, це не приведе до швидкої зміни рівня легування, що вказує на більшу інертність процесу легування.

Процес впровадження в епітаксиальний шар домішкових атомів із пластини називається автолегуванням. Розрізняють макроавтолегування, коли небажані легуючі атоми переміщаються усередині реактора від однієї пластини до іншої, і мікроавтолегування, коли сторонні домішкові атоми впроваджуються в локальні області епітаксіального шару тої ж самої пластини.

Технологічне встаткування. При організації технологічного процесу особлива увага приділяється техніці безпеки. Можливий вибух або загоряння водню, спостерігається сильна корозія, обумовлена наявністю в технологічному циклі HCl, має місце висока токсичність легуючих газів (концентрація аксину AsH₃ величиною 0,025% приводить до смертельного результату).

Загальний вид і схема технологічної установки наведені на рис. 7.15, 7.16. В якості реактора використовується кварцова труба з холодними стінками (примусове охолодження). Пластини розташовуються на підкладкотримачеві, який є одночасно нагрівачем індукційного типу. Він виготовляється із графіту, що нагрівається добре у ВЧ полі і покривається шаром Si для зменшення взаємодії з парами HCl.

	скрубер реактор газорозпод. пристрій викидання в атмосферу електроенергія Охолодження
Рис. 7.15. Загальний вид технологічної установки для одержання епітаксіальних плівок	Рис. 7.16. Схема технологічної установки

Скрубер, що має більшу площу зіткнення з водою, використовується для видалення продуктів реакції, що не прореагували. Температура в реакторі виміряється оптичним пірометром, а витрата газу - ротаметром.