Эллипсометрия  процессов молекулярно-лучевой эпитаксии Hg1-xCdxTe (19.07.2010)

Автор: Швец Василий Александрович

:; последующее термоциклирование дает воспроизводимые изменения параметров ( и (, из которых были рассчитаны температурные зависимости оптических постоянных GaAs:

n(T) = 3.846 + 10-4(T+7(10-7T2, (8)

k(T) = 0.196+2(10-4T+2(10-4T2. (9)

Также были измерены и уточнены диэлектрические функции ZnTe, который играет роль буферного слоя при эпитаксии КРТ. При исследовании спектров пленок этого материала вблизи края поглощения, нами было обнаружено некоторое несоответствие между результатами расчета диэлектрической функции (2, полученными двумя способами: по амплитуде интерференционных осцилляций псевдодиэлектрической( функции и по среднему ее значению. Установлено, что причина такого несоответствия – наличие поверхностного слоя (предположительно связанного с микрошероховатостью). В результате сформулирован критерий самосогласованности спектров, согласно которому чем меньше расхождение между двумя способами вычислений (2, тем более совершенна граница раздела. Применение этого критерия позволило численно «удалить» поверхностный слой и определить объемные значения диэлектрической функции во всем диапазоне спектра, а не кажущиеся, искаженные неидеальной границей раздела.

Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальному изучению процессов роста структур и разработке комплекса эллипсометрических методик, направленных на создание in-situ контроля параметров выращиваемых структур и технологических параметров роста.

Кристаллическое совершенство фоточувствительного слоя КРТ определяется качеством подготовки подложки и качеством выращенных буферных слоев. Структурные дефекты подложки могут привести к образованию прорастающих дислокаций и к заметному ухудшению фотоэлектрических свойств эпитаксиальных слоев. Обнаруженная экспериментально в предыдущей главе корреляция между скачком параметра ( при прогреве GaAs и слетом оксидов была положена в основу метода контроля предэпитаксиальной термической очистки подложек. Такой контроль позволил наблюдать очистку поверхности от оксидов и избежать нежелательного ее огрубления при перегреве.

Были детально исследованы буферные слои теллурида цинка, изучены их свойства в зависимости от условий роста и установлены адекватные оптические модели. Для лазерной длины волны поглощение в ZnTe отсутствует или очень мало. Это накладывает свою специфику при проведении эллипсометрических измерений, так как глубина проникновения света практически не ограничена и результаты измерений интегрально зависят от предыстории процесса.

Изучение начальных стадий формирования слоев ZnTe на подложках GaAs(310) и Si(013) выявило островковый характер роста. Для описания таких слоев применима модель эффективной среды, с помощью которой исследовалась кинетика начальных стадий роста. Установлено, что скорость выглаживания поверхности тем выше, чем ниже температура подложки. С ростом толщины слоя эллипсометрические параметры описывают в (-( плоскости квазициклическую кривую спирального вида (кривую роста). Путем моделирования установлено, что наблюдаемое смещение витков спирали вдоль оси ( связано с развитием микрорельефа поверхности. Смещение вдоль оси ( определяется интегральным поглощением в выросшем слое K=?kf(z)dz и практически не зависит от профиля распределения kf(z). Эмпирическая формула, которая описывает это смещение, имеет вид (((K)=8.4+6.4(exp(-K/48), где интегральное поглощение K выражено в нанометрах, а (( - в градусах.

Экспериментальные исследования показали, что поглощение в пленке ZnTe возникает из-за мелкодисперсной фазы металлического Ga, который проникает из подложки, приводит к возникновению дефектной структуры и может содержаться в пленке при отклонении от оптимальных условий роста или при неправильно подготовленных подложках арсенида галлия. С помощью разработанной эллипсометрической методики были найдены оптимальные температуры выращивания буферных слоев ZnTe, пригодных для дальнейшего выращивания высококачественных фоточувствительных структур.

В отличие от ZnTe слои КРТ с самого начала растут сплошными. На рис.2 показаны две экспериментальные кривые ( и ?, измеренные в процессе роста КРТ с составами, близкими к х=0.2. Сравнение экспериментальных точек с расчетной кривой, откалиброванной по толщине, позволяет измерить скорость роста. При оптимальных условиях роста экспериментальные точки (светлые символы) хорошо описываются расчетной кривой. Если же условия роста (плотность молекулярных потоков, температура подложки) отклоняются от оптимальных, то наблюдается смещение экспериментальных точек (темные символы) в сторону меньших значений (, которое связано с развитием микрорельефа поверхности. Установлена корреляция между морфологией поверхности и кристаллической структурой растущего слоя. Такая корреляция позволила корректировать условия роста на самых ранних стадиях возникновения дефектов и избежать их дальнейшего разрастания.

Состав растущего слоя определялся по положению конечной точки экспериментальной кривой. Методика основана на представленных выше зависимостях (6), (7), которые были скорректированы на температуру роста. Таким путем удается поддерживать состав КРТ с точностью (х=(0.001 в течение всего процесса роста, а также контролируемо изменять его по толщине слоя.

Один из важных технологических параметров – температура поверхности роста. Для контроля температуры в условиях вакуумной камеры предложен модифицированный эллипсометрический метод, основанный на зависимости фазовой толщины тестового образца от температуры. Производная от фазовой толщины слоя по температуре имеет вид

, (10)

где Nf , d – комплексный показатель преломления и толщина слоя, ( - угол падения света. Второе слагаемое в (10) неограниченно возрастает с ростом толщины слоя, что позволяет добиться рекордно высокой чувствительности к изменению температуры при соответствующем выборе материала слоя и его толщины. На рис. 3 показаны экспериментальные зависимости параметра ( от температуры для некоторых структур с оптимизированными толщинами слоев. Экспериментально на образцах ZnTe/GaAs (dZnTe=1.7 мкм) была достигнута пороговая чувствительность 0.1(. С помощью такого метода были откалиброваны температурные режимы установки роста.

В заключительном разделе 4-й главы излагаются результаты, связанные с разработкой альтернативных композиционных подложек для слоев КРТ. Одним из принципиальных моментов технологии альтернативных подложек является контролируемое выращивание слоев Cd1-zZnzTe заданного состава. Для решения этой проблемы использовались спектральные эллипсометрические измерения. С этой целью камера роста была оснащена соответствующей аппаратурой. Измерения показали, что наибольшая чувствительность к составу обнаруживается вблизи края поглощения. Для количественной обработки измеренных спектров была разработана параметрическая модель диэлектрических функций Cd1-zZnzTe, описывающая зависимость (1,2 от длины волны и состава. Обратная задача решалась путем оптимизации состава при подгонке измеренных и рассчитанных спектров. Измерения на тестовых структурах и сравнение полученных результатов с данными спектров фотолюминесценции показали, что точность определения состава эллипсометрическим методом не хуже (z=0.006 и удовлетворяет требованиям технологии.

В пятой главе представлены методические разработки, направленные на решение обратной задачи для многослойных структур и оптически неоднородных слоев. Наиболее простая постановка обратной задачи предполагает, что известны зависимости эллипсометрических параметров от толщины растущего слоя: (=((z), (=((z). По этим зависимостям можно найти оптических постоянных слоев. Нами был предложен и реализован алгоритм численного решения задачи в такой постановке.

Рассмотрена задача отражения света от слоев с постоянным градиентом состава. Градиентная среда эквивалентна однородной с некоторыми эффективными значениями оптических постоянных, которые зависят от величины градиента и значения состава на поверхности. Рост слоя с постоянным градиентом сопровождается плавным изменением эллипсометрических параметров. Скачок градиента при этом равнозначен появлению оптической границы раздела и приводит к возникновению интерференционных осцилляций эллипсометрических параметров.

) получено приближенное выражение:

- эллипсометрические параметры, описывающие отражение света от верхнего слоя в отсутствии градиента (нулевое приближение). Анализ выражения (11) показывает, что для градиентных слоев КРТ при заданной длине волны (=632.8 нм и диапазоне углов падения вблизи 70( поправка будет только для параметра (, в то время как параметр ( остается практически неизменным. Этот вывод имеет практическое значение, так как для контроля состава используется именно параметр (.

, (12)

Rp,s – комплексные коэффициенты отражения.

Метод эффективной подложки позволяет упростить расчеты, а также играет важную методическую роль, так как показывает отсутствие накопления ошибок при расчете многослойных структур. Эта проблема наиболее актуальна при формировании многослойных периодических структур (сверхрешеток), состоящих из нескольких десятков слоев. Для таких структур получено аналитическое решение прямой задачи эллипсометрии. Комплексные коэффициенты отражения находятся из решения следующих квадратных уравнений:

, (13)

, (14)

Здесь rp,s – коэффициенты Френеля, X1,2 – экспоненциальная функция фазовой толщины. Таким образом, коэффициенты Ap,s, Bp,s и Cp,s выражаются через оптические константы слоев N1,2 и их толщины d1,2.

Анализ полученных соотношений в приближении малых толщин слоев показывает, что в первом порядке разложения d/( периодическая структура эквивалентна одноосному кристаллу с оптической осью, направленной по нормали к границам раздела. Второй порядок разложения дает изменения эллипсометрических параметров в (-( плоскости при наслаивании, которые представляют характерную циклическую траекторию.

При решении обратных эллипсометрических задач полезную информацию можно получить, если помимо эллипсометрических параметров известны также и комплексные коэффициенты отражения структуры. В работе предложен и обоснован алгоритм определения комплексных коэффициентов отражения из анализа кинетических зависимостей эллипсометрических параметров, полученных в процессе формирования на исследуемой структуре однородного тестового слоя. Проведенное численное моделирование показало, что при наличии достаточного количества экспериментальных точек точность определения как амплитуды, так и фазы для коэффициентов отражения Rp,s оказывается того же порядка, что и для самих эллипсометрических параметров. Столь высокая точность достигается в том случае, когда при формировании тестового слоя парциальные волны, отраженные от его нижней и верхней границ, оказываются в противофазе или близко к выполнению этого условия.

В шестой главе рассмотрено практическое применение методических разработок, полученных в главе 5. Зависимость ширины запрещенной зоны КРТ от состава открывает широкие перспективы для проектирования и выращивания методом МЛЭ структур с уникальными физическими характеристиками в едином технологическом процессе. С использованием in-situ эллипсометрического контроля были выращены встроенные в матрицу КРТ тонкие однородные слои с меньшим значением состава (квантовые ямы) и с большим (потенциальные барьеры). Расчетная траектория и экспериментальные точки, полученные в процессе формирования потенциального барьера, показаны на рис.4. Участок SA соответствует росту барьерного слоя. Излом траектории в точке А свидетельствует о резкой границе раздела Из эллипсометрических измерений удается определить состав с точностью до 0.002 мольных долей, а толщину - до 0.1 нм.

Последовательно применяя такую методику контроля были выращены квантовые ямы со сложным профилем состава, для которых наблюдался эффект размерного квантования носителей. Также выращивали многослойные периодические структуры, составленные из слоев КРТ чередующихся составов. Как и следовало из теоретического рассмотрения, траектория эллипсометрических параметров при выращивании таких структур после нескольких циклов наслаивания представляет собой циклическую замкнутую кривую с точками излома на границах слоев. Детальный анализ этой траектории позволил определить толщины слоев, их состав, а также обнаружил переходную по составу область при формировании узкозонного слоя.

Для фундаментальных и прикладных исследований большой интерес представляют квантовые ямы толщиной (10 нм с асимметричным градиентным распределением состава. Согласно теоретическим предсказаниям их свойства могут зависеть от заселенности носителями. При выращивании таких структур применение традиционного анализа эллипсометрических измерений в координатах (-( не дает желаемой точности измерения состава. Это проявляется во взаимной корреляции толщины и градиента состава, при этом линии номограмм, соответствующие разному градиенту, практически сливаются в одну.

При непрерывном мониторинге с учетом высокого быстродействия эллипсометрической аппаратуры можно помимо эллипсометрических параметров измерять с высокой точностью их относительную производную d(/d(. Был разработан дифференциальный метод анализа экспериментальных данных, основанный на представлении результатов эксперимента в координатной плоскости «d(/d( - параметр (». Это позволило в несколько раз увеличить чувствительность метода к измерению градиента состава и идентифицировать границу раздела между однородным и градиентным слоем.

При полном эллипсометрическом контроле была выращена структура, проектируемый профиль состава которой показан на рис.5 сплошной линией. На рис.6 показаны экспериментальные результаты и номограмма для градиентного участка CD, построенная в

координатах «производная d(/d( - (». Сплошные линии соответствуют постоянным значениям градиента g=dx/dz, который показан числами на рисунке, пунктирные - постоянной толщине (указана в нанометрах). В отличие от номограммы в ( - ( координатах в данном представлении кривые хорошо разделяются, и это позволяет с высокой точностью восстановить профиль состава, который показан на рис. 5 символами. Достижение представленных результатов оказалось возможным благодаря высокому быстродействию используемой эллипсометрической аппаратуры (до 1000 измерений в секунду). За счет большого количества экспериментальных точек удается сгладить шумы при вычислении производных и добиться требуемой точности расчетов.

Еще один пример сложной структуры – пленки анодного окисла КРТ. В результате исследования была установлена оптическая модель для этой системы. На рис. 7 приведены результаты измерений для серии образцов с различной толщиной пленок анодного окисла. С использованием описанного в главе 5 алгоритма был рассчитан фактор однородности подложки. Полученное значение Ф=0.006+i(0.017 указывает на существование переходного слоя между пленкой и подложкой, который может возникать либо при обработке поверхности, либо в процессе окисления. Для модифицированной поверхности подложки, учитывающей переходный слой, удается добиться хорошего совпадения между экспериментом и расчетной кривой (пунктирная кривая на рисунке), однако при этом приходится учитывать поглощение в пленке. Наилучшее совпадение расчетов с экспериментом получается, если помимо переходного слоя учитывать также оптически менее плотный поверхностный слой. В рамках такой модели найдены оптические постоянные анодного окисла и исследована их зависимость от температуры электролита.

Рисунок 7.

Результаты измерений для пленок анодного окисла на КРТ. Сплошные линии – расчетная номограмма для однослойной модели (цифры возле кривых - показатель преломления пленки), символы – эксперимент. Пунктирная линия – расчет по однослойной модели

для модифицированной подложки КРТ.

В заключении сформулирована научная проблема, которая решена в диссертационной работе. Она заключается в разработке базовых основ и общих принципов применения методов оптической эллипсометрии для комплексной in situ диагностики процессов молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур КРТ. В рамках решения этой проблемы проведен цикл теоретических и экспериментальных исследований по взаимодействию поляризованного монохроматического света с многослойными гетероэпитаксиальными структурами и с поляризующими оптическими элементами экспериментальной установки. В результате этих исследований развиты и предложены новые подходы для решения ряда ключевых задач технологии МЛЭ КРТ, включая задачу контролируемого выращивания квантовых наноразмерных структур. Тем самым обоснована новая область применения эллипсометрической диагностики для полного контроля технологических процессов на всех стадиях создания полупроводниковых структур на основе соединения КРТ.

Основные выводы работы:

Рассчитаны систематические погрешности измерения эллипсометрических параметров, обусловленные несовершенствами оптических элементов, а также ошибками их юстировки и предложены способы частичного или полного устранения погрешностей путем проведения измерений при нескольких конфигурациях элементов.


загрузка...