En Ru
Печь для мокрого термического окисления и её применение для изготовления VCSEL
1. Введение
Открытие квантовой механики в начале XX века значительно расширило наше понимание принципов строения твёрдого тела. Это привело к многочисленным прорывам в физике, одним из которых стало открытие полупроводниковых материалов. В частности, полупроводники и их оксиды стали важными соединениями во многих областях науки и техники.
Лазеры — это оптические устройства, способные излучать когерентный и монохроматический свет, причём многие их типы основаны на полупроводниках. Лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL) являются важным типом полупроводниковых лазеров, которые в процессе изготовления обрабатываются в печи влажного термического окисления для включения слоя полупроводникового оксида в его структуру.
Данная работа состоит из двух частей. Первая часть представляет собой обзор литературы, в котором описывается теоретическая модель влажного термического окисления полупроводников и существующие печи влажного термического окисления. Вторая часть заключается в проектировании и создании новой печи влажного термического окисления, оптимизированной для изготовления VCSEL.
Лазеры — это оптические устройства, способные излучать когерентный и монохроматический свет, причём многие их типы основаны на полупроводниках. Лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL) являются важным типом полупроводниковых лазеров, которые в процессе изготовления обрабатываются в печи влажного термического окисления для включения слоя полупроводникового оксида в его структуру.
Данная работа состоит из двух частей. Первая часть представляет собой обзор литературы, в котором описывается теоретическая модель влажного термического окисления полупроводников и существующие печи влажного термического окисления. Вторая часть заключается в проектировании и создании новой печи влажного термического окисления, оптимизированной для изготовления VCSEL.
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Полупроводники можно отнести к группе материалов, электропроводность которых находится между значениями проводников и изоляторов. Элементарные полупроводники можно найти в IV группе периодической таблицы (например, Si и Ge). Бинарные полупроводниковые соединения получают смешиванием элементов III и V групп (например, AlAs, GaAs и InP), II и VI групп (например, ZnS, ZnSe и CdS) или IV и VI групп (например, PbS, PbSe и PbTe). Кроме того, существуют тройные (например, AlₓGa1-xAs, GaAs1-x Pₓ и Hg1-xCdₓTe), четверные (например, GaₓIn1-xAsᵧP1-y) и другие типы полупроводников.
Одной из особенностей полупроводников является возможность точной настройки их электрических и оптических свойств за счёт использования различных полупроводниковых соединений и их элементного состава. В результате полупроводниковая технология нашла применение в бесчисленном множестве коммерческих и промышленных приложений и стала основой современного технологического прогресса. В частности, современная электроника полностью полагается на полупроводники: интегральные схемы (ИС) и их элементы — диоды и транзисторы — обычно изготавливаются на основе кремния, в то время как оптоэлектроника и фотоника часто используют материалы на основе GaAs и InP, например, для изготовления лазерных диодов. Из-за своей кристаллической структуры полупроводниковые соединения требуют методов эпитаксиального осаждения для создания тонкоплёночных структур, используемых в электронных и оптоэлектронных устройствах. После выращивания кристаллов полупроводниковые структуры проходят множество технологических операций, таких как травление, металлизация и окисление, в зависимости от конечного назначения. Данная работа описывает процессы окисления, которые критически важны для многих технологических маршрутов обработки полупроводников.
2.1 Процессы окисления полупроводниковых материалов
Окисление — это химическая реакция, которая характеризуется потерей электронов, тогда как восстановление — это обратная реакция, определяемая приобретением электронов. Иными словами, реакцию окисления можно также определить через степени окисления: окисление — это увеличение степени окисления атома, иона или соединения, в отличие от восстановления, которое является уменьшением степени окисления. Компонент, увеличивающий свою степень окисления, называется восстановителем, а компонент, уменьшающий свою степень окисления, — окислителем. Вместе окисление и восстановление представляют собой окислительно-восстановительную реакцию, которая представляет собой перенос электронов от восстановителя к окислителю. Реакция окисления получила своё название от кислорода O2, который является наиболее распространённым окислителем.
Оксиды — это химические соединения, содержащие кислород, и они в изобилии встречаются в природе в различных формах. Оксиды играют важную роль во многих областях техники, главным образом благодаря изменённым свойствам окисленных материалов по сравнению с их неокисленными аналогами. Оксиды могут выполнять различные функции: в электронике их часто используют в качестве изоляторов, а в фотонике оксиды часто применяются в волноводах и оптических покрытиях из-за их низких показателей преломления.
В обычных условиях реакции окисления подчиняются самоограничивающемуся поведению. Оксиды, образующиеся в таких условиях, называются естественными (нативными) оксидами. Например, чистый кремний на воздухе образует слой диоксида кремния SiO2 толщиной ~2 нм. Толщина естественного оксида для чистого алюминия составляет ~4 нм. Обычно толщина нативных оксидов недостаточна для практических применений, требующих наличия оксидных слоёв Для достижения больших толщин обычно используются два основных метода получения оксидных слоёв: термическое окисление и осаждение оксидов. Эти методы описаны в следующих разделах на примере диоксида кремния, который является очень распространённым оксидом в полупроводниковой промышленности. Эти обобщённые методы могут быть распространены и на другие полупроводники.
2.1.1 Термическое окисление
Процесс термического окисления проводится при высоких температурах либо в сухой среде с высоким содержанием кислорода, либо во влажной среде с высокой влажностью. Таким образом, различают два подпроцесса: сухое термическое окисление и влажное термическое окисление.
Сухое термическое окисление — это тип окисления, при котором кремний реагирует с чистым кислородом:
Стабильный и тонкий слой оксида, обычно толщиной в сотни нанометров, может быть сформирован при проведении процесса при более низкой температуре (около 800°C). При сухом термическом окислении рост оксида происходит медленно, однако он приводит к образованию оксидных слоёв высокой плотности, обеспечивающих высокое напряжение пробоя, что предпочтительно для электронных применений.
При влажном термическом окислении кремний реагирует с водяным паром, присутствующим в среде процесса. Реакция описывается уравнением:
Влажное термическое окисление можно охарактеризовать как значительно более быстрый процесс; с другой стороны, оно приводит к худшему качеству оксида по сравнению с сухим термическим окислением. Сравнение скоростей роста оксида представлено в Таблице 2.1.
Таблица 2.1. Скорости роста оксида при влажном и сухом окислении кремния.
Хотя скорость окисления сильно зависит от выбранного метода и температуры процесса, скорость окисления не является линейной и максимальна в начале, поскольку уже созданный оксидный слой на поверхности препятствует реакции атомов кислорода с кристаллом кремния под ним.
2.1.2 Окисление осаждением из паровой фазы
Если поверхность кремния покрыта другими плёнками или если оксид кремния должен быть создан на некремниевой поверхности, в этом случае слой оксида кремния может быть осаждён. Диоксид кремния может быть осаждён с помощью нескольких различных процессов и исходных газов. Для осаждения оксида могут использоваться различные методы: электронно-лучевое напыление, ионно-лучевое распыление (IBS), химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и т.д. CVD является одним из наиболее распространённых методов осаждения, который включает химическую реакцию газообразных прекурсоров
Например, пиролиз силана (SiH4) использует тепло для расщепления реагентов. Качество диоксида кремния, полученного этим методом, низкое. Реакция выглядит следующим образом:
SiH4 + 4NH3 → SiO2 + 2H2 (при 400°C).
С другой стороны, TEOS (Si(OC2H5)4) даёт очень чистую плёнку диоксида кремния с высокой электрической прочностью при проведении процесса в вакууме. TEOS расщепляется при высоких температурах следующим образом:
Si(OC2H5)4 → SiO2 + побочные продукты (при 750°C).
Давление и температура процесса критически важны для качества и однородности осаждённых оксидных слоёв.
Плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы (PECVD) использует плазму реагирующих газов, что позволяет использовать более низкие температуры осаждения, чем при термическом CVD. Такой метод осаждения позволяет избежать образования дефектов в подложке кремния, а также диффузии легирующих примесей и деградации металлических слоёв. С другой стороны, плёнки диоксида кремния, полученные методом PECVD, могут иметь более высокую концентрацию примесей (например, водород, азот, H2O и Si-OH-группы) и пористость.
2.1.3 Модель Дилла-Гроува
Рост толстого оксидного слоя на материале математически описывается моделью Дилла-Гроува, опубликованной Брюсом Диллом и Эндрю Гроувом в 1965 году. Модель была опубликована после наблюдений, сделанных в 1960-х годах, и заключалась в том, что скорость окисления кремния сначала следовала линейной, а затем параболической зависимости. Модель до сих пор широко используется для прогнозирования скорости окисления кремния и других полупроводников, таких как AlAs.
Процесс окисления полупроводника разделяется на три этапа:
Одной из особенностей полупроводников является возможность точной настройки их электрических и оптических свойств за счёт использования различных полупроводниковых соединений и их элементного состава. В результате полупроводниковая технология нашла применение в бесчисленном множестве коммерческих и промышленных приложений и стала основой современного технологического прогресса. В частности, современная электроника полностью полагается на полупроводники: интегральные схемы (ИС) и их элементы — диоды и транзисторы — обычно изготавливаются на основе кремния, в то время как оптоэлектроника и фотоника часто используют материалы на основе GaAs и InP, например, для изготовления лазерных диодов. Из-за своей кристаллической структуры полупроводниковые соединения требуют методов эпитаксиального осаждения для создания тонкоплёночных структур, используемых в электронных и оптоэлектронных устройствах. После выращивания кристаллов полупроводниковые структуры проходят множество технологических операций, таких как травление, металлизация и окисление, в зависимости от конечного назначения. Данная работа описывает процессы окисления, которые критически важны для многих технологических маршрутов обработки полупроводников.
2.1 Процессы окисления полупроводниковых материалов
Окисление — это химическая реакция, которая характеризуется потерей электронов, тогда как восстановление — это обратная реакция, определяемая приобретением электронов. Иными словами, реакцию окисления можно также определить через степени окисления: окисление — это увеличение степени окисления атома, иона или соединения, в отличие от восстановления, которое является уменьшением степени окисления. Компонент, увеличивающий свою степень окисления, называется восстановителем, а компонент, уменьшающий свою степень окисления, — окислителем. Вместе окисление и восстановление представляют собой окислительно-восстановительную реакцию, которая представляет собой перенос электронов от восстановителя к окислителю. Реакция окисления получила своё название от кислорода O2, который является наиболее распространённым окислителем.
Оксиды — это химические соединения, содержащие кислород, и они в изобилии встречаются в природе в различных формах. Оксиды играют важную роль во многих областях техники, главным образом благодаря изменённым свойствам окисленных материалов по сравнению с их неокисленными аналогами. Оксиды могут выполнять различные функции: в электронике их часто используют в качестве изоляторов, а в фотонике оксиды часто применяются в волноводах и оптических покрытиях из-за их низких показателей преломления.
В обычных условиях реакции окисления подчиняются самоограничивающемуся поведению. Оксиды, образующиеся в таких условиях, называются естественными (нативными) оксидами. Например, чистый кремний на воздухе образует слой диоксида кремния SiO2 толщиной ~2 нм. Толщина естественного оксида для чистого алюминия составляет ~4 нм. Обычно толщина нативных оксидов недостаточна для практических применений, требующих наличия оксидных слоёв Для достижения больших толщин обычно используются два основных метода получения оксидных слоёв: термическое окисление и осаждение оксидов. Эти методы описаны в следующих разделах на примере диоксида кремния, который является очень распространённым оксидом в полупроводниковой промышленности. Эти обобщённые методы могут быть распространены и на другие полупроводники.
2.1.1 Термическое окисление
Процесс термического окисления проводится при высоких температурах либо в сухой среде с высоким содержанием кислорода, либо во влажной среде с высокой влажностью. Таким образом, различают два подпроцесса: сухое термическое окисление и влажное термическое окисление.
Сухое термическое окисление — это тип окисления, при котором кремний реагирует с чистым кислородом:
Si + O2 → SiO2 (при 1000–1200°C).
Стабильный и тонкий слой оксида, обычно толщиной в сотни нанометров, может быть сформирован при проведении процесса при более низкой температуре (около 800°C). При сухом термическом окислении рост оксида происходит медленно, однако он приводит к образованию оксидных слоёв высокой плотности, обеспечивающих высокое напряжение пробоя, что предпочтительно для электронных применений.
При влажном термическом окислении кремний реагирует с водяным паром, присутствующим в среде процесса. Реакция описывается уравнением:
Si + 2H2O → SiO2 + 2H2 (при 900–1000°C).
Влажное термическое окисление можно охарактеризовать как значительно более быстрый процесс; с другой стороны, оно приводит к худшему качеству оксида по сравнению с сухим термическим окислением. Сравнение скоростей роста оксида представлено в Таблице 2.1.
Таблица 2.1. Скорости роста оксида при влажном и сухом окислении кремния.
Температура (°C) | Сухое окисление (нм/ч) | Влажное окисление (нм/ч) |
900 | 19 | 100 |
1000 | 50 | 400 |
1100 | 120 | 630 |
Хотя скорость окисления сильно зависит от выбранного метода и температуры процесса, скорость окисления не является линейной и максимальна в начале, поскольку уже созданный оксидный слой на поверхности препятствует реакции атомов кислорода с кристаллом кремния под ним.
2.1.2 Окисление осаждением из паровой фазы
Если поверхность кремния покрыта другими плёнками или если оксид кремния должен быть создан на некремниевой поверхности, в этом случае слой оксида кремния может быть осаждён. Диоксид кремния может быть осаждён с помощью нескольких различных процессов и исходных газов. Для осаждения оксида могут использоваться различные методы: электронно-лучевое напыление, ионно-лучевое распыление (IBS), химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и т.д. CVD является одним из наиболее распространённых методов осаждения, который включает химическую реакцию газообразных прекурсоров
Например, пиролиз силана (SiH4) использует тепло для расщепления реагентов. Качество диоксида кремния, полученного этим методом, низкое. Реакция выглядит следующим образом:
SiH4 + 4NH3 → SiO2 + 2H2 (при 400°C).
С другой стороны, TEOS (Si(OC2H5)4) даёт очень чистую плёнку диоксида кремния с высокой электрической прочностью при проведении процесса в вакууме. TEOS расщепляется при высоких температурах следующим образом:
Si(OC2H5)4 → SiO2 + побочные продукты (при 750°C).
Давление и температура процесса критически важны для качества и однородности осаждённых оксидных слоёв.
Плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы (PECVD) использует плазму реагирующих газов, что позволяет использовать более низкие температуры осаждения, чем при термическом CVD. Такой метод осаждения позволяет избежать образования дефектов в подложке кремния, а также диффузии легирующих примесей и деградации металлических слоёв. С другой стороны, плёнки диоксида кремния, полученные методом PECVD, могут иметь более высокую концентрацию примесей (например, водород, азот, H2O и Si-OH-группы) и пористость.
2.1.3 Модель Дилла-Гроува
Рост толстого оксидного слоя на материале математически описывается моделью Дилла-Гроува, опубликованной Брюсом Диллом и Эндрю Гроувом в 1965 году. Модель была опубликована после наблюдений, сделанных в 1960-х годах, и заключалась в том, что скорость окисления кремния сначала следовала линейной, а затем параболической зависимости. Модель до сих пор широко используется для прогнозирования скорости окисления кремния и других полупроводников, таких как AlAs.
Процесс окисления полупроводника разделяется на три этапа:
- Окислитель переносится из объёма окисляющего газа к внешней поверхности образца.
- Окислитель переносится через оксидную плёнку к полупроводнику.
- Окислитель реагирует с полупроводником.
Рисунок 2.1. Модель окисления полупроводника.
Для потока окислителя от газа к окрестности внешней поверхности образца справедливо:
где h — коэффициент переноса в газовой фазе, C0 — концентрация окислителя на внешней поверхности оксида в данный момент времени, а C* — равновесная концентрация окислителя в оксиде.
Равновесная концентрация окислителя связана с парциальным давлением окислителя в газе согласно закону Генри:
где KH — константа закона Генри, p — парциальное давление окислителя в газе.
Поток окислителя через оксидный слой описывается законом Фика:
где Deff — эффективный коэффициент диффузии, Cᵢ — концентрация окислителя вблизи границы раздела оксид-полупроводник, x0 — толщина оксидного слоя.
Поток на фронте окисления задаётся уравнением:
где k — константа скорости реакции, связанная с границей раздела оксид-полупроводник.
Предполагая стационарное состояние, имеем F1 = F2 и F2 = F3. Находя Cᵢ и C0 и применяя предел, когда диффузионная способность становится очень малой по сравнению со скоростью реакции, получаем Cᵢ → 0 и C0 → C*. В результате поток F = F1 = F2 = F3 принимает вид:
Дифференциальное уравнение, описывающее скорость роста оксидного слоя, может быть выведено из уравнения (2.5) следующим образом:
где N — число молекул окислителя, входящих в единицу объёма оксидного слоя.
Начальное условие для этого шага задаётся с учётом начального слоя оксида xᵢ, который мог присутствовать на полупроводнике до рассматриваемого этапа окисления:
При этом начальном условии решение дифференциального уравнения (2.6) становится:
Толщина оксида как функция времени находится из квадратного уравнения (2.8):
Рассматривая две предельные формы уравнения (2.12), можно записать два общих результата:
A, B и τ — физико-химические константы, характерные для определённого материала и температуры. τ соответствует сдвигу по времени, учитывающему наличие начального оксидного слоя xᵢ. Значения констант для влажного окисления кремния представлены в Таблице 2.2.
Таблица 2.2. Константы скорости окисления кремния во влажном кислороде (95°C H2O).
Чем ниже температура окисления, тем дольше окисление будет линейным по времени. Для поддержания контролируемого окисления полезно оставаться в линейной области при окислении десятков и сотен нанометров. В случае AlAs благоприятная среда окисления зависит как от температуры образца, так и от концентрации алюминия.
2.2 VCSEL с оксидной апертурой
Вертикально-излучающий лазер с поверхностным резонатором (VCSEL) принадлежит к семейству полупроводниковых диодных лазеров и излучает свет перпендикулярно плоскости роста. VCSEL обычно имеют узкую ширину линии излучения (~0,5 нм по полуширине), меньшую температурную чувствительность и высокое качество пучка, особенно по сравнению с обычными лазерами с краевым излучением. VCSEL нашли многочисленные применения в промышленных и коммерческих областях, таких как высокоскоростная оптическая передача данных, лазерная печать, LiDAR и 3D-сенсорика и т.д.
F1 = h(C* – C0), (2.1)
где h — коэффициент переноса в газовой фазе, C0 — концентрация окислителя на внешней поверхности оксида в данный момент времени, а C* — равновесная концентрация окислителя в оксиде.
Равновесная концентрация окислителя связана с парциальным давлением окислителя в газе согласно закону Генри:
C* = KH · p, (2.2)
где KH — константа закона Генри, p — парциальное давление окислителя в газе.
Поток окислителя через оксидный слой описывается законом Фика:
F2 = –Deff · (C0 – Cᵢ) / x0, (2.3)
где Deff — эффективный коэффициент диффузии, Cᵢ — концентрация окислителя вблизи границы раздела оксид-полупроводник, x0 — толщина оксидного слоя.
Поток на фронте окисления задаётся уравнением:
F3 = –k · Cᵢ, (2.4)
где k — константа скорости реакции, связанная с границей раздела оксид-полупроводник.
Предполагая стационарное состояние, имеем F1 = F2 и F2 = F3. Находя Cᵢ и C0 и применяя предел, когда диффузионная способность становится очень малой по сравнению со скоростью реакции, получаем Cᵢ → 0 и C0 → C*. В результате поток F = F1 = F2 = F3 принимает вид:
F = k·C* / (1 + k/h + k·x0/ Deff). (2.5)
Дифференциальное уравнение, описывающее скорость роста оксидного слоя, может быть выведено из уравнения (2.5) следующим образом:
dx0/dt = F/N = (k·C*/N) / (1 + k/h + k·x0/ Deff), (2.6)
где N — число молекул окислителя, входящих в единицу объёма оксидного слоя.
Начальное условие для этого шага задаётся с учётом начального слоя оксида xᵢ, который мог присутствовать на полупроводнике до рассматриваемого этапа окисления:
x0 = xᵢ при t = 0. (2.7)
При этом начальном условии решение дифференциального уравнения (2.6) становится:
x0² + A·x0 = B·(t + τ), (2.8)
гдеA = 2· Deff ·(1/k + 1/h), (2.9)
B = 2· Deff ·C*/N, (2.10)
и
τ = (xᵢ² + A·xᵢ) / B. (2.11)
Толщина оксида как функция времени находится из квадратного уравнения (2.8):
Рассматривая две предельные формы уравнения (2.12), можно записать два общих результата:
- Для относительно малых времён окисления (t + τ << A²/(4B)) уравнение (2.12) даёт линейный закон:
x0 = (B/A)·(t + τ), (2.13)
где соотношениеB/A = (k·h)/(k+h) · (C*/N) (2.14)
называется линейной константой скорости.- Для относительно больших времён окисления (t >> A²/(4B)) применим параболический закон:
x0² = B·t, (2.15)
где коэффициент B называется параболической константой скорости.A, B и τ — физико-химические константы, характерные для определённого материала и температуры. τ соответствует сдвигу по времени, учитывающему наличие начального оксидного слоя xᵢ. Значения констант для влажного окисления кремния представлены в Таблице 2.2.
Таблица 2.2. Константы скорости окисления кремния во влажном кислороде (95°C H2O).
Температура окисления (°C) | A (мкм) | B (мкм²/ч) | B/A (мкм/ч) | τ (ч) |
920 | 0,500 | 0,203 | 0,406 | 0 |
1000 | 0,226 | 0,287 | 1,270 | 0 |
1100 | 0,110 | 0,510 | 4,640 | 0 |
1200 | 0,050 | 0,720 | 14,400 | 0 |
Чем ниже температура окисления, тем дольше окисление будет линейным по времени. Для поддержания контролируемого окисления полезно оставаться в линейной области при окислении десятков и сотен нанометров. В случае AlAs благоприятная среда окисления зависит как от температуры образца, так и от концентрации алюминия.
2.2 VCSEL с оксидной апертурой
Вертикально-излучающий лазер с поверхностным резонатором (VCSEL) принадлежит к семейству полупроводниковых диодных лазеров и излучает свет перпендикулярно плоскости роста. VCSEL обычно имеют узкую ширину линии излучения (~0,5 нм по полуширине), меньшую температурную чувствительность и высокое качество пучка, особенно по сравнению с обычными лазерами с краевым излучением. VCSEL нашли многочисленные применения в промышленных и коммерческих областях, таких как высокоскоростная оптическая передача данных, лазерная печать, LiDAR и 3D-сенсорика и т.д.
Рисунок 2.2. Схематическое поперечное сечение VCSEL.
Рисунок 2.2 иллюстрирует общую слоевую структуру VCSEL. Эта структура эпитаксиально выращивается на n-GaAs подложке, где круглая меза формируется путём травления верхнего распределённого брэгговского отражателя (DBR). Обычно диаметр столбика (Мезы) составляет несколько десятков микрометров. В данной архитектуре VCSEL слой AlAs с высоким содержанием Al (обычно 97–98 %) и типичной толщиной в несколько десятков нанометров эпитаксиально выращивается поверх активной области перед осаждением верхнего DBR. Этот слой имеет самое высокое содержание Al во всей структуре и предназначен для влажного термического окисления в технологической цепочке после травления мезы. Латеральное окисление этого слоя создаёт токовую апертуру, которая обеспечивает удержание носителей и фотонов в небольшой активной области. В ходе реакции AlAs окисляется до Al2O3:
Скорость окисления составляет приблизительно 1 мкм/мин в атмосфере водяного пара, нагретого до 400°C. В процессе изготовления приборов оксиды часто нестабильны, что может приводить к расслоению, например, после быстрого термического отжига, когда структура подвергается быстрому нагреву выше 350°C.
На Рисунке 2.3 показана оксидная апертура на изображении сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) мезы VCSEL, расколотой по диаметру. Оксидный слой и направление окисления показаны стрелками. Также наблюдается градиент окисления различных слоёв верхнего DBR. Небольшая трещина в мезе, направленная вверх, могла возникнуть либо при раскалывании мезы, либо из-за напряжений, вызванных окислением.
2AlAs + 6H2O → Al2O3 + 2AsO3 + 6H2 (при 400°C).
Скорость окисления составляет приблизительно 1 мкм/мин в атмосфере водяного пара, нагретого до 400°C. В процессе изготовления приборов оксиды часто нестабильны, что может приводить к расслоению, например, после быстрого термического отжига, когда структура подвергается быстрому нагреву выше 350°C.
На Рисунке 2.3 показана оксидная апертура на изображении сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) мезы VCSEL, расколотой по диаметру. Оксидный слой и направление окисления показаны стрелками. Также наблюдается градиент окисления различных слоёв верхнего DBR. Небольшая трещина в мезе, направленная вверх, могла возникнуть либо при раскалывании мезы, либо из-за напряжений, вызванных окислением.
Рисунок 2.3. Изображение поперечного сечения VCSEL, полученное на сканирующем электронном микроскопе.
Вышеупомянутую реакцию можно замедлить, добавляя Ga в AlAs до нескольких процентов. Реакция принимает вид:
Подача воды в технологическую камеру может осуществляться с помощью любого инертного газа, такого как азот (N2) или аргон (Ar). Инертный газ необходим для того, чтобы водород не вступал в реакцию. Присутствие водорода удаляет избыточное количество мышьяка для получения высококачественного оксидного слоя контролируемым образом. Любой активный газ, например, кислород, который реагирует с водородом с образованием воды, полностью останавливает процесс окисления. Хотя вышеупомянутая реакция приводит к образованию небольших количеств арсина (AsH3) в отходящих газах в результате реакции водорода с мышьяком, обычно опасения по поводу токсичности мышьяка не возникают из-за его ничтожных количеств.
2AlₓGa1-ₓAs + 6H2O → (AlₓGa1-ₓ)2O3 + As2O3 + 6H2 (при 400°C).
Подача воды в технологическую камеру может осуществляться с помощью любого инертного газа, такого как азот (N2) или аргон (Ar). Инертный газ необходим для того, чтобы водород не вступал в реакцию. Присутствие водорода удаляет избыточное количество мышьяка для получения высококачественного оксидного слоя контролируемым образом. Любой активный газ, например, кислород, который реагирует с водородом с образованием воды, полностью останавливает процесс окисления. Хотя вышеупомянутая реакция приводит к образованию небольших количеств арсина (AsH3) в отходящих газах в результате реакции водорода с мышьяком, обычно опасения по поводу токсичности мышьяка не возникают из-за его ничтожных количеств.
3. ПРИНЦИП РАБОТЫ
Процесс влажного термического окисления может проводиться при высоких температурах в среде с высокой влажностью. Обычно необходимые условия достигаются с использованием барботера, заполненного нагретой деионизированной водой, и нагретой технологической камеры. Большинство устройств работают при атмосферном давлении, чтобы избежать дорогостоящего вакуумного оборудования. Вода нагревается чуть ниже температуры кипения (например, 85–95°C), и для подачи водяного пара в технологическую камеру используется инертный газ-носитель, такой как азот. Технологическая камера обычно представляет собой достаточно длинную трубку (например, 0,5–1,5 м) для поддержания ламинарного потока водяного пара. Обычно она изготавливается из металла или стекла. Трубка равномерно нагревается до достижения температуры процесса, а образец помещается в её середину. На Рисунке 3.1 показана общая конструкция печи влажного термического окисления.
Рисунок 3.1. Схематическая конструкция печи влажного термического окисления.
С другой стороны, печи влажного термического окисления могут быть сконструированы для работы в вакууме. Вакуумная атмосфера повышает управляемость процесса за счёт устранения источников загрязнения, удаления тепловых связей и снижения скорости окисления.
3.1 Параметры управления
Обычно основным выходным параметром, представляющим интерес при влажном термическом окислении, является результирующая глубина латерального окисления. Вторичные выходные параметры могут включать изотропность окисления, необходимую для создания круглых апертур, однородность глубины окисления на большом расстоянии и воспроизводимость. Указанные выходные параметры процесса определяются как свойствами материала, так и параметрами процесса. Управляемыми параметрами процесса влажного термического окисления являются:
Расход азота можно легко контролировать и регулировать с помощью измерителя массового расхода или контроллера массового расхода. Достаточная скорость потока зависит от размера технологической камеры, но, согласно результатам многочисленных исследований, для каждой температуры воды существует критическая скорость потока. Выше критического значения скорость окисления не зависит от расхода азота. Обычно расход составляет 1–3 л/мин. Азот можно нагревать перед входом в барботер, но это не влияет на результат, если объём воды достаточно велик.
Концентрация водяного пара точно регулируется путём управления расходом газа-носителя. Как следствие, температура воды поддерживается достаточно ниже точки кипения, чтобы избежать чрезмерного парообразования и избыточного давления. Было замечено, что 85°C достаточно, чтобы поддерживать расход газа-носителя достаточно низким.
Поскольку распределение потока газа в технологической камере почти невозможно предсказать, обычно его приближают к постоянному в достаточно большом объёме вокруг образца. Даже распределение температуры и водяного пара можно регулировать, изменяя расположение образца в камере и наклоняя его по направлению к потоку пара. Кроме того, различные материалы подложкодержателя могут влиять на распределение температуры.
Время окисления должно быть выбрано так, чтобы достичь желаемой глубины окисления. Оно сильно зависит от оборудования и других параметров процесса.
3.2 Оценка глубины окисления
Глубина окисления определяет размер оксидной апертуры, которая отвечает за удержание тока и поля. Таким образом, глубина окисления должна быть точно отрегулирована в соответствии с требованиями к оксидной апертуре, которая, в свою очередь, определяет электрооптические характеристики VCSEL. Оценка глубины окисления может быть выполнена либо в ходе пост-измерений, либо с использованием мониторинга в реальном времени (in-situ). Глубину окисления можно измерять непосредственно на мезах или на других частях маскировочного слоя.
Оксидный слой виден в оптических микроскопах, оснащённых призмой Номарского и ПЗС-камерой. Призма Номарского увеличивает контраст в прозрачном образце с помощью микроскопии дифференциального интерференционного контраста (DIC). ПЗС-камера используется для регистрации инфракрасного света, проходящего через DBR мезы. Эффективность наблюдения и контраст зависят от длины волны освещения, глубины оксидного слоя и состава слоя над ним. Достаточное увеличение в наших тестах составляло от 10x до 100x.
В качестве альтернативы можно получить изображение поперечного сечения с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) на мезах, расколотых по диаметру. По сравнению с оценкой с помощью оптического микроскопа, этот метод даёт информацию о распределении глубины окисления в мезе, в частности, о градиенте окисления различных слоёв верхнего DBR. Однако этот метод трудно применить для мез малого размера, и раскалывание может повлиять на измерение.
Ещё один подход заключается в использовании сфокусированного ионного пучка для удаления слоёв сбоку или сверху мезы или в окислении тестовых образцов, лишённых верхнего DBR. Этот подход позволяет получить очень точные результаты, но он медленный.
Наиболее прямой способ мониторинга in-situ основан на прямом наблюдении окисляемого рисунка с помощью ПЗС-камеры. Этот метод требует соответствующего смотрового окна в печи для камеры. Другие проблемы включают устойчивость к теплу, выделяемому печью, и малые рабочие расстояния объективов увеличения, необходимых в системе.
Другой подход к мониторингу in-situ основан на измерении среднего изменения отражательной способности пластины VCSEL на большой области рисунков. Этот подход работает с однородными повторяющимися рисунками на пластине.
3.3 Современные системы
На рынке представлены коммерческие продукты как для общей обработки кремниевых пластин, так и специально для производства VCSEL. Представленная система предназначена для формирования плотного оптического ограничивающего слоя и электроизолирующей структуры в VCSEL-приборах, а также может применяться для пассивации поверхности полупроводниковых пластин.
3.1 Параметры управления
Обычно основным выходным параметром, представляющим интерес при влажном термическом окислении, является результирующая глубина латерального окисления. Вторичные выходные параметры могут включать изотропность окисления, необходимую для создания круглых апертур, однородность глубины окисления на большом расстоянии и воспроизводимость. Указанные выходные параметры процесса определяются как свойствами материала, так и параметрами процесса. Управляемыми параметрами процесса влажного термического окисления являются:
- температура образца;
- расход азота;
- температура воды;
- ориентация и положение образца в камере;
- время окисления.
Расход азота можно легко контролировать и регулировать с помощью измерителя массового расхода или контроллера массового расхода. Достаточная скорость потока зависит от размера технологической камеры, но, согласно результатам многочисленных исследований, для каждой температуры воды существует критическая скорость потока. Выше критического значения скорость окисления не зависит от расхода азота. Обычно расход составляет 1–3 л/мин. Азот можно нагревать перед входом в барботер, но это не влияет на результат, если объём воды достаточно велик.
Концентрация водяного пара точно регулируется путём управления расходом газа-носителя. Как следствие, температура воды поддерживается достаточно ниже точки кипения, чтобы избежать чрезмерного парообразования и избыточного давления. Было замечено, что 85°C достаточно, чтобы поддерживать расход газа-носителя достаточно низким.
Поскольку распределение потока газа в технологической камере почти невозможно предсказать, обычно его приближают к постоянному в достаточно большом объёме вокруг образца. Даже распределение температуры и водяного пара можно регулировать, изменяя расположение образца в камере и наклоняя его по направлению к потоку пара. Кроме того, различные материалы подложкодержателя могут влиять на распределение температуры.
Время окисления должно быть выбрано так, чтобы достичь желаемой глубины окисления. Оно сильно зависит от оборудования и других параметров процесса.
3.2 Оценка глубины окисления
Глубина окисления определяет размер оксидной апертуры, которая отвечает за удержание тока и поля. Таким образом, глубина окисления должна быть точно отрегулирована в соответствии с требованиями к оксидной апертуре, которая, в свою очередь, определяет электрооптические характеристики VCSEL. Оценка глубины окисления может быть выполнена либо в ходе пост-измерений, либо с использованием мониторинга в реальном времени (in-situ). Глубину окисления можно измерять непосредственно на мезах или на других частях маскировочного слоя.
Оксидный слой виден в оптических микроскопах, оснащённых призмой Номарского и ПЗС-камерой. Призма Номарского увеличивает контраст в прозрачном образце с помощью микроскопии дифференциального интерференционного контраста (DIC). ПЗС-камера используется для регистрации инфракрасного света, проходящего через DBR мезы. Эффективность наблюдения и контраст зависят от длины волны освещения, глубины оксидного слоя и состава слоя над ним. Достаточное увеличение в наших тестах составляло от 10x до 100x.
В качестве альтернативы можно получить изображение поперечного сечения с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) на мезах, расколотых по диаметру. По сравнению с оценкой с помощью оптического микроскопа, этот метод даёт информацию о распределении глубины окисления в мезе, в частности, о градиенте окисления различных слоёв верхнего DBR. Однако этот метод трудно применить для мез малого размера, и раскалывание может повлиять на измерение.
Ещё один подход заключается в использовании сфокусированного ионного пучка для удаления слоёв сбоку или сверху мезы или в окислении тестовых образцов, лишённых верхнего DBR. Этот подход позволяет получить очень точные результаты, но он медленный.
Наиболее прямой способ мониторинга in-situ основан на прямом наблюдении окисляемого рисунка с помощью ПЗС-камеры. Этот метод требует соответствующего смотрового окна в печи для камеры. Другие проблемы включают устойчивость к теплу, выделяемому печью, и малые рабочие расстояния объективов увеличения, необходимых в системе.
Другой подход к мониторингу in-situ основан на измерении среднего изменения отражательной способности пластины VCSEL на большой области рисунков. Этот подход работает с однородными повторяющимися рисунками на пластине.
3.3 Современные системы
На рынке представлены коммерческие продукты как для общей обработки кремниевых пластин, так и специально для производства VCSEL. Представленная система предназначена для формирования плотного оптического ограничивающего слоя и электроизолирующей структуры в VCSEL-приборах, а также может применяться для пассивации поверхности полупроводниковых пластин.
Печь поддерживает обработку пластин диаметром от 4 до 6 дюймов, рабочий диапазон температур составляет 300–500 °C, точность поддержания температуры — не хуже ±0,5 °C, длина зоны постоянной температуры — 250 мм. Однородность окисления не превышает 1 мкм . Система обеспечивает высокую точность контроля водяного пара, стабильность процесса и отличную воспроизводимость, что гарантирует высокий выход годных изделий.
Коммерческие печи окисления являются дорогостоящими, поэтому большинство научных публикаций по влажному термическому окислению описывают печи собственной разработки. Такие разработки часто используют различные технические решения: вертикальное осаждение пара, вращение образцов, прецизионные испарители и ИК-пирометры
Коммерческие печи окисления являются дорогостоящими, поэтому большинство научных публикаций по влажному термическому окислению описывают печи собственной разработки. Такие разработки часто используют различные технические решения: вертикальное осаждение пара, вращение образцов, прецизионные испарители и ИК-пирометры
4. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
Печь влажного термического окисления, созданная и описанная в предыдущей главе, была настроена и оценена в серии испытаний. Тестовые образцы включали мезы VCSEL трёх различных диаметров, расположенные как в виде одиночных излучателей, так и в виде массивов. Окисляемым материалом был AlGaAs. Настройка печи окисления была направлена на достижение наилучшей возможной однородности глубины латерального окисления и симметрии оксидной апертуры для образцов разной формы, размера и структуры. В данной работе был сделан акцент на экспериментальный и качественный подход в анализе результатов. Углублённый количественный анализ производительности будет проведён на основе большего набора результатов испытаний, доступных в будущей работе.
Окисление мез было заметно уже в первом испытании, что было положительным признаком правильного общего функционирования системы и позволило быстро перейти к точной настройке и оптимизации параметров процесса. Параметры управления, перечисленные в Разделе 3.1, изменялись по одному при постоянстве всех остальных, чтобы определить их оптимальные значения. На Рисунке 5.1 показано сравнение неразработанного процесса окисления на ранней стадии и разработанного процесса окисления к концу данной работы.
Окисление мез было заметно уже в первом испытании, что было положительным признаком правильного общего функционирования системы и позволило быстро перейти к точной настройке и оптимизации параметров процесса. Параметры управления, перечисленные в Разделе 3.1, изменялись по одному при постоянстве всех остальных, чтобы определить их оптимальные значения. На Рисунке 5.1 показано сравнение неразработанного процесса окисления на ранней стадии и разработанного процесса окисления к концу данной работы.
Рисунок 5.1. Микрофотографии окисленных мез VCSEL. a) Неразработанный процесс с очень высокой неравномерностью и асимметрией окисления. b) Разработанный процесс, приводящий к однородной глубине латерального окисления и симметрии оксидной апертуры на больших обрабатываемых фрагментах.
Наблюдалось, что влияние параметров на процесс соответствует поведению, описанному в Разделе 3.1. Расход газа-носителя и концентрация водяного пара оказывали наибольшее влияние на однородность и симметрию окисления. Температура окисления была зафиксирована на уровне 420°C. Расход азота был настроен на 2 л/мин при расходе воды 10 г/ч. Такая настройка обеспечила среднюю скорость окисления 0,5 мкм/мин, что согласуется с прогнозами на основе модели Дилла-Гроува в аналогичных условиях.
Окисленные образцы анализировались с помощью оптического микроскопа, оснащённого призмой Номарского и ПЗС-камерой. Глубина латерального окисления мез рассчитывалась путём определения соотношения количества пикселей диаметра оксидной апертуры и диаметра мезы. На Рисунке 5.2 показано одно из таких соотношений диаметров, использованных в работе.
Окисленные образцы анализировались с помощью оптического микроскопа, оснащённого призмой Номарского и ПЗС-камерой. Глубина латерального окисления мез рассчитывалась путём определения соотношения количества пикселей диаметра оксидной апертуры и диаметра мезы. На Рисунке 5.2 показано одно из таких соотношений диаметров, использованных в работе.
Рисунок 5.2. Микрофотография окисленной мезы VCSEL диаметром 37 мкм. Глубина латерального окисления составляет 13,5 мкм, диаметр оксидной апертуры — 10 мкм.
Более светлое внешнее кольцо мезы на Рисунке 5.2 вызвано окислением верхнего DBR. Более тёмное внутреннее кольцо — это окисление оксидного слоя. Различные окисляющиеся слои показаны на изображении поперечного сечения СЭМ на Рисунке 2.3.
К концу данной работы однородность глубины латерального окисления на макрообразцах (типичный размер — несколько сантиметров) достигла значений менее ±0,5 мкм. Кроме того, была достигнута отличная симметрия оксидных апертур. Окисленные структуры были успешно обработаны в хорошо работающие одиночные излучатели VCSEL, работающие в одномодовом режиме.
К концу данной работы однородность глубины латерального окисления на макрообразцах (типичный размер — несколько сантиметров) достигла значений менее ±0,5 мкм. Кроме того, была достигнута отличная симметрия оксидных апертур. Окисленные структуры были успешно обработаны в хорошо работающие одиночные излучатели VCSEL, работающие в одномодовом режиме.
ВЫВОДЫ
Данная работа была посвящена печи влажного термического окисления, оптимизированной для изготовления VCSEL. VCSEL требуют очень точного, однородного и симметричного латерального окисления их структуры. Разработаны коммерческие системы окисления, но они, как правило, очень дороги и не поддаются настройке.
В процессе разработки рассматривались следующие параметры процесса: температура образца, расход азота, концентрация водяного пара, ориентация и положение образца в камере, а также время окисления.
Разработанная в данной работе печь окисления продемонстрировала способность выполнять высококонтролируемый и воспроизводимый процесс влажного термического окисления, обеспечивающий отличную однородность и симметрию оксидной апертуры. Возможность точного контроля концентрации воды и потока азота-носителя при поддержании равномерного распределения температуры по всему образцу позволила достичь одномодового режима работы в одиночных излучателях VCSEL, что считается нетривиальной задачей, особенно без интеграции дорогостоящей системы мониторинга in-situ.
Дальнейшая работа будет направлена на решение задачи добавления возможности мониторинга in-situ в систему. Эта задача обусловлена горячей средой и малым рабочим расстоянием объективов увеличения, требуемых в системе. Используемая в настоящее время кварцевая камера уже подходит для малого рабочего расстояния, но не обеспечивает достаточной теплоизоляции. Мониторинг in-situ позволит ещё более точно контролировать глубину окисления. Кроме того, он сократит время испытаний и расход материалов при разработке новых процессов окисления и использовании различных структур VCSEL.
Ещё одним улучшением будет масштабирование печи окисления для поддержки более широкого диапазона размеров пластин и автоматизация процесса. Высокая однородность глубины латерального окисления на больших пластинах и малое отклонение от запуска к запуску позволят использовать печь окисления в коммерческом производственном процессе.
В процессе разработки рассматривались следующие параметры процесса: температура образца, расход азота, концентрация водяного пара, ориентация и положение образца в камере, а также время окисления.
Разработанная в данной работе печь окисления продемонстрировала способность выполнять высококонтролируемый и воспроизводимый процесс влажного термического окисления, обеспечивающий отличную однородность и симметрию оксидной апертуры. Возможность точного контроля концентрации воды и потока азота-носителя при поддержании равномерного распределения температуры по всему образцу позволила достичь одномодового режима работы в одиночных излучателях VCSEL, что считается нетривиальной задачей, особенно без интеграции дорогостоящей системы мониторинга in-situ.
Дальнейшая работа будет направлена на решение задачи добавления возможности мониторинга in-situ в систему. Эта задача обусловлена горячей средой и малым рабочим расстоянием объективов увеличения, требуемых в системе. Используемая в настоящее время кварцевая камера уже подходит для малого рабочего расстояния, но не обеспечивает достаточной теплоизоляции. Мониторинг in-situ позволит ещё более точно контролировать глубину окисления. Кроме того, он сократит время испытаний и расход материалов при разработке новых процессов окисления и использовании различных структур VCSEL.
Ещё одним улучшением будет масштабирование печи окисления для поддержки более широкого диапазона размеров пластин и автоматизация процесса. Высокая однородность глубины латерального окисления на больших пластинах и малое отклонение от запуска к запуску позволят использовать печь окисления в коммерческом производственном процессе.
Автор: Сотрудник компании ООО "ТТМ" Михайлов А.