Национальный Исследовательский Технологический Университет «МИСи. С» Кафедра технологии

Национальный Исследовательский Технологический Университет «МИСи. С» Кафедра технологии материалов электроники Цикл лабораторных работ Получение гетероструктуры ферромагнетик (э. к. In. Sb+Mn. Sb)- полупроводник (In. Sb) методом жидкофазной эпитаксии Разработан: проф. Маренкин С. Ф, доц. Евсеев В. А. , проф. Крутогин Д. Г. , Выполнен студентами группы ТЭМ-07: Жевак Е. А. , Золотухина П. В. , Мельников А. А. , Опалева Ж. Н. , Попов М. М. , Тарасов О. М. , Тиль Н. А. Москва 2011

Цикл состоит из трёх лабораторных работ 1. Подготовка подложек для жидкофазной эпитаксии гетероструктуры ферромагнетик (э. к. In. Sb+Mn. Sb)полупроводник (In. Sb) 2. Вакуумно-термический метод приготовления шихты для жидкофазной эпитаксии гетероструктуры ферромагнетик (э. к. In. Sb+Mn. Sb)полупроводник (In. Sb) 3. Жидкофазная эпитаксия при получении гетероструктуры ферромагнетик (э. к. In. Sb+Mn. Sb)- полупроводник (In. Sb)

Лабораторная работа № 1 Подготовка подложек для ЖФЭ гетероструктуры ферромагнетик (э. к. In. Sb+Mn. Sb)- полупроводник (In. Sb) Этапы работы 1. Подготовка и откачка растовых ампул 2. Выращивание кристалла In. Sb методом Бриджмена 3. Резка и полировка подложек

Цель Работы: 1. Освоение студентами методов выращивания подложечного кристалла. 2. Подготовка подложек с минимальным поверхностно нарушенным слоем.

Контрольные вопросы: 1. Термопары. Виды. Характеристики. Принцип работы. 2. Установка для выращивания монокристаллов из расплава по методу Бриджмена. 3. Подготовка синтетических и ростовых ампул.

Ампулы для синтеза(а) и роста(б) а) б)

Подготовка ампул для синтеза и роста • Промывка ампул 3 HCl+HNO 3(царская водка) • Двукратная промывка дистиллированной водой • Сушка в муфельной печи при температуре 200 0 С • Графитизация кварцевой ампулы(покрытие тонким слоем графита внутренней поверхности ампулы). Дистиллятор

Графитизация кварцевых ампул Графитизация позволяет исключить взаимодействие расплава со стенками ампулы. Для графитизации ампулу помещают в реактор, расположенный в горизонтальной печи, создают вакуум (порядка 10 -1 Па), промывают аргоном марки ОСЧ. Печь нагревают до температуры ~1250 К, а затем через ацетон марки ОСЧ 9 -5. пропускают аргон (марки осч), и подают в реактор. В реакторе пары ацетона разлагаются и пиролитический углерод оседает на стенках ампулы: СH 3 COCH 3 → 3 C↓+H 20(пар. )↑+2 H 2↑ Вместо ацетона можно использовать бензин или этиловы й спирт.

Схема установки по графитизации ампул Вакуумный насос Реактор Электр. печь

Вакуумная запайка ампул В ампулы загружают навески компонентов ростовой шихты и откачивают до остаточного давления 10 -2 Па с помощью установки представленной на рисунке

Порядок работы при откачке и отпайки ампул. 1) Загрузка компонентов 2) Очистка горловины ампулы 3) Установка ампулы в откачные отверстия вакуумного поста 4) Включение насоса предварительной откачки 5) Контроль вакуума с помощью лампы ЛТ 2(лампа термопарная) 6) Включение диффузионного насоса с подачей водяного охлаждения 7) Отпайка кварцевых ампул с помощью специальной газовой горелки

Работа с газовой горелкой. Порядок работы с газовой горелкой: включаем поджиг газа, регулировка температуры газовой горелки с помощью подачи кислорода- сначала газ, а потом кислород, выключение горелки проводится в обратном порядке- сначала кислород, а затем газ

Система In. Sb-Mn. Sb Диаграмма состояния системы In. Sb-Mn. Sb ДТА эвтектической композиции In. Sb-Mn. Sb Система In. Sb-Mn. Sb относится к системам эвтектического типа с координатами эвтектики 6, 5 мол. % Mn. Sb и Тпл = 513°С. По данным ДТА, температура плавления составляет 514 -515°С. Однако при кристаллизации эвтектики наблюдается существенное переохлаждение расплава ~ 20 градусов, поэтому при получении эвтектической композиции вводился затравочный кристалл.

Установка для роста монокристаллов по методу Бриджмена а) б) в) а) Общий вид; б) Схема установки; в) Температурный профиль; 1 – механизм вращения и перемещения, 2 – термоизолирующая пробка, 3 – контролирующая термопара, 4 – стальной контейнер, 5 – нагревающий элемент, 6 – регулирующая термопара зоны расплава, 7 – зона расплава, 8 – ампула, 9 – шихта, 10 – затравка, 11 – зона роста, 12 – регулирующая термопара, 13 – тепловая коаксиальная натриевая труба.

Подготовка подложек. • Резка слитка на шайбы • Кристалл закрепляют на держателе установки проволочной резки • Резка производится с помощью возвратно-поступательных движений пильной рамки • В зону резки подают абразивную суспензию

• Шлифовка кристалла Шайба приклеивается на устройство для шлифовки. Первым абразивом снимаем слой до 1 мм с поверхности подложки. Затем более мелким удаляем еще порядка 100 мкм.

• Полировка кристалла Полировка производится на абразивном круге с алмазной пастой ГОСТ 25593 -83 с размером зерна 0, 5 мкм

Задачи Изучить процесс выращивания монокристаллов методом Бриджмена 2. Рассчитать распределение примеси при выращивании кристалла по методу Бриджмена 1. N Варианты задания № варианта Примесь 1 f, D, 0, l, мм/мин см 2/с ат/см 3 см Cu 0, 2 1*10 -5 1*1017 20 2 Cd 0, 1 1*10 -5 1*1017 20 3 Zn 0, 2 1*10 -5 1*1017 20 4 Te 0, 2 2*10 -5 1*1017 20 5 Ag 0, 1 2*10 -5 1*1017 20 6 Au 0, 2 5*10 -6 1*1017 20 7 Si 0, 1 5*10 -6 1*1017 20

Лабораторная работа № 2 Приготовление шихты для жидкофазной эпитаксии получения гетероструктуры ферромагнетик (эк. In. Sb+Mn. Sb) полупроводник (In. Sb) с помощью вакуумнотермического испарения

Контрольные вопросы 1. Аппаратурное оформление процесса вакуум-термического получения микро- и нанослоев. 2. Расчёт толщины плёнок вакуум-термическим напылением. 3. Критерий Кнудсена. Определение механизма массопереноса при получении плёнок вакуум-термическим напылением. 4. Особенности напыления сплавов, содержащих несколько компонентов. Расчёт толщины и состава получаемых плёнок. 5. Что такое поток Стефана? 6. Расчёт max давления остаточного газа, обеспечивающего молекулярный режим доставки. 7. Порядок работы с ВУП-5.

Цели лабораторной работы № 2 Обучение студентов работе с вакуумными системами, в частности на ВУП-5. Освоение студентами методик подготовки подложек для эпитаксии. Обучение навыкам работы на прецизионных аналитических весах. Освоение методик расчётного и экспериментального определения толщин плёнок, полученных вакуумтермическим испарением.

Этапы работы: 1) Подготовка подложки п/п с min нарушенным поверхностным слоем 2) Работа с аналитическими весами 3) Ознакомление с устройством и работой ВУП-5 4) Получение тонких пленок In 5) Расчет и экспериментальное определение значения толщин плёнок In.

ВУП 5 состоит из: рабочей камеры, вакуумных насосов и блока управления. Блок управления Рабочая камера Вакуумная система

Вакуумная схема ВУП - 5 P 1, P 2, P 4 - манометрический термопарный преобразователь; РЗ- манометрический ионизационный преобразователь; V 1, V 4, V 5, V 6, V 7, V 8 - электромагнитные вентили, которые закрывают или открывают определённые части системы, тем самым позволяя создавать вакуум в камере; NL - вакуумный механический насос для предварительной откачки воздуха; ND – диффузионный (высоковакуумный паромасляный) насос для создания глубокого вакуума; CN - камера, в которой создаётся глубокий вакуум; BF - буферный баллон.

Внешний вид рабочей камеры ВУП-5 колпак испаритель заслонка

Порядок работы с ВУП 5 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. Включить водяное охлаждение. Нажать кнопку «СЕТЬ» . Нажать кнопку «НФ» . Нажать кнопку «РУЧН» , все остальные кнопки отжаты. По индикатору «P 2» ждать до 200, и нажать кнопку «БФ» . По индикатору «P 4» ждать до 200, и нажать кнопку «НД» . Открыть РО, закрепить испаритель для In, закрыть РО. По индикатору «P 4» ждать до 875, затем нажать кнопку «ПВ» . По индикатору «P 1» ждать до 369, и нажать кнопку «ВВ» (если начинает падать, то повторить операцию). По индикатору «P 1» ждать до установления вакуума. 977 Нажать кнопку «ВКЛ» . Нажать кнопку « 2 А» . С помощью регулятора 2 ожечь испаритель для In. Отжать кнопку « 2 А» , Отжать кнопку «ВКЛ» . Ждать 10 -30 мин (В зависимости от длительности накала). Нажать кнопку «ПВ» , затем «НД» . Включить напуск воздуха «НД» . Открыть РО, установить подложку и In, закрыть РО. Закрыть заслонки. Отжать кнопку «НВ» ("СТОП"). Нажать кнопку «ПВ» . По индикатору «P 1» ждать до 300, и нажать кнопку «ВВ» . По индикатору «P 1» ждать до установления вакуума. Нажать кнопку «ВКЛ» . Нажать кнопку « 2 А» . С помощью регулятора 2 напылить In, открыв заслонки. Отключить Воду.

Последовательность действий. 1)Включаем насос NL 2)Открываем вентиль V 8 и доводим давление до 1000 делений. 3)Закрываем вентиль V 8. Загружаем в камеру образец Закрываем колпак. 4)Открываем вентиль V 7 и доводим давление до 350 делений на шкале вакуумметра P 1. 5)Закрываем вентиль V 7, открываем V и V 8. Включаем насос ND. Включаем нагреватель и происходит рост эпитаксиальной пленки. 6) Закрываем вентили V 7, открываем V 1 – давление в камере роста достигает атмосферного. Извлекаем образец

Измерения вакуума проводили с помощью Термопарных вакуумметров ПМТ-2 Ионизационных вакуумметров ЛМ-2

ТЕПЛОВОЙ ВАКУУММЕТР (МАНОМЕТРИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ) Схема теплового вакуумметра с измерением температуры нити с помощью термопары: 1 - нить; 2 - вакуумный баллон; 3 - электрический ввод; 4 термопара; 5 - соединительная трубка Принцип действия тепловых вакуумметров основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Давление измеряется косвенным методом, т. е. измеряют физическую величину, которая зависит от тепловой энергии, отводимой газом от чувствительного элемента вследствие теплопроводности. Преобразователь давления теплового вакуумметра представляет собой тонкостенный корпус, внутри которого расположен нагреваемый электрическим током чувствительный элемент (обычно платиновая нить). По конструкции тепловые преобразователи подразделяют на термопарные и терморезисторные. Тепловые вакуумметры измеряют полное давление газов и паров в диапазоне 10 -2 — 104 Па. Возможность измерения низких давлений ограничена влиянием побочного теплообмена (например, тепловым излучением нити).

Пульт управления установки ВУП-5.

ПОДГОТОВКА ПОДЛОЖЕК Удаление загрязнений с поверхности подложки проводится с помощью растворителей (ацетон, этанол, четыреххлористый углерод и др. ) Очистка подложки происходит на установке, состоящей из кварцевой колбы, в которую помещают растворитель и подложку. Нагрев осуществляется с помощью спиртовой горелки. Пары растворителя конденсируются обратным холодильником. Установка располагается в вытяжном шкафу (внешний вид на следующем рис).

ЭТАПЫ ПОДГОТОВКИ ПОДЛОЖЕК 1) Помещаем подложки в колбу из термостойкого стекла с ацетоном марки «осч» 2) Устанавливаем обратный водяной холодильник 3)Кипятим в ацетоне подложки ЭК In. Sb+Mn. Sb 5 -7 минут с помощью спиртовой горелки. ОТКУДА? У нас только IN на подложке? 4) Выключаем горелку и отключаем обратный холодильник 5) Охлаждаем колбу и достаем подложки Работу проводим под вытяжкой, в халате и перчатках!

Внешний вид установки

Экспериментальное определение толщины пленок индия Для определения толщины пленок проводились взвешивания подложек до и после напыления индия. Зная массу, плотность и площадь пленки In, была определена толщина пленки In согласно: h=104*(m 2 -m 1)/(ρ*S), где h – толщина пленки, мкм m 1 – масса подложки, г m 2 – масса подложки с пленкой, г S – площадь подложки, см 2 ρ – плотность In, г/см 3

Характеристики аналитических весов AUX-220 Предельная масса: до 200 г; Чувствительность: 1*10 -4 г; ЖК-дисплей; Размеры: 176 X 60 x 272 мм NW: 0. 82 кг; GW: 1. 76 кг.

Порядок работы на аналитических весах AUX 220 Включаем весы кнопкой «POWER» 2) Проводим калибровку нажатием кнопки «CAL» , ждем пока на дисплее появится надпись «CAL 0» , затем 0. 000 g 3) Взвешиваем подложку 4) Взвешиваем подложку с напыленной пленкой 1) 1) А НАПЫЛЕНИЕ МАРГАНЦА , СУРЬМЫ? 5) КОГДА ЭТО БУДЕТ? И ОТЖИГ?

Варианты заданий: Рассчитать толщину пленки In 1) α=0, 5; Tи=1000(K); t=30(c); du=5(мм); dn=20(мм) 2) α=0, 3; Tи=1100(K); t=15(c); du=3(мм); dn=20(мм) 3) α=0, 1; Tи=1200(K); t=10(c); du=2(мм); dn=20(мм) 4) α=0, 4; Tи=1300(K); t=5(c); du=5(мм); dn=20(мм) 5) α=0, 3; Tи=1250(K); t=10(c); du=5(мм); dn=20(мм) 6) α=0, 2; Tи=1350(K); t=5(c); du=4(мм); Sn=60(мм) 7) α=0, 1; Tи=1150(K); t=20(c); du=5(мм); Sn=60(мм)

Лабораторная работа№ 3 Синтез гетероструктуры ферромагнетик (In. Sb + Mn. Sb) полупроводник (In. Sb) методом Жидкофазной эпитаксии

Контрольные вопросы 1) Основные требования к расплаву-растворителю. 2) Расчёт толщины полученных эпитаксиальных слоёв при изотермическом варианте процесса. 3) Расчёт толщины полученных эпитаксиальных слоёв при неизотермическом варианте процесса. 4) Схема установки для ЖФЭ. 5) Схема устройства пенального типа для осуществления контакта раствор-расплав с подложкой. 6) Схема устройства прокатного типа для осуществления контакта раствор-расплав с подложкой. 7) Регламенты проведения процесса ЖФЭ а) изотермический вариант б) неизотермический вариант

Цель работы – освоить метод жидкофазной эпитаксии. Задачи: 1)Изучить процессы получения эпитаксиальных слоев In. Sb 2)Рассчитать толщину эпитаксиальных слоев In. Sb на основе данных ликвидуса системы In – In. Sb 3) Экспериментально измерить толщину эпитаксиального слоя In. Sb на подложке Э. К. In. Sb + Mn. Sb

Порядок работы 1) Подготовка реактора установки жидкофазной эпитаксии к работе: очистка, промывка в растворителях(ацетон, этиловый спирт, дистиллированная вода), осушка, нанесение вакуумной смазки на шлиф. 2) Установка кассеты с подложкой в реактор. Помещение реактора в печь. Подсоединение к системе напуска инертного газа или H 2, установка шлифа. 3) Откачка до 10 -3 Па, прокачка реактора инертным газом, включение нагревателя и регулятора температуры. 4) Осуществление технологического режима согласно полученного технологического задания на основе ликвидуса системы In-Sb.

Выбор технологических условий ЖФЭ основан на данных кривых ликвидуса системы In-In. Sb Фазовая диаграмма In-Sb

Установка для ЖФЭ 1, 2, 4, 13 - вакуумные вентели 3 - слайды 5 - термопарная вакуумная лампа 6 -подложка (In. Sb+Mn. Sb) с прекурсорами (In) 7 -вакуумный насос 8 - сапфировые пластины 9 - затворный механизм 10 -нагреватель 11 - тепловой экран 12 - кварцевый реактор 14 - баллон с Ar или H 2 15 -водяной затвор 16 - термопара 17 - шлиф (крышка со шлифом)

Проведение жидкофазной эпитаксии. 1) Нагрев до температуры процесса (~5 ч) 2) Выдержка (5 ч). В это время образуется раствор-расплав In. Sb+Mn. Sb 3) Охлаждение до Tk=800 С(1 час) 4) Формирование эпитаксиального слоя (12 ч) 5) Выключение ◦ СУДЯ ПО СЛ. 42 все при 1000 град впрах расплавится? 100 о в час

Работа с оптическим микроскопом (EPIQUANT)

Задача Расчет толщины эпитаксиального слоя 1. h=0. 01 cm, T 0=520 C , Tk=515 C 2. h= 0. 005 cm, T 0=515 C , Tk=505 C 3. h=0. 004 cm, T 0=500 C , Tk=490 C 4. h=0. 006 cm, T 0=495 C , Tk=470 C 5. h=0. 007 cm, T 0=580 C , Tk=465 C 6. h=0. 01 cm, T 0=460 C , Tk=445 C 7. h=0. 001 cm, T 0=470 C , Tk=450 C НУЖЕН ЗАКЛЮЧ. СЛАЙД-итог работы!