СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНКИ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ НА САПФИРОВОЙ ПОДЛОЖКЕ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MAKING ALUMINIUM NITRIDE FILM ON SAPPHIRE SUBSTRATE AND INSTALLATION FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к технологиям получения полупроводниковых материалов и предназначен, в частности, для производства коротковолновых и СВЧ оптоэлектронных полупроводниковых приборов, работающих при высокой температуре и в агрессивных средах.
Известна технология выращивания объемных монокристаллов нитрида алюминия (AlN) сублимационным методом (Т.Ю.Чемекова, Авдеев О.В., Бараш И.С. ООО «Нитридные кристаллы». «Сублимационный рост объемных кристаллов AlN и подложки из них», Санкт-Петербург, chemekova@n-crystals.fi.ra. Тел.: (812) 103-1397, факс: (812) 103-1398).
Технология реализована в нескольких вариантах: рост монокристалла в термически и химически стабильном вольфрамовом тигле в установке с вольфрамовой оснасткой (резистивный нагреватель, экранная изоляция и т.д.), в карбидизированном танталовом тигле с графитовой оснасткой (ВЧ-нагреватель, графитовая изоляция и т.д.) и в графитовом тигле. В частности, такую технологию применяют для получения монокристаллов AlN на подложке из карбида кремния (SiC). При этом в качестве источника используют спрессованный и предварительно обработанный высокой температурой поликристаллический AlN. Таким методом удается получить объемные монокристаллы диаметром до 20 мм.
Недостатки указанной технологии получения нитрида алюминия заключаются в больших энергозатратах, так как по своей сути является высокотемпературным синтезом, протекающим при температуре (2200-2500)°С, а также больших технологических трудностях, связанных с получением самих SiC подложек большого диаметра, что сказывается на себестоимости изделия.
Известен также способ получения полупроводниковых твердых растворов нитрида алюминия методом магнетронного распыления (Сафаралиев Г.К. «Пленки и покрытия - 2005». Труды 7-й международной конференции. Санкт-Петербург, изд-во Политехнического университета, 2005), который можно выбрать в качестве прототипа.
(1-x)
x
При этом способе в качестве подложки использована монокристаллическая пластина карбида кремния или сапфир, который дешевле. В качестве источника использована мишень поликристаллического твердого раствора карбида кремния и нитрида алюминия SiCAlN, полученная холодным прессованием субмикронных порошков ингредиентов. Осаждение пленки осуществляется на подложку с помощью ионно-плазменного магнетронного распыления. При этом температура осаждения пленок значительно ниже и составляет 600-1200 градусов. Положительные качества данного способа заключаются в упрощении технологии получения пленок и уменьшении энергетических затрат.
Вместе с тем, при испарении материала источника содержащийся в нем атомарный азот не полностью доходит до поверхности подложки, потому что происходит образование молекулярного азота, который при таких температурах не вступает в химическую реакцию с алюминием.
Техническая задача, решаемая с помощью предлагаемого изобретения, заключается в получении монокристаллической пленки AlN при низких температурах на относительно дешевой сапфировой подложке диаметром до 100 мм.
Для реализации поставленной задачи в качестве источника выбран не поликристаллический нитрид алюминия, как в прототипе, а высокочистый алюминий. Он термически испаряется при помощи ионно-плазменного испарителя, вступает в реакцию с атомарным азотом, полученным в плазме высокочастотного разряда, и осаждается на поверхность предварительно азотированной сапфировой подложки под воздействием направленного электрического поля.
Конструкция одного из возможных вариантов установки приведена на чертеже, где в вакуумной камере 1 размещены ионно-лучевой испаритель 2, тигель с испарителем 3 и нагреватель 4. На нагревателе закреплена сапфировая подложка 5. Установка снабжена источником атомарного азота, включающим кварцевый стакан 6 с трубкой 7 для подачи реакционного газа (молекулярного азота). Внутри стакана установлен высокочастотный разрядник конденсаторного типа с алюминиевыми обкладками 8 и сетчатым электродом 9. Сапфировая подложка установлена на токопроводящем креплении 10. К сетчатому электроду 9 и креплению 10 подведено постоянное напряжение, а к обкладкам 8 подведено высокочастотное (ВЧ) напряжение. Обкладки и сетчатый электрод выполнены из высокочистого алюминия.
Установка работает следующим образом.
2
После создания вакуума в камере 1 при помощи электронно-лучевого излучателя 2 производят термическое испарение источника 3 (высокочистого алюминия). При этом атомы испаренного алюминия достигают поверхности предварительно нагретой примерно до 1200° сапфировой подложки 5. Для того чтобы реакционный газ - азот (N), подаваемый в стакан 6 через трубку 7, вступил при таких низких температурах в реакцию с Al с образованием AlN, производят его расщепление до химически активного (атомарного) состояния плазмой высокочастотного разряда, подаваемого на алюминиевые обкладки 8. Атомарный азот в плазме ВЧ - разряда ионизируется, что позволяет направить его к поверхности сапфировой подложки направленным электрическим полем, созданным между сетчатым электродом 9 и креплением подложки 10. После завершения процесса нанесения AlN, давление в вакуумной камере выравнивают до атмосферного и готовый кристалл извлекают из установки.