Совершенствование технологии выращивания полупроводниковых гетероструктур методом МОС-гидридной эпитаксии на основе программного комплекса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Арбенин, Дмитрий Евгеньевич

• Арбенин, Дмитрий Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Арбенин, Дмитрий Евгеньевич

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии выращивания полупроводниковых гетероструктур методом МОС-гидридной эпитаксии на основе программного комплекса»

Цель работы.5

Научная новизна.5

Практическая значимость.6

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДМЕТНЫХ ОБЛАСТЕЙ.7

1.1 эпитаксиальная технология.7

1.1.1. Особенности формирования кристаллической структуры полупроводников.8

1.1.2. Основные группы методов зпитаксиальной технологии.20

1.1.3. Метод МОСГФЭ.23

1.1.4. Свойства полупроводников, применяемых при создании гетероструктур методами эпитаксиалыюй технологии.26

1.1.4.1. Общая характеристика.26

1.1.4.2. Классификация полупроводников.28

1.1.4.3. Основные свойства полупроводников.30

1.1.4.4. Арсенид галлия.35

1.1.5. Установки для проведения процесса эпитаксии.36

1.1.5.1. Общие характеристики различных установок.36

1.1.5.2. Особенности установок серии AIX и «Сигмос-130».39

1.2 Разработка специализированных программных комплексов.43

1.2.1. Системный анализ.43

1.2.2. Моделирование.55

1.2.2.1. Вычислительный эксперимент.64

1.2.3. Виды, функциональные возможности и области применения специализированных программных комплексов.65

1.2.3. Создаваемые решения в области специализированных программных комплексов.67

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ ФОРМАЛИЗОВАННОГО ОПИСАНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА.82

2.1. постановка задачи.82

2.2. Взаимосвязь параметров процесса эпитаксии.86

2.3. Экспериментальные данные, используемые в СПК.97

2.3.1. Нелегированные эпитаксиальные слои GaAs.97

2.3.2. Эпитаксиальные слои GaAs, легированные Zn, Si, С.105

2.3.3. Возможные неполадки при работе «Сигмос-130» и пути их устранения.115

2.4. план проведения процесса выращивания эпитаксиальных слоев. 116

2.5. Формализация задач СПК.118

2.5.1. Выбор среды реализации СПК.137

2.5.1.1. Среда разработки Borland Delphi.150

2.5.2. Алгоритмы СПК.158

ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА.165

3.1. Структура СПК.165

3.2. Загрузочный модуль.165

3.3. Управляющий модуль.166

3.4. Модуль «Оценка параметров процесса и характеристик слоев».166

3.5. Модуль «Справочная информация».167

3.6. Модуль «Эксперимент, управляющий компьютер».168

3.7. Модуль «Установка».170

3.8. Модуль «Схема установки».170

3.7. Модуль «исследование структуры».172

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА. 175

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.179

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.182

Принятые сокращения

Сокращение Расшифровка спк Специализированный программный комплекс эс Эпитаксиальный слой

ГС Гетероструктура

Введение

Актуальность работы

Основные элементы большинства современных приборов твердотельной электроники, в том числе, оптоэлектроники, микрофотоэлектроники, солнечной энергетики создаются на основе полупроводниковых гетероструктур, выращиваемых методами эпитаксиальной технологии.

Необходимость расширения возможностей приборов требует, в первую очередь, совершенствования основных элементов, а следовательно, и их технологии производства. Для эпитаксиальной технологии можно выделить два основных пути модернизации. Первый - применение новых компонентов, обладающих лучшими свойствами, в качестве основы гетороструктур или разработка более совершенных методов создания гетороструктур. Второй - совершенствование применяемых методов. Во втором случае актуальными направлениями в улучшении характеристик выращиваемых гетероструктур, а также в повышении эффективности производства являются:

• разработка новых источников, позволяющих снизить загрязнение слоев различными фоновыми примесями;

• разработка высокопроизводительного оборудования с применением элементов оснастки, также позволяющих снизить загрязнение слоев;

• подбор технологических режимов выращивания, позволяющих достичь требуемых характеристик гетероструктур.

В связи с выполнением значительного количества расчетов и необходимостью учета большого числа факторов в исследованиях, возникает потребность в применении специализированных компьютерных программных систем, позволяющих проводить вычислительные эксперименты, снижая трудоемкость поставленных задач.

Немаловажным условием совершенствования и повышения эффективности производства является подготовка квалифицированных кадров, обладающих соответствующими знаниями и умениями для продуктивной работы и надлежащего обращения с дорогостоящим оборудованием. Задачи обучения также могут быть эффективно решены применением современных систем на основе компьютерных технологий. Возможности имитации процесса эпитаксии и оборудования с необходимой степенью детализации в сочетании с информацией о тонкостях технологии позволяют в сжатые сроки приобрести требуемые объем знаний относительно технологии и навыки по работе с оборудованием.

Цель работы

Подбор и совершенствование технологических режимов газофазной эпитаксии путем разработки специализированного программного комплекса.

Для достижения цели решаются следующие задачи:

1. формализованное описание задачи совершенствования эпитаксиальной технологии на основе системного анализа технологических процессов;

2. разработка архитектуры СПК, обеспечивающей осуществление вычислительных экспериментов по выращиванию полупроводниковых гетероструктур;

3. разработка алгоритмов, реализующих отдельные функции СПК;

4. реализация СПК на основе разработанной архитектуры и алгоритмов;

Научная новизна на основе системного анализа технологических процессов газофазной эпитаксии выполнено построение формализованного описания задачи совершенствования технологических режимов; ^ разработана архитектура СПК, обеспечивающая осуществление вычислительных экспериментов по выращиванию полупроводниковых гетероструктур; разработаны алгоритмы:

У описывающие эмпирически установленные зависимости характеристик выращиваемых эпитаксиальных слоев от контролируемых входных параметров процесса эпитаксии для слоев следующего состава: ваАз, ОаАз<гп>, ОаАз<8>, ОаАэ<С>; динамического изменения параметров процесса эпитаксии в ходе вычислительного эксперимента; описывающие поведение узлов установки с учетом возможности возникновения нестандартных ситуаций в ходе вычислительного эксперимента; построения графических моделей эпитаксиальных гетероструктур на основе результатов эксперимента; описывающие исследования гетероструктур применительно к моделям.

Практическая значимость

Основным практическим результатом работы является СПК, реализованный для установки «Сигмос-130» ФГУП «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» применительно к методу МОС-гидридной газофазной эпитаксии и обеспечивающий:

• подбор технологических режимов для достижения требуемых характеристик эпитаксиальных слоев с помощью вычислительных экспериментов, что позволяет экономить расходные материалы, время и средства;

• повышение квалификации персонала, что позволяет уберечь от износа и сохранить работоспособность дорогостоящего оборудования.

Работа выполнена на кафедре «Информационные технологии» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московская государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова» и на федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-исследовательский институт «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха».

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Арбенин, Дмитрий Евгеньевич

Заключение

Ниже изложены кратко сформулированные результаты диссертационной работы.

Последовательно проанализированы:

• современное состояние методов эпитаксиальной технологии, в частности, метода МОС-гидридной эпитаксии; определены ведущие позиции этого метода в производстве полупроводниковых структур для приборов твердотельной электроники последнего поколения в промышленных масштабах.

• предлагаемые решения в области разработки и применения специализированных программных комплексов для научно-исследовательских и производственных целей, в частности применительно к эпитаксиальной технологии.

Выявлена актуальность задач совершенствования эпитаксиальной технологии и повышения квалификации персонала производств полупроводниковой продукции путем разработки СПК.

Решены задачи, поставленные при разработке СПК.

1. Построено формализованное описание задач совершенствования эпитаксиальной технологии на основе системного анализа технологических процессов и повышения квалификации персонала. Формализованное описание выполнено в рамках стандартизированной в России методологии функционального моделирования ГОЕРО и представлено в виде комплекса графических диаграмм, связанных отношениями абстрагирования-детализации и отображающих информационные процессы при решении поставленных задач с применением СПК.

2. Разработана архитектура СПК, обеспечивающая осуществление вычислительных экспериментов по выращиванию полупроводниковых гетероструктур.

3. Разработаны алгоритмы, реализующие отдельные функции СПК:

• описывающие эмпирически установленные зависимости характеристик выращиваемых эпитаксиальных слоев от контролируемых входных параметров процесса эпитаксии для слоев следующего состава: СаАэ, ОаАБ<гп>, ОаАз<8>, ОаАз<С>;

• динамического изменения параметров процесса эпитаксии в ходе вычислительного эксперимента;

• описывающие поведение узлов установки с учетом возможности возникновения нестандартных ситуаций в ходе вычислительного эксперимента;

• построения графических моделей эпитаксиальных гетероструктур на основе результатов эксперимента;

• описывающие исследования гетероструктур применительно к моделям.

4. На основе разработанных архитектуры и алгоритмов реализован СПК, применительно к установке «Сигмос-130» ФГУП «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» и методу МОС-гидридной газофазной эпитаксии и обеспечивающий:

• подбор технологических режимов для достижения требуемых характеристик эпитаксиальных слоев с помощью вычислительных экспериментов, что позволяет экономить расходные материалы, время и средства;

• повышение квалификации персонала, что позволяет уберечь от износа и сохранить работоспособность дорогостоящего оборудования.

5. В составе СПК успешно реализованы полуэмпирические модели осуществления вычислительных экспериментов МОС-гидридной ГФЭ, позволяющие:

• не затрагивать закономерности и процессы внутренней системы установки «Сигмос-130»;

• определять характеристики выращиваемых эпитаксиальных слоев в зависимости от легко контролируемых входных параметров процесса на сравнительно простой расчетной базе, обеспечивающей в то же время большую точность нежели математические аппараты термодинамики, кинетики, тепло-и массопереноса;

• расширять возможности СПК применительно к полупроводниковым слоям различного состава, в том числе к соединениям AmBv, AnBlv и их трех- и четырехкомпонентным твердым растворам, и моделям установок МОСГФЭ с минимальными затратами времени и средств.

СПК поддерживает установку и обеспечивает исправную работу на ПК серии процессоров Intel Pentium II (или более современных) с одной из установленных операционных систем Microsoft Windows 98/2000/XP/2003/Vista. Не требует большого запаса свободного пространства на жестком диске, достаточно 60 Мб.

СПК внедрен на предприятии ФГУП «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» для совершенствования эпитаксиальной технологии, а также на кафедре ММОНЭ ГОУ ВПО «Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова» в целях обучения. Применение СПК в реальных условиях к задачам подбора технологических режимов МОС-гидридной эпитаксии дало положительный результат.

СПК также рекомендован к применению при проведении научных исследований в области газофазной эпитаксии полупроводниковых структур и на предприятиях, деятельность которых связана с производством полупроводниковых элементов и оборудования на их основе, в частности, в ГОУ ВПО «Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова» г. Москва, ГОУ ВПО «Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева» г. Москва, ГОУ ВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет" г. Иваново, ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» г. Казань, ОАО ГНЦ РФ «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет», ФГУП «Государственный Завод «ПУЛЬСАР» г. Москва, ОАО «НИИ Полупроводниковых приборов» г. Томск.

Намечены дальнейшие пути расширения возможностей СПК:

• расширение ряда составов эпитаксиальных слоев, для которых смогут быть подобраны и усовершенствованы режимы выращивания, в том числе такая возможность будет реализована для трех- и четырехкомпонентных твердых растворов;

• использование данных, полученных при проведении вычислительных экспериментов, для определения характеристик гетероструктур, обуславливающих применение последних в полупроводниковом приборостроении;

• включение в состав комплекса разработанного ранее решения, имеющего отношение к формированию топологии поверхности полупроводниковых гетероструктур.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Арбенин, Дмитрий Евгеньевич, 2010 год

1. В.И. Фистуль «Введение в физику полупроводников». М., 1984, 352 стр.

2. С.С.Горелик, М.Я. Дашевский. «Материаловедение полупроводников и диэлектриков». М., Металлургия, 1988, 575 стр.

3. В.В.Пасынков, В.С.Сорокин. «Материалы электронной техники». М., Высшая школа, 1986, 336 стр.4. «Технология полупроводникового кремния». Под ред. Э.С.Фалькевича. М., Металлургия, 1992, 210 стр.

4. Материалы электронной техники № 4. «Эпитаксия кремния на цилиндрическую поверхность». A.C. Гришко, Т.Т. Кондратенко, Д.Г. Крутогин, J1.B. Кожитов, Московский государственный институт стали и сплавов. М., 2004, с. 25-27.

5. Resch-Esser U. // III-V Rev. 1997. V. 10. N. 4. P. 34-37.

6. Химическая энциклопедия. M.: Сов. энциклопедия, 1988-1992. Т. 1. 1988. 623 с; Т. 3. 1992. 639 с.

7. Schmitz D., Deschïer M., Schulte F., Juergensen H. // Mater. Sei. and Eng. 1995. В 35. P. 102-108.

8. Bedair S. M. // Ibid. P. 1052-1062.

9. Dupuis R. D., ParkJ., Grudowski P. A. et al: // J. Cryst. Growth. 1998. V. 195. N. 1-4. P. 340-345.

10. Kizuki H. // Prog. Crystal Growth and Charact. Mater. 1997. V. 35. N. 2-4. P. 151175.

11. Usui A. // Proc. IEEE. 1992. V. 80. N 10. P. 1641-1653.

12. Norman A. G., Seong T.-Y., Ferguson I. T. et al. // Semicond. Sei. Technol. 1993. N 8. P. S9-S15.

13. Suntola 7. //Appl. Surf. Sei. 1996. V. 100/101. P. 391-398.

14. Gates M. S. // Chem. Rev. 1996. V. 96. P. 1519-1532.

15. Simka H., Willis В. G., Lengyel /., Jensen К. F. //Prog. Cryst. Growth and Charact. Mater. 1997. V. 35. N. 2-4. P. 117-149.

16. Iga R., Sugiura #., Yamada T. //Semicond. Sei. Technol. 1993. N8. P. 1101-1 111.

17. Schoen O., Schwambera M, Schindler В., Schmitz D. //J. Cryst. Growth. 1998. V. 195. N. 1-4. P. 297-303.

18. V.V. Arbenina, A.A. Marmaluk, Arbenin D.E., I.V. Budkin, Govorkov O.I. Liquid Etching of Metallization Layers on GaAs/AlcGal-xAs Heterostructures with HN03+ HC1+ Clycerol Mixture. Inorganic Materials, 2008, vol. 44, № 12, pp. 1278-1284, (англ.).

19. Арбенина B.B., Мармалюк A.A., Арбенин Д.Е., Будкин И.В., Говорков О.И. Травление смесью HN03+ НС1+ глицерин слоев металлизации на гетероструктурах GaAs/AlcGal-xAs. Неорганические материалы, 2008, т.44, № 12, с.1418-1424.

20. Арбенина В.В., Мармалюк A.A., Арбенин Д.Е. Исследование закономерностей процесса травления слоев металлизации, применяемой для создания контактов к полупроводниковым гетероструктурам GaAs/AlGaAs. Физико-химические40