Учебно-методический комплекс дисциплины «основы нанотехнологий» (стр. 2 )

Плазменно-химическое осаждение из газовой фазы

Технология плазмохимического осаждения использует газоразрядную плазму для разложения реакционного газа на активные радикалы. Применение различных приемов возбуждения плазмы в реакционном объеме и управление ее параметрами позволяет интенсифицировать процессы роста покрытий, проводить осаждение аморфных и поликристаллических пленок при значительно более низких температурах подложки, делает более управляемыми процессы формирования заданного микрорельефа, структуры, примесного состава и других характеристик покрытия по сравнению с аналогичныхи процессами при химическом осаждении из газовой фазы (CVD), основанном на термическом разложении реакционного газа.

Рисунок 1 – Пример применения ПХО: Массив углеродных нанотрубок, выращенных на металлических катализаторах.

УНТ были получены из плазмы, содержащей ацетилен и аммиак в соотношении 1:3, при температуре 750 °С и при пониженном давлении.

Изменение технологических режимов модуля плазменного осаждения из газовой фазы позволяет получать нанотрубки различной длины и диаметра.

Вопросы для самоконтроля

1 Опишите химическое осаждение из газовой фазы.

2 Какова цель метода химического осаждения из газовой фазы?

3 Опишите плазменно-химическое осаждение из газовой фазы.

Лекция 3

Тема. Молекулярно – лучевая эпитаксия.

Вопросы

1 Эпитаксия газофазная.

2 Хлоридный метод.

3 Силановый метод.

4 Легирование.

Газофамзная эпитаксия – получение эпитаксиальных слоев полупроводников путём осаждения из паро-газовой фазы. Наиболее часто применяется в технологии кремниевых, германиевых и арсенид-галлиевых полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Процесс проводится при атмосферном или пониженном давлении в специальных реакторах вертикального или горизонтального типа. Реакция идёт на поверхности подложек (полупроводниковых пластин), нагретых до 750 - 1200 °C (в зависимости от способа осаждения, скорости процесса и давленив реакторе). Разогрев подложек осуществляется инфракрасным излучением, индукционным или резистивным способом. Понижение температуры процесса ниже предельной для данных конкретных условий осаждения ведет к формированию поликристаллического слоя. С другой стороны, оно дает возможность снизить ширину диффузионной переходной области между эпитаксиальным слоем и подложкой, наличие которой ухудшает характеристики получаемых приборов.

Существуют два основных способа получения эпитаксиальных слоев кремния методом газофазной эпитаксии:

– водородное восстановление тетрахлорида кремния (SiCl4), трихлорсилана (SiHCl3) или дихлорсилана (SiH2Cl2);

– пиролитическое разложение моносилана.

Хлоридный метод

При использовании в качестве источника тетрахлорида кремния суммарная реакция может быть записана в виде:

SiCl4+2H2(сухой)=Si+4HCl

Реакция обратимая, и при повышении температуры и/или концентрации хлорида начинает идти в обратную сторону. Реакции восстановления трихлорсилана и дихлорсилана являются промежуточными в реакции водородного восстановления тетрахлорида кремния. Поэтому их применение в качестве источников кремния позволяет повысить технико-экономические показатели процесса. В то же время при выборе источника учитывают специфику применяемых веществ. Трихлорсилан и тетрахлорид кремния при комнатной температуре являются жидкими, а дихлорсилан - газообразным. Тетрахлорид кремния является менее опасным при хранении и транспортировке, поэтому трихлорсилан обычно используют при наличии его собственного производства.

В целом процесс водородного восстановления тетрахлорида кремния может быть описан следующей системой реакций:

SiCl4 + H2 <--> SiHCl3 + HCl;

SiHCl3 + H2 <--> SiH2Cl2 + HCl;

SiH2Cl2 <--> SiCl2 + H2;

SiHCl3 <--> SiCl2 + HCl;

SiCl2 + H2 <--> Si + 2HCl

Скорость роста слоя – 0,1-2,0 мкм/мин в зависимости от источника кремния, температуры и давления. Она пропорциональна концентрации кремнийсодержащего компонента в парогазовой фазе.

Ограничения метода: невозможно наращивать эпитаксиальную плёнку на сапфировых подложках, поскольку хлористый водород при этих условиях травит сапфир.

Газообразные примеси

Газообразные примеси в большинстве случаев позволяют строить более простую установку, однако нестабильны при хранении и высокотоксичны (фосфин, диборан, арсин)

Наиболее часто в этом качестве используется арсин AsH3.

Жидкие примеси

Жидкие легирующие примеси заливают в отдельный термостатированный дозатор барботажного типа (если примесь плохо испаряется) или испарительного типа (если хорошо испаряется), в который подают газ-носитель H2. Однако в этом случае труднее регулировать концентрацию примеси в эпитаксиальном слое.

Твёрдые примеси

Твёрдые легирующие примеси распыляются искровым разрядом и далее транспортируются в реакционную камеру водородом, либо испаряются в низкотемпературной зоне печи (для данного метода строятся двухзонные печи).

Вопросы для самоконтроля

1 Какие примеси вы знаете?

2 Какие методы вы знаете? Перечислите их.

3 Основные методы легирования.

Лекция 4

Тема. Методы, использующие сканирующие зонды.

Вопросы

1 Принцип работы СЗМ.

2 Электрохимическое травление.

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM – Scanning Probe Microscope) – класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике за 1986 год, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска. Отличительной СЗМ особенностью является наличие:

– зонда,

– системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,

– регистрирующей системы.

Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зонд-образец. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор.

Основные типы сканирующих зондовых микроскопов:

– сканирующий атомно-силовой микроскоп;

– сканирующий туннельный микроскоп;

– ближнепольный оптический микроскоп.

Принцип работы

Рисунок 1 – Схема работы атомно-силового микроскопа.

Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и образцом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения, и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).

Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа:

– конец зонда должен иметь размеры сопоставимые с исследуемыми объектами.

– обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.

– детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра.

– создание прецизионной системы развёртки.

– обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью.

Вопросы для самоконтроля

1 Какие микроскопы вы знаете?

2 Какие вы знаете сложности при создании сканирующего зондового микроскопа?

3 Принцип работы СЗМ.

Лекция 5

Тема. Сканирующая туннельная микроскопия.

Вопросы

1 Сканирующие зондовые микроскопы.

2 Сканирующий туннельный микроскоп.

3 Сканирующий атомно-силовой микроскоп.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером из лаборатории IBM в Цюрихе в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике за 1986 год, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска.

В СССР первые работы по этой тематике была сделаны в 1985 году в Институте Физических проблем АН СССР.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM – scanning tunneling microscope) – вариант сканирующего зондового микроскопа, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения 1-1000 пА при расстояниях около 1 Е. Сканирующий туннельный микроскоп первый из класса сканирующих зондовых микроскопов, атомно-силовой и сканирующий ближнепольный оптический были разработаны позднее.

В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и показания следящей системы меняются в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот. Другая методика предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае фиксируется изменение величины туннельного тока и на основе данной информации идет построение топографии поверхности.