Наноматериалы и нанотехнологии

8.МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ИССЛЕДОВАНИЯ

ИФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР

8.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия

При молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) пучки атомов на-

правляются в сверхвысоком вакууме на нагретую подложку, где производится синтез соединения и рост эпитаксиального слоя. Источники пучков атомов – испарительные ячейки. В каждой ячейке содержится свой материал. Испарительные ячейки называются эффузионными ячейками Кнудсена (эффузия – медленное истечение газа через малое отверстие).

наращиваемого соединения (Ga, In, As, P); 5 – ячейки для испарения лигирующих элементов; I – зона генерации атомных пучков; II – зона смешивания пучков; III – зона эпитаксиального роста. Количество испарительных ячеек равно числу компонентов в каждом слое. Концентрация элементов в растущем слое определяется интенсивностью пучков, которая задается температурой в ячейках. Состав можно менять после завершения формирования каждого слоя. С помощью заслонок 3 можно включать и выключать любой атомарный поток, создавая резкий профиль изменения состава в гетеропереходе.

Общая схема ростовой камеры показана на рис. 8.2. Камера

сконструирована из нержавеющей стали. В ней поддерживается высокий вакуум: давление 10–10–10–12 мм рт. ст. (10–8–10–10 Па). Каждая

ячейка 3 окружена криоэкранами 4, охлаждаемыми жидким азотом 77 К, вторая криопанель расположена по периферии камеры. Имеются заслонки 2 отдельных ячеек и общая заслонка 6. Подложка расположена на вращающемся держателе 7, несущем ее и устройство подогрева. Повышение однородности растущего слоя достигается вра-

131

щением подложки. Оно передается от специального двигателя через ось 10. Контроль вакуума осуществляется измерителем 8. В камере имеются смотровые окна, вакуумный шлюз 9 для смены образцов, электронная пушка 5 и флуоресцирующий экран 1. Они используются для контроля роста, качества поверхности, ориентации поверхности и постоянной решетки (непосредственно при эпитаксии). Скорость роста – 1 монослой в 1 с, примерно 1 мкм/ч [6].

Рис. 8.2. Общая схема ростовой камеры

На растущей поверхности происходят следующие процессы:

1.Адсорбция (поглощение поверхностным слоем) падающих на поверхность атомов.

2.Поверхностная диффузия адсорбированных атомов (105 –106 прыжков атомов по поверхности до встраивания в решетку).

3.Встраивание в кристаллическую решетку адсорбированных атомов основного вещества.

4.Десорбция – испарение атомов, не встроившихся в решетку. Контроль растущей поверхности осуществляется методом ди-

фракции быстрых электронов. Пучок электронов из электронной пушки 5 рис. 8.2 с энергией 10–50 кэВ падает на исследуемую поверхность под скользящим углом 1–2° к поверхности. Электроны проникают только на глубину нескольких поверхностных атомных слоев. Они испытывают дифракционное отражение от монослоев

132

ипадают на флуоресцирующий экран. Если монослои имеют вид кристаллической решетки, то дифракционная картина – это упорядоченные световые пятна (рефлексы). Если слои атомно-гладкие, то картина – параллельные полосы. На начальном этапе, когда поверхность подложки покрыта пленкой окисла, наблюдаются размытые рефлексы на диффузионном фоне.

Сростом температуры подложки, по мере десорбции оксида, уменьшается диффузионный фон и увеличивается интенсивность рефлексов. При последующем отжиге поверхность сглаживается,

ирефлексы вытягиваются в полосы – поверхность готова к эпитаксиальному наращиванию слоев.

Другой метод контроля растущей поверхности – это осцилляция интенсивности зеркально отраженного пучка электронов (не деф-

рагированных электронов).

При росте монослоя по механизму образования двумерных зародышей условия на поверхности периодически меняются со временем, и периодически меняется отражательная способность поверхности. Максимум отражательной способности соответствует полностью заполненному монослою, т.е. отсутствию островков. Минимум отражательной способности соответствует случаю, когда островки занимают половину поверхности. Период осцилляции Т равен времени наращивания одного монослоя.

По картине осцилляций определяют скорость роста и моменты

завершения формирования слоев. При выращивании структур с квантовыми ямами, границами ям должны быть полностью завершенные слои и число слоев в яме строго определено. Поэтому переключение заслонок 2 на рис. 8.2 должно производиться точно в моменты максимумов интенсивности. Установка молекулярно-лучевой эпитаксии обеспечивает выращивание слоев с контролируемыми параметрами.

Достоинства технологии МЛЭ:

1. Возможность формирования атомно-гладких границ слоев, что принципиально важно для наногетероструктурных приборов.

133

2.Получение перечисленного количества завершенных слоев, начиная с одного монослоя, что важно для структур с квантовыми ямами.

3.Возможность получения резких скачков концентрации компонентов в слоях.

4.Возможность создания структур со сложным распределением концентрации основных и примесных элементов.

5.Наличие сверхвысокого вакуума в рабочей камере исключает высокий уровень загрязнения подложки и растущих слоев.

6.Низкие температуры роста минимизируют диффузию в границе между слоями.

7.Возможность контроля и коррекции роста непосредственно

входе процесса, диагностика роста, точный контроль температуры подложки и ячеек, компьютерное управление параметрами процесса.

Недостатком технологии МЛЭ является более дорогая по сравнению с газофазной эпитаксией из металлоорганических соединений, которая реализуется при высоких температурах и приводит к заметной диффузии атомов и размыванию границ слоев.

Технология МЛЭ является главной при получении полупроводниковых наногетероструктур и высококачественных тонких пленок

на основе полупроводниковых соединений A3B5 , A2B6 , SiGe и др.

8.2. Формирование квантовых точек посредством самоорганизации при эпитаксии

Экспериментально установлено, что при осаждении атомов на подложку из газовой фазы наблюдаются три типа начальной стадии роста:

1.Механизм Франка–Ван-дер-Мерве. Осаждаемый материал смачивает подложку. Постоянные решеток практически совпадают. Происходит послойный двухмерный рост (рис. 8.3, а).

2.Механизм Фольмера–Вебера. Осаждаемый материал не смачивает подложку (из-за различия свойств или большой разницы в постоянных решеток). Происходит островковый трехмерный рост. Ма-

134

териал В стягивается в наноостровки на поверхности подложки

(рис. 8.3, б).

3. Механизм Странского–Крастанова (рис. 8.3, в). Осаждаемый материал смачивает подложку, но имеется рассогласование постоянных решеток в несколько процентов. Этот механизм используется для получения массивов квантовых точек арсенида индия InAs в матрице арсенида галлия GaAs (рассогласование 7 %) или квантовых точек германия в матрице кремния.

Рис. 8.3. Схемы трех видов начальной стадии гетероэпитаксиального роста [6]: материал В осаждается на подложку А: а – механизм Франка–Ван-дер- Мерве; б – механизм Фольмера–Вебера; в – механизм Странского–Крастанова

На начальном этапе идет послойный рост материала В на подложке А с образованием смачивающего слоя. Затем происходит переход к формированию трехмерных островков из материала В на покрытой подложке. Каждая вертикальная атомная плоскость подложки продолжается в объеме островка. Однако островок становится «когерентно напряженным».

Постоянная решетки InAs больше, чем у GaAs. При осаждении InAs на подложку GaAs сначала формируется слой InAs. Этот слой, напряженный из-за различия решеток ячейки стремятся выгнуться. При увеличении толщины слоя упругая энергия растет. Связи между атомами слоя начинают рваться, некоторые атомы частично освобождаются. Происходит перераспределение материала, и образуются трехмерные островки (рис. 8.3, в). Когда образуется островок, решетка InAs частично распрямляется и получается выигрыш в энергии. Образование островков начинается после осаждения

1,6–1,7 слоев InAs.

135

После осаждения четырех монослоев получается плотный массив островков правильной формы. Если теперь на островки InAs снова нарастить GaAs, получатся квантовые точки InAs узкозонного полупроводника в матрице GaAs широкозонного полупроводника.

Формирование массивов островков наблюдается также в систе-

мах Si–Ge, InAs–InP, AlInAs–AlGaAs. Для заданных условий роста

существует определенный размер островков, который соответствует минимуму энергии системы. Островки ограняются поверхностями

смалой энергией системы. На подложке GaAs с ориентацией индексов Миллера (100) равновесная форма островков InAs пирамидки

сквадратным основанием (тетраэдры).

Взаимодействие островков на поверхности – всегда отталкивание, что обеспечивает устойчивость массива островков. Для лазер-

ных структур необходима плотность островков ≈1011 см2.

С ростом температуры подложки увеличивается размер основания, уменьшается высота и уменьшается поверхностная плотность островков. Эти параметры зависят также от давления паров мышьяка. Подбор оптимальных условий осуществляется экспериментально. Для системы InAs − GaAs минимальный размер островков 4 нм и максимальный 20 нм, когда их можно рассматривать как квантовые точки, имеющие хотя бы один энергетический уровень.

Вертикальные массивы квантовых точек получают путем покрытия островков несколькими слоями материала подложки, с последующим осаждением нового слоя островков. Островки нового слоя будут строго располагаться над островками предыдущего слоя, вследствие наличия напряжений в монослоях подложки над вершинами нижнего слоя островков.

Регулируя толщину осажденных слоев GaAs, можно получить туннельно-связанные и электронно-связанные квантовые точки в вертикальных массивах.

136

8.3. Нанолитография

Нанолитографией (литография в нанометровом масштабе) называется нанесение на подложку рисунка, один из размеров которого находится в нанодиапазоне до 100 нм.

Литографией в микроэлектронике называют различные методы микрогравировки диэлектрических, металлических и полупроводниковых слоев, используемых при изготовлении интегральных микросхем (ИМС). Основным методом в технологии ИМС в настоящее время является фотолитография – фотохимический метод микрогравировки. Кроме оптической литографии, в зависимости от источника излучения, используются рентгенолитография, электронолитография и ионолитография. Это лучевые и пучковые методы литографии.

Оптическая проекционная литография: изображение фотошаблона (маски) проектируется на поверхность фоторезиста с помощью специальной оптической системы (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Взаимное расположение элементов проекционной системы [6]

Разрешающей способностью метода фотолитографии называется число линий N одинаковой ширины amin , разделенных проме-

жутками той же ширины, которое можно получить на 1 мм поверхности резиста

137

N = 1000 .

2amin

На практике под разрешающей способностью подразумевается характеристика amin .

Фотолитография имеет физический предел разрешающей способности. Он определяется для проекционной системы дифракционным критерием Рэлея (изображение двух близко расположенных точек видны раздельно):

amin = nsinkλθ ,

где k ≈ 0,3...0,6 для УФ-излучения; λ – длина волны излучения; n – показатель преломления; θ – половина апертурного угла выхода; nsin θ – числовая апертура.

Проекционная система работает с уменьшением рисунка шаблона (обычно 4:1) (см. рис. 8.4).

При данной длине волны можно отобразить детали на поверхности фоторезиста размером до половины длины волны. До 2003 г. в фотолитографии применялась длина волны λ = 248 нм излучения

фторкриптонного KrF эксимерного (активная среда – молекулы галогена инертных газов) лазера, чему соответствует amin ≈120 нм.

Нанолитография в дальнем экстремальном вакуумном ультра-

фиолете (ЭУФ). Излучение ЭУФ лежит в диапазоне 10–50 нм, и граничит с мягким рентгеном 0,5–10 нм. Эта нанолитография предназначена для изготовления микропроцессорных интегральных микросхем сверхвысокого уровня интеграции до 108–1010 элементов на кристалле. Принцип действия ЭУФ-нанолитографа: пошаговое экспонирование чипов при помощи проекционной отражательной оптической системы с последующим сканированием

(рис. 8.5).

138

8-зеркальный промышленный ЭУФ-литограф сможет обеспечить апертуру ≈ 0,4 и разрешение ≈ 20 нм.

4. Образец с нанесенным резистом 5. Здесь необходимы специальные резисты с высоким контрастом и чувствительностью. Например, кремний-водородные (силановые) полимеры, селенид мышьяка

(AsSe).

Рентгенолитография позволяет достигать разрешения до 15 нм при использовании источника излучения с длиной волны 1 нм.

Электронно-лучевая литография для построения рисунка ис-

пользует пучок электронов. Это медленный последовательный процесс в отличие фотолитографии, в которой рисунок наносится сразу на всю поверхность.

8.4. Импринт-литография (нанопечатная литография)

Технология основана на прессовании резиста с последующим переносом рисунка на пластину полупроводника. Изображение в слое резиста создается физической деформацией резиста. Роль шаблона играет пресс-форма (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Этапы нанесения рисунка на резист (I–IV) и электронные фотографии отверстий в резисте после напыления [6]

Рисунок на резист наносится в следующей последовательности

(см. рис. 8.6):

I. На подложке 1 при помощи центрифуги создается плоскопараллельный слой резиста 2.

140