Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Природа невоспроизводимости структуры и свойств материалов для микро- и наноэлектроники. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

1 / 71 2 3 4 5 6 7 > Следующая >>>

Н. В. Бодягин, С. П. Вихров,

Т. Г. Ларина, С. М. Мурсалов, В. Н. Тимофеев

ПРИРОДА НЕВОСПРОИЗВОДИМОСТИ

СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

2-е издание

Вузовское образование

Саратов • 2019

УДК 621.3 ББК 32.85

Рецензент:

Шеретов Э. П. — заведующий кафедрой

общей и экспериментальной физики

Рязанской государственной радиотехнической академии

Природа невоспроизводимости структуры и свойств

материалов для микро- и наноэлектроники [Электронный ресурс] :

учебное пособие / [Н. В. Бодягин и др]. — 2-е изд. — Электрон. дан. и прогр. (6 Мб). — Саратов: Вузовское образование, 2019. — 70 с.

ISBN 978-5-4487-0363-8

В учебном пособии изложены аспекты теории сложных систем и

самоорганизации применительно к технологиям материалов для микро- и наноэлектроники. Обоснованы новые методы устранения существующих проблем современного материаловедения.

Подготовлено в соответствии с требованиями Федерального государственного

образовательного стандарта высшего образования.

Предназначено для изучения дисциплины «Электроника» по направлению

подготовки высшего образования 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника». Кроме того, учебное пособие будет полезно студентам и аспирантам инженерно-технических специальностей и направлений, изучающих данную дисциплину.

Для создания электронного издания использовано:

Приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader,

разработанное на основе Adobe Air

ВВЕДЕНИЕ

Разработка все более сложных устройств микро- и наноэлектроники,

а также необходимость значительного увеличения скорости роста пленок при сохранении их приборных характеристик требуют более глубокого изучения закономерностей формирования структуры и свойств неупорядоченных материалов и их эволюции.

Необходимо решение ряда проблем технологий материалов, среди которых главной остается невоспроизводимость структуры и свойств материалов от одного технологического процесса к другому при условии, что все регулируемые параметры этих процессов задаются одинаковыми с максимально возможной точностью.

Эти проблемы обусловлены тем, что процессы образования твердотельного состояния рассматриваются с позиций равновесной термодинамики и не соответствуют сложным внутренним свойствам вещества во время синтеза.

Поэтому необходим иной подход в рассмотрении природы невоспроизводимости структуры и свойств вещества, который бы открыл новые возможности моделирования строения аморфных материалов, процессов их роста и управления в технологиях микро- и наноструктур.

1. ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ

На сегодняшний день в физике и технологии выращивания твердотельных материалов сложилась парадоксальная ситуация. Безусловно, эта отрасль знания достигла выдающихся успехов, которые существенно изменили лицо цивилизации и облик Земли [1]. Однако нельзя признать, что динамика развития этой отрасли, несмотря на кажущееся благополучие, остается положительной. Потребности цивилизации порождают проблемы такого уровня, с которыми справиться «классическими» методами управления свойствами материалов становится все сложнее, а некоторые из них вообще представляются неразрешимыми. Ощущение потребности изменения ситуации начинает проявляться практически во всех технологиях. Несмотря на разнородность проблем технологий различных материалов, вполне определенная группа из них является общей [2]:

- невоспроизводимость структуры и свойств получаемых матери-

алов. В структуре материалов всегда присутствуют различные неконтролируемые и непредсказуемые с точки зрения технологии структурно-химические неоднородности: дефекты, дислокации, зерна, границы зерен и другие [3-4]. Фактически не удается получать в точности подобную структуру от процесса к процессу. Это свойство является следствием индивидуальности условий получения (отдельно взятый процесс получения никогда в точности не воспроизводится) и чувствительности вещества к этим условиям. Индивидуальность структуры полученного материала и, как следствие, невоспроизводимость его свойств от процесса к процессу часто оказывают заметное негативное влияние. (Особенно это касается микроустройств и наноструктур.) Однако это не есть следствие неквалифицированности технологов или разработчиков технологического оборудования, а связано, как правило, с недостатком информации о внутренних свойствах веществ, проявляющихся в неравновесных условиях формирования твердотельной структуры [5];

- метастабильность структуры, которая ограничивает возможно-

сти эксплуатации приборов, вызывает серьезные проблемы при использовании таких методов, как диффузия, высокотемпературный отжиг дефектов, определяет чувствительность материалов к внешним воздействиям [2];

- несовершенство алгоритмов оптимизации технологий: область в

пространстве технологических параметров, при которых получается

материал с требуемыми свойствами, выявляется зачастую путем простого перебора всех возможных вариантов режима, т.е. является следствием случайного эксперимента [6]. «Изобретение» эффективной технологии получения новых материалов в большинстве случаев – следствие неожиданной удачи, а не целенаправленного осмысленного действия с предсказуемыми результатами. Так, например, было с технологиями аморфного гидрогенизированного кремния (α-Si:H), ряда наноструктур [4, 7-8].

Эти проблемы связаны между собой и обусловлены тем, что остаются не до конца ясны закономерности формирования и последующей эволюции твердотельной структуры, что выражается в отсутствии способов описания взаимосвязи между структурой, физикохимическими свойствами материалов и условиями их роста.

Для неупорядоченных материалов сложность положения усугубляется тем, что возможности существующих подходов к анализу их свойств, основные положения которых опираются на представления о гомогенной, случайной структуре и решающей роли ближнего и среднего порядков в формировании физических свойств материалов, весьма ограничены, а ряд проблем фундаментального характера до сих пор не решен.

Растущая необходимость разрешения указанных проблем связана, прежде всего, с тем, что традиционные технологии используют, как правило, равновесные методы управления, с помощью которых выращиваются материалы с термодинамически равновесной структурой, обычно кристаллической. Однако возможные положения термодинамического равновесия для большинства материалов оказались на сегодняшний день практически исчерпаны, а синтез новых материалов, их модификация, создание приборных структур требуют использования условий, отличающихся от принципов изолированности и равновесия (сверхбыстрые термические обработки, ионные потоки, лучевые обработки и т.д).

Кроме того, следует отметить то обстоятельство, что указанные проблемы носят выраженный «антиинтуитивный характер», означающий, что мы не в состоянии предугадать результат влияния на исход процесса множества существенных параметров. Другими словами, существующие методы исследования и управления свойствами материалов на сегодняшний день не адекватны внутренним динамическим процессам в веществе, которые по своей сути есть не что иное, как сложное поведение, т.е. самоорганизация [9-12].

Эти обстоятельства свидетельствует о том, что эволюция технологий твердотельных материалов идет в направлении от искусственной

простоты к нормальной сложности, которая реализуется в естественных природных процессах. Большинство процессов в Природе, как правило, протекает в сильнонеравновесных условиях и любой естественный продукт природных процессов – итог тех или иных явлений самоорганизации. Традиционные технологические методы – это, как правило, вычлененные из природных, искусственно изолированные, упрощенные по сравнению с природными процессами технологические приемы, которые не могут дать качественно новый сложный результат. Кризис современных технологий является следствием результата простых решений в сложных системах.

Одним из возможных направлений разрешения проблем современных проблем технологий является использование идей и методов теории сложных систем (самоорганизации, нелинейных процессов). Такой подход открывает принципиально новые возможности для идентификации динамики формирования твердотельной структуры как непосредственно в области роста, так и по параметрам уже выращенного материала, для моделирования структуры и свойств из первых принципов, позволяет выявить причины невоспроизводимости характеристик материалов и определить способы ее улучшения. Конечным итогом приложения теории сложных систем к анализу процессов формирования твердотельной структуры должна стать разработка принципов, позволяющих эффективно управлять ростом материалов с заданной структурой, а также программировать синтез материалов с новыми уникальными свойствами.

Следует отметить, что сама теория сложных систем находится на этапе становления, а применяемые ею методы пока далеки от совершенства. Однако даже использование только философии и методологии этой теории позволяет критически переосмыслить многие устоявшиеся положения физики твердого тела и существенно продвинуться в понимании и управлении сложными процессами, протекающими при формировании твердотельной структуры.

Авторы не претендуют на то, что с помощью данного подхода удастся решить все технологические проблемы, связанные с выращиванием материалов. Поведение материи в неравновесных условиях оказывается всякий раз существенно более многообразным, чем любой из возможных вариантов научной теории и анализа. Всякий раз в процессе исследования сложной системы наблюдается только некая ее сторона на определенном иерархическом уровне материи. Исходя из этого, можно обнаружить множество способов эффективного влияния на процессы формирования самоорганизующейся структуры. Следует заметить, что эти методы, так же как и те, которые развиты в рамках

теории сложных систем, прямо или косвенно используют принцип синхронизации управляющих воздействий с внутренними свойствами вещества, находящегося в неравновесных условиях. Возникновение такой тенденции позволяет сделать вывод о том, что человечество вступает в новый этап взаимодействия с Природой, на котором ключевую роль будут играть вопросы осознания того, что все очень сложно, а простота достигается лишь через сложность. Это потребует пересмотра роли человеческого сознания и духовности в общей сложной структуре материи, а во Вселенной, какой рисуют ее последние достижения физической науки, снова найдется место для Человека.

1.1. Вывод к разделу 1

Процессы отвердевания веществ являются процессами самоорганизации, а структура материалов - “замороженными” продуктами самоорганизации. Сложность организации структуры материалов конечна в том смысле, что может быть описана через ограниченное число параметров порядка [12]. Их измерение позволяет получать информацию о типе поведения. Именно этот факт означает, что динамика отвердевания на уровне коллективных свойств может быть описана моделью ограниченной размерности, и она управляема.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ РОСТА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1. Динамические особенности процессов образования твердотельного состояния

Рассмотрим основные динамические особенности процессов

отвердевания.

Термодинамическая открытость. В динамике известны консервативные и диссипативные системы. Для описания процессов отвердевания учет диссипативных членов обязателен, поскольку открытость системы подразумевает обмен энергией, веществом, информацией с окружающей средой, что поддерживает само ее существование.

Сильнонеравновесные условия. С общих термодинамических позиций различают системы: равновесные, неравновесные, но весьма близкие к равновесию и сильнонеравновесные. Под неравновесным понимают состояние, в котором с ненулевыми скоростями идут необратимые процессы диссипации. Неравновесные условия процессов отвердевания могут быть обусловлены резкими границами концентраций и температур между твердой фазой и пограничным объемом, разницей между скоростями роста и достижения термодинамического равновесия на границе роста и т. д.

Образование твердой фазы - это возникновение нового состояния вещества, которое отличается от исходного как по макрохарактеристикам (плотности, твердости, цвету, электропроводности и т. д.), так и по микроуровню (в ближнем и среднем порядке), а также по уровню различных структурно-химических неоднородностей, возникающих в твердом теле [13-14].

Это состояние возникает, как правило, скачкообразно в том смысле, что в обычных условиях наблюдается только исходное состояние газа или жидкости и конечное в виде твердой фазы. Другие переходные фазы вещества разумеется существуют, и об этом речь будет идти в разд. 4. Однако их существование весьма кратковременно и требует совершенно исключительных условий. С точки зрения динамики такой переход означает, что исходное состояние вещества утратило свою устойчивость и перешло в иное фазовое состояние, которое в данных конечных условиях процесса является устойчивым. Потеря устойчивости вызвана нелинейностями и внешними ограничениями в открытой системе.

Другой характерной особенностью этого перехода является его катастрофичность, т.е. непредсказуемость конечного результата. Дей-

ствительно, в технологических установках нет ничего такого, что поз-

В В'

A A'

P1 P

Рис. 2.1. Поведение системы в зависимости от обобщенного параметра:

А, А' – точки первичных бифуркаций;

В, В' – точки вторичных бифуркаций;

F – значения функции, характеризующей состояние системы;

Р – обобщенный управляющий параметр;

Р1 – точка бифуркации.

волило бы определить заранее, какой структурой будет обладать выращенный материал. Здесь следует сделать следующее замечание. На первый взгляд можно утверждать, что при синтезе кристаллов структура материала воспроизводится хорошо и нам заранее известна структура, которая будет получена. Однако вопрос, скорее, в том, каково соотношение концентраций структурных элементов в равновесной упорядоченной кристаллической фазе и в областях дефектов и макронеоднородностей в структуре. Если это соотношение велико, т.е. материал получается в условиях, близких к равновесным, то концентрация дефектов приблизительно одинакова от процесса к процессу. Но даже в этом случае невозможно утверждать, что каждый раз одни и те же дефекты располагаются в одних и тех же местах. Это означает, что около состояния глобального равновесия в гипотетически соответствующей идеальной кристаллической структуре существуют многочисленные устойчивые состояния, соответствующие областям с некристаллической структурой (дефекты, поры и т.д.). В реальных условиях эти состояния заполняются с ненулевой вероятностью. Причем их пространственное распределение каждый раз отличается от предыдущего вследствие разницы в начальных условиях и условиях синтеза. Таким образом, даже в случае выращивания материала с кристаллической структурой имеет место множественность устойчивых состояний, которые могут быть реализованы в результате перехода к твердотельному состоянию.

Что касается некристаллических материалов, то для них явление невоспроизводимости имеет место уже не только на уровне микроструктуры, но и существенно проявляет себя на уровне макрохарактеристик, т. е. и в этом случае имеет место множественность возможных конечных состояний. Причем заранее предсказать, какое из них будет реализовано, не возможно.

Динамическая теория такого рода переходов была разработана

И.Пригожиным. Она описывает определенные общие черты для большого числа переходов в физико-химических системах. Рассмотрим кратко ее основные положения [15].

В общем виде поведение системы, характеризуемое какой-либо

переменной в зависимости от некоторого управляющего параметра, можно представить в виде, показанном на рис. 2.1, который называется бифуркационной диаграммой. В нашем случае под переменной состояния системы можно подразумевать, например, длину или силу межатомных связей, а под управляющим параметром – один из технологических параметров: температуру, концентрацию, давление или любой другой определяющий процесс образования твердой фазы.

При малых значениях Р (до Р1) возможно лишь одно решение, со-

ответствующее в нашем случае жидкому или газообразному состоянию. Оно фактически представляет собой термодинамически равновесное состояние, в котором система устойчиво пребывает, т.е. способна гасить внутренние флуктуации и внешние возмущения. По этой причине такая ветвь называется термодинамической ветвью. При переходе через критическое значение параметра Р, обозначенное Р1, состояния на этой ветви становятся неустойчивыми, так как флуктуации или внешние возмущения уже не гасятся. Действуя подобно усилителю, система отклоняется от исходно устойчивого состояния и переходит к новому режиму. Для нашего случая это образование твердой фазы. Это явление И. Пригожин назвал бифуркацией. Следует заметить, что в решающий момент перехода система должна совершить критический выбор. Ни в самой системе, ни в окружающей среде заранее не предусмотрено, какая структура будет получена. Решать все будет случай через флуктуацию. Просканировав «фон», система может совершить несколько попыток, вначале возможно безуспешных, и, наконец, какая-то флуктуация победит и завладеет всей системой. Стабилизировав ее, система превращается в «замороженный» объект в том смысле, что ее структура далее зависит от этого выбора.

Более наглядно такое поведение можно проиллюстрировать сле-

дующим примером (рис. 2.2). Шарик движется по впадине (рис. 2.2,

1 / 71 2 3 4 5 6 7 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]