Фотоника и оптоинформатика

ски), создавая, таким образом, направленные, хорошо коллимированные потоки частиц.

Рис. 9.16. Принципиальная компоновка установки для химического осаждения пленок из газовой фазы металлорганических соединений

Для МЛЭ обычно используют несколько эффузионных ячеек – по одной на каждый испаряющийся материал. Кроме ячеек, для осаждения собственно материалов должны присутствовать также источники легирующих примесей. Наряду с испарением осаждаемого материала внутри эффузионной ячейки молекулярные потоки могут формироваться по такому же принципу и из паров или газообразных соединений. Для этого их вводят в сверхвысоковакуумную камеру через специальные подогреваемые сопла.

Конструкция типичной установки МЛЭ, размещаемой в сверхвысоковакуумной камере, схематически показана на рис. 9.17. Потоки атомов или молекул создаются в зоне генерации (I) за счет испарения жидких или сублимации твердых материалов, помещенных в эффузионные ячейки (источники). Потоки атомов (молекул) направляются на подложку, проходя зону смешивания (II), и осаждаются на ней в зоне роста (III), образуя пленку из вещества требуемого состава. Зону роста можно разделить на три области, первая из которых представляет собой подложку или очередной выросший моноатомный слой мате-

221

риала. Вторая область – газовая смесь компонентов гетероструктуры в приповерхностной области. Третья область – переходный слой, геометрия которого и протекающие в нем процессы сильно зависят от выбора условий роста.

Рис. 9.17. Схема MЛЭ-установки: 1 – подложка; 2 – растущая пленка; 3 – заслонки; 4 – эффузионные

ячейки основных компонентов; 5 – эффузионные ячейки легирующих примесей; I – зона генерации молекулярных пучков; II – зонасмешиванияпучков; III – зонакристаллизации на подложке (зона роста)

Управление составом выращиваемого материала и концентрацией легирующих примесей осуществляется с помощью заслонок, которые перекрывают тот или иной поток частиц. Для повышения однородности во многих случаях подложка с растущей пленкой постоянно вращается.

222

В зоне роста одного моноатомного слоя, в пределах одной секунды, атом совершает несколько тысяч диффузионных прыжков, пока не займет свое окончательное положение в решетке (рис. 9.18). Так как химические связи в различных материалах разные, то различаются и энергии активации поверхностной диффузии атомов, входящих в состав этих соединений. В связи с этим качество гетерограниц может существенно отличаться в зависимости от того, какое из соединений при выбранном температурном режиме растет первым. Границы называют нормальными, если компонент с более низкой температурой плавления растет первым. Если последовательность роста обратная, то такие границы называют инвертированными. Иллюстрация границ этих типов, обозначенных индексами n и i, дается на рис. 9.18 на примере структуры AlxGa1–x As/GaAs

Рис. 9.18. Элементарные процессы в зоне роста: 1 – адсорбция атомов из зоны смешивания на поверхности; 2 – миграция адсорбированных атомов по поверхности; 3 – встраивание адсорбированных атомов в кристаллическую решетку; 4 – термическая десорбция; 5 – образование поверхностных зародышей; 6 – взаимная диффузия. Над растущей поверхностью показаны атомы газовой смеси компонентов в приповерхностной области. Буквами n-n и i-i показаны нормальная и инвертированная поверхности раздела растущей гетероструктуры

223

Таким образом, имеет место своего рода самоорганизация растущей структуры, поэтому МЛЭ является самым эффективным методом получения многослойных полупроводниковых систем, гетероструктур и тонких пленок с контролем толщины на атомном уровне. Большие размеры, сложность конструкции, высокая стоимость (до десятков миллионов долларов) делает комплексы МЛЭ «пирамидами» века нанотехнологий.

9.4.2. Нанолитография

Различные методы микрогравировки слоев обобщенно называются литографией. Различают фотолитографию, рентгеновскую литографию, электронно-лучевую литографию и т.д. Посто-

янное совершенствование методов литографии открыло возможность перехода от микроэлектроники к наноэлектронике, в рамках которой литография продолжает успешно развиваться.

Суть методов микрогравировки можно уяснить на примере фотолитографии, простейшего вида литографии. Фотолито-

графия представляет собой метод фотохимической микрогравировки металлических, диэлектрических и полупроводниковых слоев. Основные этапы фотолитографии на пластине кремния представлены на рис. 9.19:

–нанесение на пластину слоя диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO2 (рис. 9.19, а);

–нанесение на слой диэлектрика фоточувствительного слоя – фоторезиста (рис. 9.19, б);

–наложение (при контактной фотолитографии) на слой фоторезиста фотошаблона, который отображает соответствующую часть формируемой топологической схемы; фотошаблон представляет собой непрозрачную пластину с прозрачными участками, дублирующими форму и местоположение будущей схе-

мы (рис. 9.19, в);

–экспонирование фоторезиста (в простейшем варианте видимым или ультрафиолетовым светом); экспонирование из-

224

меняет скорость последующего растворения фоторезиста в специальном травителе (на рис. 9.19, в экспонирование отображено системой стрелок);

–удаление фотошаблона;

–проявление (травление) фоторезиста; участки, подвергнутые воздействию света, вытравливаются до слоя окисла

(рис. 9.19, г);

–вытравливание отверстий («окон») в слое диэлектрика через отверстия в фоторезисте (1 и 2 на рис. 9.19, д);

–удаление фоторезиста (рис. 9.19, е).

Рис. 9.19. Основные этапы контактной фотолитографии

Полученные окна в диэлектрике используются для формирования соответствующих элементов схемы на пластине. Если данный элемент формируется диффузией примесей, то вещество диэлектрического слоя выбирается так, чтобы скорость диффузии данной примеси в нем была значительно меньше, чем в кремнии. В таком случае легированными окажутся лишь участки кремния, не укрытые слоем диэлектрика. Диффузию большинства типичных доноров и акцепторов в кремниевой технологии хорошо блокирует диоксид кремния (SiO2).

225

Разрешающая способность литографии ограничивается как техническими, так и физическими факторами. Принципиальные физические ограничения связаны главным образом с явлением дифракции излучения на деталях фотолитографического рисунка при экспонировании. Дифракционное размытие изображения отверстия тем меньше, чем меньше длина волны используемого излучения. Оптическая литография обеспечивает разрешение с размерами до 0,5 мкм. Использование ультрафиолетовых лучей

позволяет сместить этот предел

9.4.3. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия

Методы создания наноразмерных структур с применением сканирующих точечных зондов берут свое начало от скани-

рующей туннельной микроскопии (СТМ) и атомной-силовой микроскопии (АСМ). Роль этих методов быстро эволюционировала от фундаментальной (научной) к прикладной (технологической). Они сочетают в себе возможность исследовать по-

226

верхность образца с атомным разрешением и возможности манипулирования.

Принципы и конструкцию первого устройства для скани-

рующей туннельной микроскопии предложили в 1981 году Герд Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в то время в Цюрихе. Позже, в 1986 году, за работы по сканирующей туннельной микроскопии они были удостоены Нобелевской премии по физике.

Физическую основу сканирующей туннельной микроскопии составляют явления, определяемые туннелированием электронов в зазоре между атомарно-острым зондом и поверхностью анализируемого образца. Туннельный ток через зазор очень чувствителен к структурным неоднородностям поверхности образца. Поэтому, перемещая зонд вдоль поверхности и контролируя протекающий по нему туннельный ток, можно анализировать топологию поверхности с атомным разрешением.

Металлический зонд, обычно изготавливаемый из вольфрама (рис. 9.21), закрепляют в держателе, пространственное положение которого регулируется управляющим напряжением. Зонд подводят к образцу на расстояние, обеспечивающее протекание туннельного тока, и пьезоэлементами, задающими его положение в плоскости образца, сканируют вдоль поверхности.

Рис. 9.21. Относительное расположение зонда иподложки всканирующем туннельноммикроскопе

227

Таким образом, удается не только «увидеть» расположение атомов на поверхности, но и различить области с разным химическим составом. Вертикальное разрешение при этом достигает 0,01–0,05 нм, а горизонтальное – 0,3 нм. Размер анализируемой поверхности обычно составляет сотни микрометров. Ограничением метода является требование высокой электропроводности исследуемого материала, что необходимо для протекания достаточного для регистрации туннельного тока.

В атомной силовой микроскопии для анализа поверхности вместо туннельного тока регистрируется сила взаимодействия между зондом и подложкой. Для определения этой силы острый зонд закрепляют на упругой консоли, как показано на рис. 9.22. Зондовый датчик АСМ называют кантилевером (англ. cantilever – консоль).

Рис. 9.22. Относительное расположение зонда

иподложки (а) и сила взаимодействия зонд-подложка, регистрируемая в атомном силовом микроскопе (б)

Отклонение консоли пропорционально действующей на нее силе. Это отклонение регистрируется с высокой точностью оптическими (например, посредством лазерной интерференции) или электронными (например, зондом сканирующего туннельного микроскопа) методами. При сканировании зонда вдоль анализи-

228

руемой поверхности сигнал об отклонении консоли дает информацию о распределении атомных и молекулярных сил по поверхности образца, а следовательно, и о расположении и природе поверхностных атомов.

В качестве кантилевера эффективно используются нанотрубки (рис. 9.23), они изгибаются при ударе о поверхность и не ломаются, а затем возвращаются в исходное состояние. Склонность нанотрубок к складыванию вместо разрушения делает повреждение кончика маловероятным. Благодаря малому поперечному сечению и большому отношению длины к диаметру такого зонда он может проникать в глубокие канавки на поверхности, которые недоступны для обычных зондов. Электропроводные нанотрубки могут использоваться и как зонды для сканирующей туннельной микроскопии.

Атомная силовая микроскопия, в отличие от сканирующей туннельной микроскопии, не чувствительна к электронным свойствам подложки. По-

этому она может быть использована для анализа поверхности как проводящих, так и диэлектрических материалов.

Перемещение атомов параллельно поверхности подложки может быть осуществлено в процессе полевой диффузии

(field diffusion) или скольжения (sliding). В обоих случаях связи между перемещаемыми атомами и подложкой не разрываются. Адсорбированный (находящийся на поверхности) атом всегда находится в потенциальной яме. Энергия, необходимая для его перемещения, соответствует энергетическому барьеру для диффузии по поверхности. Она обычно находится в диапазоне

0,01–1,0 эВ.

229

Полевая диффузия адсорбированных на поверхности атомов инициируется сильно неоднородным электрическим полем, создаваемым между острием зонда и поверхностью. Напряженность этого поля может достигать 30–50 В/нм. Этого вполне хватает для ионизации и десорбции (удаления) атомов. Потенциальная энергия этого поля добавляется к периодическому потенциалу поверхности (рис. 9.24, а), образуя потенциальный рельеф, благоприятный для направленного движения адсорбированного атома в область, находящуюся непосредственно под острием зонда. В зависимости от особенностей взаимодействия рассматриваемого атома и зонда возможно два варианта результирующего потенциального рельефа.

Рис. 9.24. Потенциальная энергия атома, адсорбированного на поверхности кристаллической подложки, как функция его положения относительно зонда сканирующего туннельного микроскопа

При слабом взаимодействии обычно формируется широкая потенциальная яма (рис. 9.24, б) с рельефом, модулированным периодическим потенциалом поверхности. В случае же сильного ориентированного взаимного притяжения атома и зонда, связанного с их химической природой, потенциальная яма

230