CC BY
74
УДК 621.38-022.532
А. О. Беляева, С. В. Сидорова, Ю. М. Миронов, Ю. В. Панфилов
ФОРМИРОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК ТИТАНА НА КРЕМНИИ
Рассмотрено формирование наноразмерных пленок титана на кремнии электродуговым методом с использованием сепарации потока плазмы. Показана возможность получения островковых областей титана высотой 3,5... 4нм и диаметром 60... 70нм.
E-mail: a.belyaeva@mail.com; sette@inbox.ru; yury.mironov@gmail.com; panfilov@bmstu.ru
Ключевые слова: островковые структуры, углеродные нанотрубки,
электродуговая технология, сканирующая зондовая микроскопия.
Введение. Развитие микро- и наноэлектроники закладывает основы перехода к абсолютно новым принципам базовых элементов электроники, включающим использование одноэлектронных эффектов, эффектов электронной интерференции, спиновых эффектов, бестоковых переключающих устройств, и к разработке квантовых технологий создания вычислительных устройств и защищенных систем связи. В России имеется значительная база для развития электроники, включающая в себя технологические линии Курчатовского научного центра, НИИ измерительных систем им. Ю.Е. Седакова, ОАО "НИИМЭ", завод "Микрон" [1], ФГУП НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина.
В целом развитие твердотельной электроники позволило решить значительный ряд технических проблем: быстродействие приборов составляет ~10 ГГц, плотность расположения вентилей на кристалле достигла ~5 • 107 шт./см2 и т.д. Однако существует ряд задач, решение которых на традиционных материалах в рамках твердотельной электроники не найдено.
К таковым задачам относится, например, реализация компактных, но мощных схем и устройств для СВЧ генераторов и усилителей. В данной области требуются катодные узлы с плотностью тока более 10 А/см2 и выходные мощности до нескольких киловатт. Традиционно область СВЧ силовой электроники обеспечивается приборами и устройствами вакуумной электроники. При этом используемые в мощных ламповых устройствах узлы термокатодов имеют низкий КПД, большие габаритные размеры и инерционность.
В последнее время [2] активно обсуждаются возможности эффективного использования автоэмиссионных сред, выполненных на основе углеродных наноструктур в системах микроволновой связи, ИК-визуализации, радиочастотной локации и идентификации (плоские экраны дисплеев, катодно-сеточные узлы СВЧ усилителей и генераторов и т.д.).
Проблема заключается в технологической сложности воспроизводства идентичной геометрии автоэмиттирующих острий в матричных устройствах. Задача сводится к поиску технологий, позволяющих реализовать каталитические области (островковые наноструктуры, капли, затравки) с малой дисперсией латеральных размеров в плоскости кристалла.
Наноструктурированные материалы являются объектом растущего интереса для науки [3], поскольку с уменьшением характерных размеров их структурных единиц до наноуровня они зачастую приобретают новые свойства, обусловленные квантово-размерными эффектами и возрастающей ролью поверхностных атомов и взаимодействий. Современный интерес к этой наиболее динамично развивающейся области связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи [3]. Среди исследуемых наночастиц особое место занимают металлические наночастицы, а также их ансамбли — островковые металлические пленки, расположенные на диэлектрических подложках [3, 4].
Островковые пленки (островковые наноструктуры) — это структуры, полученные на ранних стадиях формирования тонких пленок. Существует несколько этапов формирования пленки, укрупненно это: зародышеобразование, образование островков, коалесценция (слияние островков), формирование каналов между островками и образование сплошной пленки. Уникальные свойства (электронные, оптоэлектрон-ные) островковых наноструктур связаны с тем, что их размеры во всех трех измерениях лежат в нанометровом диапазоне. Этот факт обусловливает эффект размерного квантования энергетических уровней электрона, находящегося внутри островка. Поведение электрона внутри наноразмерного островка подобно его поведению внутри трехмерной потенциальной ямы. По этой причине наноразмерные островки диаметром от 2 до 10 нм получили название квантовые точки.
В свою очередь квантовые точки — это нанокристаллы с особыми свойствами, ведущие себя как один отдельный атом. Электронный спектр идеальной квантовой точки соответствует электронному спектру одиночного атома, хотя реальный квантовый объект при этом может состоять из сотен тысяч атомов.
Существует множество методов и технологий, позволяющих формировать островковые наноструктуры. Возможность формировать капли методами литографии ограничена получением минимального
размера (~10 нм) структуры. Для формирования островковых наноструктур можно выделить следующие методы самоорганизации: молекулярно-лучевую эпитаксию, эпитаксию из газовой фазы, маг-нетронное распыление, ионно-лучевое травление, термическое испарение, электродуговой разряд, расплавление пленки на поверхности подложки [5].
Каждый из приведенных методов имеет свои преимущества и недостатки, но метод вакуумной электродуговой технологии с использованием сепарации потока плазмы, который будет рассмотрен далее, представляет интерес с точки зрения апробации для получения островковых наноструктурированных покрытий.
Преимуществом настоящей технологии является создание высокоэффективного потока сепарированной газометаллической плазмы, в которой сильно ионизованными являются как металлическая, так и газовая компоненты с сравнительно высоким коэффициентом использования плазмообразующего материала и большой производительностью.
Плазма, генерируемая в данном источнике, содержит значительное число двух- и трехкратно ионизованных частиц. Это является существенным преимуществом перед источниками, основанными на явлениях распыления (в том числе магнетронного) и испарения (электронным лучом, лазерным излучением и т.д.) материала, где потоки вещества имеют малую степень ионизации. Высокая степень ионизации позволяет управлять потоком с помощью электромагнитных полей, контролировать и управлять энергией атомов, приходящих на подложку, и повышает реактивность испаренного материала при формировании соединений как с реакционным газом, так и непосредственно с материалом покрываемой подложки.
Также немаловажными достоинствами технологии нанесении покрытий с помощью электродугового источника с сепарацией потока плазмы являются:
— возможность использовать любые металлы и их комбинации для нанесения покрытия;
— высокая скорость осаждения покрытий (до 10мкм/ч);
— отсутствие капельной фазы в наносимом покрытии вследствие использования криволинейного плазмовода с магнитной системой управления потоком заряженных частиц металлов.
Методика и проведение эксперимента. Для экспериментальных исследований были выбраны пластины на которые был нанесен слой Т1 наноразмерной толщины в камере вакуумной установки, осна-щеной электродуговым источником с сепарацией потока плазмы.
Особенность технологии нанесения покрытий при использовании источника с сепарацией заключается в новом способе создания электродуговой плазмы, а именно в получении плазмы с помощью вакуумного электродугового разряда на холодном катоде с пропусканием ее через криволинейный плазмовод. При этом электродуговую плазму создают внутри криволинейного плазмовода и пропускают через нее в продольном направлении электрический ток с образованием продольного, непрерывного и равномерного по всей длине плазмовода между катодом и анодом магнитного поля и электрического поля, направленного к стенкам или от стенок плазмовода.
Устройство, осуществляющее получение плазмы, состоит из криволинейного плазмовода с расположенной на нем катушкой, создающей магнитное поле, катодного узла на входе плазмовода, анода на выходе плазмовода, и системы электропитания.
Криволинейный плазмовод, представляющий собой часть тороида, изготовлен из немагнитного материала с водоохлаждаемыми стенками. Угол разворота плазмовода определяется из условия отсутствия прямой видимости выхода плазмовода из его входа (рис. 1) и вычисляется из выражения
а = агссоз[(2г2 - Я2)/Я2],
где г и Я — малый и большой радиусы стенок плазмовода [6].
Технологический процесс нанесения тонкопленочных покрытий Т1 на подложку состоит из следующих основных этапов.
1. Этап подготовки образцов к нанесению покрытия, который заключается в загрузке образцов, установленных в специальной оснастке (поверхность подложки для нанесения покрытия расположена задней стенкой к потоку плазмы), в камеру с последующей ионной очисткой образцов в среде инертного газа Аг в течение 3 мин при напряжении на подложке (образце) 550В и давлении в камере 0,133 Па, так как эффективная очистка и активация поверхности подложки необходимы и приводят к улучшению адгезии наносимого далее покрытия. Кроме того, существует возможность проведения ионной очистки при небольших ускоряющих напряжениях, что значительно снижает вероятность возникновения микродуг на поверхности подложки и тем самым уменьшает ее повреждение.
2. Непосредственно этап нанесения покрытия Т1, длительность которого составила 10 с, при следующих режимах: напряжение на подложке 20 В, ток дугового разряда 100 А, ток катушки сепаратора 20 А, напряжение на корпусе сепаратора 5 В, которые обеспечивают получение на подложке приповерхностного слоя, насыщенного активным газом, например азотированного или цементированного слоя. Устанавливая на корпусе плазмовода такой потенциал, который запирает его
Рис. 1. Схема криволинейного плазмовода:
I — стенка плазмовода; 2 — электромагнитная катушка с равномерным распределением витков по длине; 3 — фланец; 4 — водоохлаждаемый катододержатель; 5 — конусный катод; 6 — металлическая юбка; 7 — защитный экран; 8 — поджигающий электрод с изолятором; 9 — вакуумная камера; 10 — изолированный электрод;
II — источник питания дугового разряда; 12 — источник питания электромагнитной катушки; 13 — двухполярный источник питания корпуса плазмовода; 14 — источник, формирующий высоковольтный импульс поджига дугового разряда; 15 — подложка; 16 — источник питания подложки; 17 — съемная решетка
для прохождения ионов металла, и используя в качестве рабочего реакционный газ, на выходе источника можно получить поток ионов реакционного газа. Ионы такого газа, поступая на поверхность, вступают в реакцию с атомами подложки и образуют приповерхностный слой, насыщенный атомами активного газа. Таким образом, источник обеспечивает получение на поверхности подложки покрытий с подслоем, насыщенным активным газом. Высокая степень ионизации как металлической, так и газовой компонент и отсутствие в потоке нейтральной металлической компоненты и макрочастиц позволяют контролировать и управлять энергией частиц, приходящих на подложку, и повышать реакционность при формировании соединений как испаренного материала с реакционным газом, так и непосредственно с материалом подложки.
3. Завершающий этап: вакуумную камеру с образцами охлаждали до безопасной температуры, чтобы избежать окисления камеры, обеспечили напуск воздуха в камеру и образцы извлекли из камеры.
Дальнейшие исследования пластин 81 с нанесенным тонким слоем Т были проведены в сверхвысоковакуумном сканирующем зондо-вом микроскопе 18РМ-4610А (производитель ШОЬ, Япония) и нано-
технологическом комплексе "НаноФаб-100" (производитель НТ-МДТ, Россия).
Целью проведенных исследований являлось выявление геометрических характеристик формообразования зародышевой фазы покрытия из Т на поверхности Бь
Для выявления наноразмерной структуры нанесенного покрытия Т на необходимо использовать методы, имеющие разрешающую способность менее 100 нм, а для выявления атомной структуры — разрешающую способность менее 1 нм. К таким методам относятся зондовые методы (сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)) и ионная микроскопия фокусированного ионного пучка (ФИП), а также метод оже-спектрометрии — выявление химического состава поверхности образца.
Загрязнения поверхности из окружающей среды — водяная пленка, мелкие частицы грязи и адсорбат — являются препятствием для получения результатов с высоким пространственным разрешением. Поэтому исследования образцов проводили в сверхвысоковакуумных условиях при давлении р = 10-8 Па со специальной методикой подготовки образца.
Для выявления зародышевой фазы Т на поверхности использовали сканирующую туннельную микроскопию, позволяющую выявлять атомную структуру поверхности [7]. С момента изобретения СТМ в 1981 г. американскими учеными [8] зондовая микроскопия стала мощным инструментом анализа поверхности с возможностью получения атомного разрешения. В режиме СТМ между зондом и образцом прикладывается напряжение. Протекающий туннельный ток между зондом и образцом отражает изменение рельефа поверхности образца, а также элементную неоднородность поверхности.
Зондовый микроскоп 1БРМ-4610А состоит из трех основных камер — камеры загрузки образца, камеры подготовки и аналитической камеры. Образец был закреплен в стандартный держатель, помещен в камеру загрузки и вакуумирован до давления р = 10-4 Па. Перед сканированием образец перемещают в камеру подготовки образцов для очистки поверхности от адсорбата и водяной пленки с помощью прямого пропускания электрического тока и нагрева до 500 °С. Нагрев осуществляли по стандартной методике подготовки образцов (111) продолжительностью 12 ч. После подготовки образец транспортировали в аналитическую камеру, в которой проводили сканирование в режиме СТМ постоянной высоты при приложении напряжения 2 В и туннельном токе 0,3 нА.
Результаты и их обсуждение. В результате проведенных исследований была получена серия изображений (сканов) поверхности образцов. На рис. 2 представлены изображения рельефа и структуры покрытия Т и участка поверхности (темная область справа). Проведенный
Loon aain: 2
Measured bv JSPM-4S00/4610 Imaae Offset: 0.000 x 0.000 nm.
CANTILEVER: Peak Freauencv: Unknown Q Factor: Unknown
a
Рис. 2. Изображение покрытия из Ti на Si, полученные сканированием в режиме СТМ с размером поля сканирования 800х800мкм2:
а — 2Б-изображение; б — 3Б-изображение
анализ изображений с помощью программы WinSPM (рис. 3) позволил установить, что толщина полученного покрытия составляет 7 нм. На изображении хорошо виден рельеф поверхности покрытия — ярко выраженные выступы (островки) высотой 3 нм и диаметром 60 нм.
Изображение, представленное на рис. 4, получено с высоким пространственным разрешением (менее 1 нм) и демонстрирует атомарную структуру выступа (островка) покрытия Ti. Данное изображение позволяет судить о том, что покрытие представляет собой слоистую, глобулярную структуру. Высота островков (глобул) равна 3,5... 4нм, диаметр — 60. . . 70 нм.
Выводы. 1. Электродуговая технология с сепарацией потока плазмы позволяет получать однородные наноструктурированные покрытия из Ti на Si с наноразмерными толщинами слоев.
2. Для формирования тонких наноразмерных покрытий из Ti на Si электродуговым методом с сепарацией потока плазмы можно рекомендовать следующие технологические режимы: напряжение на подложке 20 В, ток дугового разряда 100 А, ток катушки сепаратора 20 А, напряжение на корпусе сепаратора 5 В, время 10 с.
3.Для выявления зародышевой фазы Ti на поверхности Si следует применять сканирующую туннельную микроскопию, являющуюся наилучшей технологией, позволяющей получать изображение с нано-размерным разрешением.
Рис. 4. 2D-изображение покрытия из ^ на Si, полученное сканированием в режиме СТМ с размером поля сканирования 50х50нм2
4. В результате проведения экспериментальных исследований была получена структура из островков Ti высотой 3,5... 4 нм, диаметром 60. ..70 нм.
Дальнейшая работа в данной области будет направлена на исследование островковых наноструктурированных покрытий в зависимости от тока дугового разряда и напряжения на подложке.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федоров А. В. Физика и технология гетероструктур, оптика квантовых структур: Учеб. пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. - С. 195.
2. RibayaBryanp., LeungJoseph, BrownPhilip.A study on the mechanical and electrical reliability of individual carbon nanotube field emission cathodes // Nanotechnology. - 2008. - Vol. 19. - P. 1-8.
3. БорисенкоВ. Е. Наноэлектроника — основа информационных систем XXI века // СОЖурнал. - 1997. - № 5. - С. 100-104.
4. Н е п и й к о С. А. Физические свойства малых металлических частиц. - Киев: Наук. Думка, 1985. - 246 с.
5. Панфилов Ю. В., Сидорова С. В. Методы формирования островковых наноструктур // Материалы XV Междунар. науч.-техн. конф. "Высокие технологии в промышленности России". - М.: ОАО ЦНИТИ "Техномаш", 2009. -С. 372-375.
6. Патент RU № 2173911. Получение электродуговой плазмы в криволинейном плазмоводе и нанесение покрытия на подложку / А.И. Додонов, В.М. Башков. Опубл. 4.04.97.
7. B i n n i g G., Rohrer H. Scanning tunneling microscopy // IBM Journal of Research and Development. - 1986. - Vol. 30. - P. 4.
8. B a i C. Scanning tunneling microscopy and its applications. - New York: Springer Verlag, 2000.
Статья поступила в редакцию 6.05.2010
