CC BY
6
УДК 621.38-022.532
Алгрфи М.А.Д. студент магистратуры Южно-Уральский государственный университет Институт естественных и точных наук
Физический факультет кафедра физической электроники АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ Аннотация: Главной целью исследования является изучение и анализ перспективных технологий получения материалов для микро - и наноэлектрноники. Главными задачами были сбор информации и изучение актуальных данных на тему перспективных технологий получения материалов для микро- и наноэлектрноники.
Ключевые слова: молекулярно-лучевая эпитаксия, импульсное лазерное осаждение, распылительное осаждение, химическое осаждение из газовой фазы, электроспиннинг, золь-гель метод.
Algrfi M.A.Ja.
Master
South Ural State University Institute of Natural and Exact Sciences Faculty of Physics, Department of Physical Electronics ANALYSIS OF PERSPECTIVE MATERIALS FOR MICRO- AND NANOELECTRONICS AND PRODUCTION TECHNOLOGY Abstract: the main purpose of the study is to study and analyze promising technologies for the production of materials for micro - and nanoelectronics. The main tasks were to collect information and study relevant data on promising technologies for producing materials for micro - and nanoelectronics.
Key words: molecular beam epitaxy, pulsed laser deposition, spraying, chemical vapor deposition, Electrospinning, Sol-gel method.
1. Молекулярно-лучевая эпитаксия
Молекулярно-лучевая эпитаксия - осаждение испаренного в молекулярном источнике вещества на кристаллическую подложку, сверхвысокий вакуум.
нагревательный
элемент ^гтпп-^я
область смешения газов
образование молекулярных потоков
шторка
■эффузиоиные ячейки с соответствующими основным и легирующими компонентами
Рис. 1. Схема установки МЛЭ
Установка состоит из: источников, шторок, которые закрывают выход, камеры, средства контроля и анализа (прямо во время роста). В установке несколько источников для контроля нанесения сложных по составу соединений. Для введения вещества используют ячейки Кнудсена и электронные испарители. Методот хорош тем, что можно контролировать состав осаждаемой пленки и скорость осаждения (даже в пределах 1 слоя). Путем поочередного напыления полупроводниковых слоев в несколько нанометров можно создавать полупроводниковые сверхрешетки с уникальной структурой за счет квантовых размерных эффектов (используются в транзисторах и оптических устройствах). МЛЭ используется для формирования массивов квантовых нитей и точек на основе полупроводниковых материалов.
2. Импульсное лазерное осаждение
Лазер с короткими импульсами (~1 Дж/см2) фокусируются на мишени, происходит образование высокоэнергетической плазмы с плотностью Е~3 -5 Дж/см2. Эта плазма состоит из нейтральных атомов, молекул и ионов, которые, достигая подложки, имеют широкое распределение по энергии (от 0,1-10 эВ).
ввод кислорода
к насосу
щ/
Рис. 2. Схема установки ИЛО
Плюсы метода в возможности осаждать многокомпонентные соединения (сложные оксиды), но необходимо контролировать химический состав пленки, подбирая состав мишени. Метод не требует сверхвысокого вакуума. Образование крупных кластеров в газовой фазе отрицательно сказывается на качестве пленки. Чтобы избежать этого используют установки с времяпролетным разделением частиц (чтобы сократить время пролета, подложку двигают ближе к источнику, так как атомы группируются во время полета). Для увеличения покрываемой поверхности подложку располагают параллельно направлению распространения плазмы - так можно получить пленки большой площади, но такой метод требует непрерывного вращения образа для однородности покрытия.
3. Распылительное осаждение
Между мишенью и подложкой (они же - электроды с разностью потенциалов в несколько сотен вольт) возбуждают плазменный разряд. Положительно заряженные ионы плазмы выбивают из мишени кластеры, и кластеры летят к подложке. Вакуум 10-1-10-3 мбар. Чем больше вакуум, тем меньше степень ионизации плазмы, тем меньше частиц, которые выбивают частицы из мишени, а значит, меньше частиц будет осаждаться на подложке - т.е. есть ограничение скорости роста пленки. Слабую степень ионизации решают вводом магнитного поля - это повышает ионизацию вблизи катода и снижает давление рабочего газа. Но это ведет за собой неоднородность травления материала мишени. Метод требует хорошую электропроводность подложки. Для непроводящих подложек используют высокочастотный плазменный разряд, но это ограничивает скорость роста пленок из-за испарения атомов с поверхности при приложении обратного потенциала. Для решения этой проблемы варьируют площадь электродов для контроля
скорости роста.
Рис. 3. Схема установки распылительного осаждения 4. Химическое осаждение из газовой фазы (СУБ)
Рост пленок в результате химической реакции прекурсоров в газовой фазе вблизи поверхности подложки. Подвод энергии осуществляют направлением подложки. Некоторые виды CVD включают в себя микроволновое воздействие и облучение ультрафиолетом - это снижает температуру реакции. Установка: реактор (в нем идет осаждение), система подвода прекурсоров и система отвода газов.
Рис. 4. Схема процесса химического осаждения
Метод требует соединений, которые стабильны в газовой фазе и легко разлагаются при нагревании. Метод применяется при формировании слоев изолирующих материалов CMOS (например, на основе кремния). Подвид метода - MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition) - металл-органические соединения, которые получают химическим осаждением из газовой фазы.
5. Электроспиннинг
Электроспиннинг - процесс получения сверхтонких нитей, нановолокон под действием электростатических сил, создаваемых
источником питания высокого напряжения. Под действием электростатических сил из жидкости (раствора, расплава) может происходить вытягивание тонкого волокна. Сам принцип известен достаточно давно, но широкое применение он нашел только с развитием нанотехнологий.
Для получения отдельной нити жидкость подается в капилляр. К нему прикладывается высоковольтный потенциал, создаваемый источником питания высокого напряжения. Под воздействием сил электростатического поля высокого напряжения из жидкости на кончике капилляра будет вытягиваться тонкая струйка - нить. Толщину этой нити можно изменять, варьируя параметрами жидкости и поля.
Насос
^ Шприц
/РаствоР полимера ^ Игла
Зсм/ /
Коллектор
-
Источник высокого напряжения
Рис. 5. Схема процесса электроспиннинга
Используя электроспиннинг можно получать сверхтонкие волокна, трубки и т.п. из полимеров, композитов и даже полупроводников и металлов. Различные нетканные материалы, фильтры, полученные и использованием технологий, основанных на электроспиннинге находят все большее применение в медицине. Есть данные о получении нитей из природных белков с помощью электроспиннинга. Из них можно получать биосовместимые перевязочные и ранозаживляющие материалы. Волокна, полученные из соединений рутения, способно излучать оранжевый свет под воздействием электрического напряжения. Излучающее нановолокно имеет размер порядка 200 нанометров. Волокна из рутения получают вытягиванием волокна из раствора полимера содержащего молекулярный комплекс рутения. По некоторым исследованиям электролюминесцентные волокна излучали свет при низких напряжениях порядка 3-4 В.
Платина может служить катализатором при реакции окисления водорода, например, в топливных ячейках. Используя технологию электроспиннинга, таким же способом, как для рутения, в лабораторных условиях получают волокна платины длиной до 1 см и характериным диаметром в десятки нм.
6. ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МЕТОД
Метод получения материалов на основе перехода гомогенного раствора в золь и затем в гель. Можно проиллюстрировать процессы, происходящие в золь-гель системе, с помощью элементарной схемы (рис. 10.1).
Истинный раствор
Золь
Гель
Стадия образования
золя ->
к- Г Т Золь-гель переход N Й
О О о о о оо оо о о
Молекулярная или ионная дисперсность
Формирование на ночи ггн ц юли (-1-100 нм)
Физическое и химическое взаимодействие, агрегация и образование структуры геля
Рис. 6. Схема перехода истинного раствора в золь и далее в гель В золь-гель технологии прекурсор - это вещество, которое при определенных условиях может образовывать полимолекулы, полисольватированные группы, мицеллы, из которых будут формировать зародыши наночастиц золя. В качестве прекурсоров могут использоваться практически любые, как правило, гидролизующиеся соединения - алкоксиды кремния Si(OR)4 и ряда других металлов (А1, Т^ Sn, и др.), соли металлов (например, хлориды титана, оксохлориды ванадия).
Для того, чтобы осуществить процессы гидролиза и поликонденсации, в реакционную среду вводят воду. Для того чтобы инициировать гидролиз и регулировать его скорость, добавляют катализаторы. Это чаще всего кислоты или щелочи. Поэтому в золь-гель технологии принято подразделять гидролиз на кислый и щелочной. В результате гидролитической поликонденсации молекул прекурсора образуется наночастицы (твердая фаза), размер которых обычно находится в диапазоне 1-100 нм.
В золь-гель технологии золь - это дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и твердой нанодисперсной фазой. По мере «созревания» или старения золя начинается процесс агрегации частиц, который постепенно приводит к образованию трехмерной структуры (гигантского кластера) - геля.
Рис. 7. Частицы кремнезоля, образовавшиеся в результате кислого гидролиза тетраэтоксисилана Si (ОС2Н5)4 (а, б). Сетка геля, образовавшаяся из золя на основе Si (ОС2Н5)4 и Н3Р04 (в). Использованные источники:
1. Нанотехнологии в металлургии. Рудской А.И. // СПб.: Наука, 2007. - 186 с.
2. Кластеры и наноструктуры. К.С. Напольский, А.В. Лукашин, А.А.Елисеев. // МГУ, Москва, 2007. - 60 с.
3. Наноматериалы и нанотехнологии. Анищик В.М., Борисенко В.Е., Жданок С.А., Толочко Н.К., Федосюк В.М. // Минск.: Изд. центр БГУ, 2008. - 375 с.
