Методы получения тонких пленок

В физику термин «абляция»  вошел задолго до появления лазеров для обозначения удаления вещества в электрическом разряде, потоке горячего газа, плазмы и т.д. Лазерной абляцией называют удаление (испарение) вещества с поверхности твердого тела (иногда жидкости) при воздействии на него лазерного излучения. Глубина воздействия лазерного импульса и, следовательно, объем удаляемого вещества зависят от состава материала, его оптических свойств, а также энергии (мощности) лазерного импульса. При низкой мощности лазера вещество испаряется или сублимируется, а при высокой – происходит ионизация атомов вещества – образуется плазма. Современные технологии позволяют очень точно контролировать фокусировку, длительность (в диапазоне от нано- до фемтосекунд) и мощность воздействия лазерного луча. Это открывает широкие возможности для применения процесса лазерной абляции в промышленности и научных исследованиях.

Простейший пример – сверление микроскопических отверстий в любых, в том числе очень твердых материалах (алмаз, рубин, боразон, керамика, другие искусственные сверхтвердые материалы).

 

 

Рис. 5.1 - Схема метода лазерной абляции для нанесения тонких пленок [5]

 

Сфокусированный до толщины, меньше человеческого волоса пульсирующий лазерный луч удаляет вещество настолько быстро, что расположенные вблизи слои материала даже не успевают нагреться. Эта удивительная особенность используется в таких разных областях, как изготовление печатных плат для полупроводниковой промышленности, брегговских решеток – наиболее широко применяемого элемента в оптоволоконных линиях связи, при сверлении сопел струйных принтеров, для изготовления подшипников в часах, обеспечивая им точность и долговечность. В последнее время лазерную абляцию научились использовать для получения отверстий нанометрового диаметра (от 40 нм), несмотря на то, что длина волны лазерного излу- чения, как правило, не меньше 200 нм. Для этого используют специальные оптические системы, позволяющие фокусировать лазерный луч.

С помощью лазерной абляции  можно получить и придать нужную форму таким материалам, которые  сложно или просто невозможно изготовить другими способами. Например, углеродные нанотрубки образуются при обработке лазерным лучом графита или смеси графита с ме- таллическими катализаторами (Co, Nb, Pt, Ni или Cu). Причем в первом случае получаются многослойные, а во втором – однослойные структуры. Разновидностью этого приложения является использование абляции для получения тонких пленок из соединений, которые трудно спарить другими методами (рис. 5.1). Так изготавливают некоторые высокотемпературные сверхпроводники (например, тонкие пленки YBa2Cu3O7), многослойные полупроводниковые структуры (гетероструктуры) и сверхрешетки. В физике этот метод называется импульсным лазерным напылением (pulsed laser deposition). Лазерную абляцию широко используют и для получения нанокластеров путем быстрого испарения того или иного вещества, пересыщенные пары котрого при быстром охлаждении затем кристаллизуются с образованием конечного продукта.

Приведенные примеры –  лишь малая часть из уже работающих технологий, использующих процесс лазерной абляции. Создание новых высокоэффективных технологических процессов еще шире откроет двери в мир многогранних возможностей лазерной техники, и, может быть, кому-то из Вас, наши дорогие читатели, посчастливится сыграть свою роль в ее развитии. [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Молекулярно-лучевая эпитаксия

 

Самым передовым методом  получения многослойных полупроводниковых  систем, гетеро-структур и тонких пленок с контролем толщины на атомном уровне является метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). По сути МЛЭ представляет собой результат фантастического усовершенствования достаточно старого способа нанесения пленок путем испарения вещества в вакууме. В методе МЛЭ тонкие (толщиной от нескольких нанометров) упорядоченные слои формируются на нагретой монокристаллической подложке в сверхвысоком вакууме (до 10−12 атм) (рис. 6.1). Высокая температура способствует быстрой миграции атомов по поверхности, в результате чего атомы занимают строго определенные положения, ориентированные относительно подложки – происходит эпитаксиальный рост кристаллической пленки.

Основным блоком системы  МЛЭ является ростовая камера, в которой испарение материалов осуществляется из эффузионных ячеек – нагреваемых до высокой температуры полых цилиндров с крошечным отверстием в крышке (эффузия – медленное истечение газов через малые отверстия). В одной ростовой камере может располагаться несколько испарителей, каждый из которых предназначен для нанесения одного вещества. Испаряемый материал осаждается на подложку, закрепленную на манипуляторе с нагревательным устройством. Помимо испарителей, в ростовой камере находятся системы анализа растущей пленки, например, масс-спектрометр для анализа состава остаточной атмосферы в камере или дифрактометр отраженных электронов, контролирующий структуру формируемых пленок.

В настоящее время большинство  установок для МЛЭ состоят из автоматизированных модулей (рис. 6.2), которые подразделяются на технологические и вспомогательные. Технологические модули предназначены для проведения определенного технологического процесса – очистки подложек, осаждения пленок, анализа формируемых структур и т.д.). Вспомогательными являются, например, модуль загрузки− выгрузки, модуль предварительной откачки и обезгаживания вакуумных камер и др. Входящие в состав комплекса МЛЭ модули соединяются между собой шлюзовыми устройствами и системой перемещения подложек и образцов из одного модуля в другой без нарушения вакуума. Большие размеры, сложность конструкции, высокая стоимость (до десятков миллионов долларов) делает комплексы молекулярно-лучевой эпитаксии «пирамидами» века нанотехнологий. [6]

 

 

Рис. 6.1- Упрощенная схема ростовой камеры в системе МЛЭ [6]

 

 

Рис. 6. 2 - Комплекс для молекулярно-лучевой эпитаксии фирмы RIBER [6]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Нанолитография

 

Литография (от греческих  слов ≪lithos≫ – камень и ≪grapho≫ – пишу, рисую) была создана в 1798 году Алоизием Зенефельдером в Богемии. Это была первая принципиально новая после изобретения гравюры техника печати. Однако в ХХ веке этот термин начали применять не только в книгопечатании, но и в производстве микроэлектроники. На данный момент под ≪литографией≫ понимают метод подготовки поверхности путем использования некоего шаблона, который определяет свойства конечного образца. Этот принцип оказался очень удобным при массовом производстве микросхем с отдельными элементами меньше 1 мкм.

Развитие метода сегодня  ориентировано на создание топологического рисунка на поверхности монокристаллических кремниевых пластин. Учитывая размеры современных транзисторов ( 200 нм), можно говорить о необходимости нанолитографии. Дальнейшее развитие микроэлектроники предполагает использовать литографические схемы для производства вычислительных машин вплоть до 2009 г., на который намечен выпуск процессора по 32-нанометровой технологии.

Наиболее простая методика создания нано- и микроструктур – оптическая литография – очень схожа с процессом печати фотографии. На подложку (например, кремниевую) наносится свето-чувствительное вещество -фоторезист, которое изменяет структуру под действием излучения (рис. 7.1а). На маску (пластинку с прорезями, служащую шаблоном и изготовленную из материала, не пропускающего излучение) пропускается пучок фотонов с длиной волны λ = 10÷1000 нм, попадающий на резист. В засвеченных областях

резист меняет состав или  структуру, а в затененных – остается без изменения (рис. 7.1б). Далее, часть резиста вытравливается (засвеченная в случае негативного фоторезиста, затененная в случае позитивного), при этом другая часть остается без изменения, создавая на подложке рельефный рисунок, соответствующий рисунку шаблонамаски (рис. 1в). Разрешающая способность метода оптической литографии в основном определяется длиной волны используемого излучения и размером элементов маски. Для обычных масок

оптимальная разрешающая  способность метода составляет ~1,5÷2λ, тогда как использование так называемых фазосдвигающих масок позволяет более четко разделить элементы микросхемы и повысить разрешение до ~0,5÷1λ. Сегодня фазосдвигающие маски используются для производства транзисторов по технологии MOSFET с 30-нанометровой длиной затвора.

Необходимость уменьшения размеров элементов микроэлектроники накладывает ограничения во-первых, на длину волны используемого излучения и, во-вторых, на линейные размеры прорезей шаблона. Так, еще недавно широко применяемые в производстве микросхем источники на основе ртутных ламп (436−254 нм), сегодня заменены ArF-лазерами (λ = 193 нм) и даже рассматривается возможность использования синхротронного излучения для снижения длины волны вплоть до нескольких нанометров и, как следствие, повышения разрешающей способности литографической схемы. При уменьшении линейных размеров рисунка маски большую роль начинают играть эффекты рассеяния излучения на границах раздела фаз, которые приводят к размытию конечного рисунка на резисте. Например, для нанесения четкого отображения на речисте в форме квадрата на маске оказывается необходимым сформировать дополнительные прорези в его вершинах . Но даже в этом случае отображение оказывается несколько ≪размытым≫. Более сложные схемы можно производить, если пучок излучения заменить на пучок электронов или ионов (электронно- или ионнолучевая литография). Поскольку эти частицы имеют заряд, становится возможным не только засвечивать резист через маску, но также сфокусированным управляемым пучком писать на резисте как ручкой или карандашом по бумаге (см. ФИП-нанолитография). В случае ионов тяжелых атомов можно как модифицировать резист, так и вытравливать саму подложку или, наоборот, наносить на нее слой атомов или легировать материал подложки. В данной литографической схеме можно добиться более высокой разрешающей способности (< 100 нм), чем в оптической, однако значительная глубина проникновения электронов в облучаемый материал, процессы генерации вторичных электронов в объеме резиста приводят к значительному размытию экспонированных областей и разогреву маски, что отрицательно сказывается на качестве ≪рисунка≫.

 

Рис. 7.1 - Принципиальная схема литографии (а−в) с использованием источника, маски и позитивного фоторезиста [7]

 

Еще одним методом, причисляемым к литографическим, является ≪печатная≫ литография.

В данном случае маска представляет собой рельефную пластину, которую прижимают к подложке с ≪мягким≫ резистом. Таким образом рисунок с маски на резист переносится механически – путем деформирования резиста, подобно тому, как рельефный рисунок переносится путем придавливания печати к нагретому сургучу. После создания рельефного рисунка из речиста подложка может быть окислена или протравлена в областях, не защищенных фоторезистом, или, наоборот, в ≪канавки≫ этого рельефа может бать нанесено вещество, например проводник. Таким образом, литография позволяет направленно изменять свойства определенной части подложки, что в дальнейшем используется для создания более сложных схем с отдельными элементами размером от 10 нм. Локальное механическое воздействие на поверхность подложки можно производить иглой атомно-силового микроскопа (АСМ) в двух режимах. В статическом режиме (наногравировка) зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с достаточно большой силой прижима, так что на подложке (резисте) формируется рисунок в виде царапин. Динамический режим (наночеканка) подразумевает модификацию поверхности образца за счет формирования углублений колеблющимся зондом (прерывисто-контактный метод сканирования). Альтернативой непосредственному механическому воздействию иглой АСМ на подложку или нанесенный резист яляется модификация поверхности с помощью электрических импульсов. Это становится возможным благодаря приложению разности потенциалов между иглой микроскопа и проводящей подложкой. В результате такого воздействия, изменяя потенциал, можно направленно менять

структуру и химический состав поверхности, создавая очень сложные и красивые рисунки. [7]

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Третьяков Ю.Д., МетлинЮ.Г. Керамика — материал будущего. М., 1987.
2. Михайлов О.В. Что такое темплатный синтез // СОЖ. 1999. № 10. С. 42−50.
3. Хенней Н. Химия твердого тела. М.: Мир, 1971.
4. Ежовский Ю.К. Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6, № 1. С
5. http://www.spezial.ru/article/laser.html.
6. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры / Ред. Л. Ченг, К. Плог. М.: Мир, 1989. 580 с.
7. Nanoelectronics and Information Technology. 2.9 – Technology and Analysis: Lithography / Ed. by R. Waser,

Wiley-VCH, Germany. 2005.