Технология тонких пленок

Рис. 3. Схема формирования монокристаллической наноструктуры методом молекулярно-лучевой эпитаксии

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Способы нанотехнологии в инженерии поверхности

В последнее время сложилось мнение, что иано-технология базируется на сканирующих зондовых методах, молекулярно-лучевой эпитаксии и само­сборки атомных кластеров на поверхности. Для ис­пользования в инженерии поверхности наиболее подходят последние два метода, тогда как зондовые методы пока не предназначены для формирования двумерных и трехмерных наноструктур.

Слово "эпитаксия" происходит от греческого слова, имеющего значение "упорядочение". Основное достоинство процесса эпитаксии - высокая од­нородность материала пленки и возможность тонко регулировать уровень легирования. Эпитак­сия является альтернативой длительной диффузии при создании однородно легированных слоев. Эпитаксиальное наращивание состоит в образовании центров кристаллизации и последовательном формировании плоской двумерной решетки из островков, растущих вдоль поверхности (рис. 3).

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) проводится в сверхвысоком вакууме (СВВ) и основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой (рис. 4). Формирование молекулярных пучков тре­буемой интенсивности осуществляется подбором температуры испарителей для каждого материала и устройством прерывания потока (заслонкой). Под­бором температуры испарителей и подложки полу­чают пленки со сложным химическим составом. Отличительная особенность МЛЭ - рабочее давление 10-8 Па и менее низкая скорость осаждения ато­мов и молекул (0,3...0,5 нм/с), что соответствует образованию на поверхности примерно одного монослоя осаждаемого материала к секунду.

Возможно создание как однородно легированных слоев, так и многослойных структур с толщиной каждого слоя порядка 5...40 нм.

Применение. С помощью МЛЭ получают инжекционные лазеры, полевые транзисторы с барьером Шоттки, переключающие СВЧ-диоды, оптические волноводы, интегральные оптические структуры. В машиностроении МЛЭ пока не применяется.

Рнс. 4. Схема процесса молекулярно-лучевой эпитаксии:

1 - монокристаллическая подложка;

2 - молекулярные пучки; 3 - заслонки;

4 — молекулярные источники

Формирование атомных кластеров на поверхно­сти происходит самосборкой с помощью одного из методов технологии тонких пленок. В работе [7] представлены результаты исследований начальной стадии формирования металлических пленок. Ус­тановлено, что механизм зарождения и роста плен­ки индия на аморфной углеродной пленке (выполняющей роль подложки), формируемой не­посредственно в колонне электронного просвечи­вающего микроскопа ПРЭМ-100, заключается в том, что ближайшие адатомы (адсорбированные атомы) в результате миграции и коалесценции формируют на подложке хаотически расположенные узкие продолговатые цепочки островков. Вдоль них происходит преимущественная миграция адатомов и слияние в кластеры. Затем растущие кластеры как бы поглощают материал узких цепочек островков_и формируются при этом в более крупные частицы. На рис. 5 приведены фрагменты эволюции топологии растущей пленки индия.

Тонкие пленки, полученные различными стан­дартными методами, представляют собой, как правило, островковую структуру до толщин порядка 30 нм [8]. При этом критическая толщина пленок, при которой они становятся сплошными зависит от материала и условий их осаждения. Известно что конденсирующиеся пленки представляют со­бой высокодисперсные неравновесные системы, которые по мере роста переходят через ряд проме­жуточных состояний. При этом устойчивость их в процессе роста меняется. Рост конденсируемой пленки происходит последовательно, начиная от момента зарождения частиц конденсированной фазы, через промежуточные стадии роста частиц коллоидных размеров до состояния сплошного слоя.

Рис. 5. Эволюция топологии растущей пленки: 1—4 этапы роста