1.2. Вакуумні методи одержання островкових наноструктур
Атомістична теорія зростання плівок, авторами якої є Уолтер і Родін, описує процес зародкоутворення за допомогою методів статичної фізики і дозволяє представити цей процес за допомогою зародків малого розміру, складаються з невеликого числа окремих атомів. Стабільні зародки називаються зародками критичного розміру, а нестабільні – до критичного розміру [7]. Після утворення зародків за критичного розміру на підкладці починається ріст плівки, в результаті якого адсорбовані атоми і зародки до критичного розміру мігрують на поверхні, захоплюючись за критичних зародками. Острівці розростаються, просвіт між ними зменшується. В цей момент плівка являє собою сукупність острівців за критичного розміру, яка не пов'язана між собою гальванічно. Таку плівку називають острівковою , що складається з острівців або квантових точок. В залежності від відстані між острівцями переважають різні механізми електропровідності. При порівняно великих відстанях (10 нм) - термоелектронний механізм, а при малих зазорах (2,5 нм) - тунельний ефект переносу носіїв.
Метод термічного випаровування у вакуумі (рис. 1.2) полягає в наступному. При пропущенні струму через контакти випарник розігрівається і передає своє тепло матеріалу майбутньої плівки, в камері створюють вакуум, при цьому матеріал майбутньої плівки розігрівається і починає випаровуватися. До тих пір, поки тиск парів випаровується, менше тиску вакууму, підкладка закрита екраном. Відстань від підкладки до випарника вибирають так, щоб довжина вільного пробігу випаровуються атомів була на порядок вище, ніж відстань від підкладки до випарника. Для того щоб поліпшити адгезію, підкладка розігрівається нагрівальним елементом.
Рис.1.2. Схема процесу термічного випаровувача у вакуумі [8]
Як тільки тиск парів, перевищить тиск вакууму, екран відсувають, і на поверхні підкладки відбувається інтенсивне осадження плівки. Застосування електронної мікроскопії дозволило встановити, що при конденсації пари спочатку утворюються краплі рідкої конденсованої фази, які на деякою стадії росту кристалізуються, утворюючи окремі ізольовані частинки (зародки) (рис. 1.3), що мають у більшості випадків сферичну форму. Потім в процесі подальшої конденсації пари відбувається зростання зародків, їх злиття і утворення суцільного шару.
Рис.1.3. Однорідні острівці Ge / Si (АСМ - зображення) [9]
Важливим є підбір режимів нанесення, щоб можна вчасно зупинити процес, коли тільки сформується острівкова структура [10].
Епітаксія з газової фази (ГФЕ) - метод, заснований на осадженні з газової фази речовини, отриманого в результаті хімічних реакцій [11]. Процеси здійснюються в реакторах (рис. 1.4); газова система забезпечує подачу в реакторну камеру газової суміші потрібного складу.
Рис.1.4. Схеми горизонтальної (а) і вертикальної (б) реакторних камер для епітаксії з газової фази – хлоридним методом [11]: |
|
1-реакторна камера;
2- нагрівач;
3- підставка для підкладок;
4- підкладка.
Додаючи до газової суміші з'єднання легуючих елементів (наприклад, AsCl3, B2H6), Вирощують епітаксіальні шари. Температура процесу визначається кінетикою хімічної реакції і зазвичай знаходиться в межах 1073….1573 К.
Метод іонно-променевого травлення (ІПТ) - розпорошення провідних і діелектричних матеріалів сфокусованим пучком іонів інертних газів, витягає з автономного джерела іонів [5]. Травлення попередньо сформованої плівки спрямованим пучком іонів відбувається до таких малих залишкових товщин плівки, що вона стає не суцільною і набуває острівкової структуру [12].
Молекулярно-променева епітаксії (МПЕ) - один із сучасних і перспективних технологічних методів вирощування монокристалічних шарів напівпровідникових структур на їх основі. МПЕ. Він являє собою процес епітаксійного росту тонких шарів різних з'єднань (рис. 1.5), за рахунок реакцій між термічно створюваними молекулярними або атомними пучками відповідних компонентів і поверхнею підкладки, що знаходиться надвисокому вакуумі при підвищеній температурі [2, 12]. У надвисокому вакуумі створюються молекулярні пучки за допомогою еффузійних осередків, температура яких ретельно контролюється, як правило, за допомогою ЕОМ. Вибираючи належним чином температури підкладки та осередків, отримують епітаксійні плівки необхідного хімічного складу. За допомогою заслінок можна швидко змінювати потоки різних речовин, створюючи різкі профілі складу і легування. Однорідність складу плівки та її кристалічна структура визначається однорідністю молекулярних пучків по площі підкладки матеріалів.
Перевага методу МПЕ полягає у високій точності завдання концентрації
легуючих домішок. Крім того, даний метод дозволяє розміщувати в обладнанні для МПЕ прилади, що дають можливість аналізувати параметри шарів безпосередньо в процесі вирощування.
Метод магнетронного розпилення є різновидом методу іонно-плазмового розпилення.
Рис.1.5. Схема установки МЛЕ [14]:
I – зона генерації молекулярних пучків;
II – зона змішування випаровуються елементів; I
II – зона кристалізації на підкладці;
1 – блок нагрівання;
2 – підкладка;
3 – заслінка окремої комірки,
4 – еффузійні осередки основних компонентів плівки;
5 – еффузійний осередок легуючих домішок
Дія магнетронного джерела заснована на розпиленні матеріалу мішені-катода при його бомбардуванні іонами робочого газу, що утворюються в плазмі аномального тліючого розряду, збуджуваного в схрещених електричному і магнітному полях [5]. Магнетронні розпилювальні системи на постійному струмі можуть працювати тільки з мішенями з провідних матеріалів. Якщо використовуються високочастотні джерела живлення, то можливо розпорошення також і мішеней з непровідних матеріалів (ВЧ- магнетрони).
Метод розплавлення плівки на поверхні підкладки. Із самої назви методу випливає, що спочатку на поверхні підкладки формується тонка плівка мікрометрової товщини. Потім шляхом послідовного підвищення температури підкладки відбувається руйнування плівки, вона починає розплавлятися і утворюються краплі. Але процес цей нестійкий і важко контрольований. Отримати вузький діапазон розкиду розмірів крапель досить складно.