close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Технологии ускоренного роста нитридных структур

код для вставки
технология промышленного внедрения
Молекулярное Наслаивание (
Atomic Layer Deposition)
–
нанотехнология получения пленок соединений II
-
VI для фотоприемников ИК диапазона Научный руководитель проекта
Сопредседатель научного совета
Hood River Suomi Oy. Дрозд В.Е.
Санкт
-
Петербург
2010
2
Научные
основы
метода
MH
были
впервые
открыты
и
разработаны
в
отечественной
научной
школе,
в
60
-
х
годах
20
века
.
Метод
получил
название
Молекулярное
Наслаивание
(
MH
)
.
Затем
он
был
вторично
«открыт»
через
несколько
лет
за
рубежом,
в
Финляндии
под
именем
Atomic
Layer
Epitaxy
(
ALE
)
.
После
этого
ему
давали
разные
названия,
в
том
числе,
Atomic
Layer
Deposition
(
ALD
)
.
Метод
Молекулярного
Наслаивания
представляет
собой
химический
способ
выращивания
сверхтонких
пленок
путем
проведения
на
подложке
ряда
гетерогенных
химических
реакций
.
Кратко,
принцип
реакций
МН
состоит
в
проведении
последовательных
химических
взаимодействий
между
монослоем
функциональных
групп
на
поверхности
подложки
и
активно
реагирующими
с
ними
молекулами
реагента,
поступающими
к
поверхности
подложке
из
газовой
фазы
.
Результатом
такого
взаимодействия
является
монослой
прочно
химически
связанных
молекул,
содержащих
в
своем
составе
новые
функциональные
группы,
активные
в
следующей
реакции
с
молекулами
другого
реагента,
поступающего
из
газовой
фазы
.
После
проведения
реакции
с
новыми
поверхностными
функциональными
группами
на
подложке
образуется
монослой
твердого
вещества,
состав
которого
определяется
выбранными
реагентами
и
вновь
содержащий
активные
функциональные
группы
.
Такая
последовательная
пара
реакций
называется
циклом
Молекулярного
Наслаивания
(МН)
.
Учитывая
то,
что
один
из
участников
реакции
всегда
присутствует
в
виде
связанного
с
поверхностью
монослоя
функциональных
групп,
то
его
количество
лимитирует
на
каждом
этапе
взаимодействия
толщину
получаемого
слоя
.
3
Условия
проведения
двух
таких
последовательных
реакций(цикла)
выбираются
таким
образом,
чтобы
с
поверхностью
всегда
был
связан
один
монослой
функциональных
групп,
что
позволяет
строго
контролировать
толщину
и
состав
получаемого
твердого
продукта
реакции
в
виде
прочно
связанного
с
подложкой
одного
монослоя
вещества
.
Необходимые
условия
такого
синтеза
нами
хорошо
изучены
и
теоретически
обоснованы
.
Реакции
между
функциональными
группами
подложки
и
молекулами
реагента,
поступающими
из
газовой
фазы
должны
быть
необратимыми,
а
число
последовательных
реакций
должно
быть
не
менее
двух
.
Наличие
функциональных
групп
на
поверхности
подложки
на
каждой
стадии
синтеза
позволяет
многократно
повторять
циклы
реакций
МН
и
синтезировать
вещество
монослой
за
монослоем
до
любой
требуемой
толщины
.
Такой
процесс
является
ступенчатым
(
digital
)
и
результирующая
толщина
пленки
определяется
не
временем
проведения
процесса,
как
обычно
принято
в
других
методах
роста,
а
числом
циклов
МН
.
Как
правило,
температура
синтеза
тонких
пленок
методом
МН
существенно
ниже,
чем
в
других
методах
и
не
превышает
величины
300
-
400
°
С
.
Важной
особенностью
метода
МН
является
то,
что
можно
по
желанию
на
любом
цикле
МН
изменить
химический
состав
используемых
реагентов
и
получать
слои
другого
состава
.
Такое
чередование
реагентов
по
выбранной
программе
позволяет
синтезировать
многослойные
структуры
с
регулированием
химического
состава
и
толщины
с
предельной
точностью
в
один
монослой
вещества
.
Еще
одним
достоинством
метода
МН
является
то,
что
геометрия
подложки
на
микроуровне
не
играет
роли
в
химических
реакциях
и
вся
доступная
для
молекул
реагентов
поверхность
покрывается
равномерным
и
сплошным
слоем
вещества,
в
том
числе
поры,
трещины,
ступени,
фотолитографический
рельеф
и
другие
неоднородности
подложки
.
4
К вопросу об отечественном научном приоритете (Ранние публикации русских ученых)
5
Кольцов
С.И.
ЛТИ
им. Ленсовета
(Первая публикация по методу МН в 1963г.)
Suntola
T.
Lohja, Finland
(Первая публикация по
методу в 1974 г.)
Алесковский В.Б.
ЛТИ
им. Ленсовета
( Первая публикация по
методу МН в 1965 г .)
Основные
принципы
метода
МН
были
сформулированы
в
докторской
диссертации
С
.
И
.
Кольцова
в
1970
г
.
«Синтез
твердых
веществ
методом
Молекулярного
Наслаивания»
ЛТИ
им
.
Ленсовета,
Л
.
и
состоят
в
следующем
:
1
.
Воспроизводимый
синтез
-
химическая
сборка
твердых
веществ
заданного
сложного
состава
и
регулярного
химического
строения
должен
быть
основан
на
использовании
необратимых
в
условиях
синтеза
реакций
функциональных
групп
на
поверхности
твердого
тела
с
молекулами
низкомолекулярного
вещества,
причем
последние
не
должны
реагировать
между
собой
.
Это
исключает
возможность
протекания
параллельных
трудно
контролируемых
реакций
в
газовой
или
жидкой
фазе
вне
поверхности
твердого
тела
.
2
.
Химическая
сборка
данного
вещества
осуществляется
путем
многократного
чередования
двух
или
нескольких
реакций,
которые
в
определенной
заданной
последовательности
проводятся
на
поверхности
твердого
тела
.
В
результате
каждой
из
этих
реакций
к
поверхности
должен
присоединиться
лишь
один
монослой
новых
функциональных
групп,
химический
состав
и
строение
которых
определяется
природой
молекул
используемых
на
данной
стадии
низкомолекулярного
вещества
.
Эти
структурные
единицы,
являющиеся
частью
молекулы
низкомолекулярного
вещества,
должны
содержать
активные
атомы
или
группы
атомов,
которые
были
бы
способны
химически
присоединять
в
ходе
следующей
необратимой
реакции
с
другим
низкомолекулярным
веществом
соответствующие
новые
функциональные
группы,
также
способные
реагировать
на
следующей
стадии
синтеза,
причем
каждая
последующая
реакция
осуществляется
лишь
после
полного
завершения
предыдущей
.
На
следующем
слайде
приведен
пример
схемы
циклов
МН
при
синтезе
пленок
оксида
титана
на
поверхности
кремния
.
Пример последовательности взаимодействия молекул ТМА и воды в потоке сухого азота с подложкой при синтезе пленки Al2O3
. [1]
[3]
[5]
[2]
[4]
[6]
9
Анимация последовательности химических взаимодействий в цикле синтеза пленки Al
2
O
3.
Пояснения на английском (копия из интернета со ссылкой на авторов)
(для запуска дважды кликнуть на светлый квадрат)
1 -
300K, 2 -
330K, 3 -
370K
4 -
400K, 5 -
420K, 6 -
550K Температурная
зависимость
толщины
слоя
TiO
2
,
полученного
методом
МН,
по
данным
эллипсометрии
.
Экспериментальное
исследование
состава
по
глубине
полученной
ZnS
-
CdS
многослойной
МН
пленки
с
помощью
Оже
-
спектроскопии
при
ее
послойном
травлении
.
Малоугловая
дифракция
многослойных,
периодических
структур
типа
сверхрешѐток
Zns
-
CdS
,
полученных
методом
МН
.
Достоинством
метода
МН
является
то,
что
вся
поверхность
подложки,
доступная
для
молекул
прекурсора,
покрывается
сплошным
равномерным
слоем
синтезируемого
материала
.
Слой
Cr
2
O
3
толщиной
6
,
0
нм,
полученный
методом
МН
на
термическом
окисле
кремния
различной
толщины,
резко
снижал
его
пористость
Иллюстрация преимущества метода МН перед методами физического нанесения пленок
Рентгенограмма
и
оптический
спектр
пленок
CdTe
,
полученных
методом
МН
на
разработанной
нами
установке
нового
поколения
с
повышенной
скоростью
роста
пленок
.
Электронно
-
микроскопическое изображение исходной поверхности пленки CdTe
толщиной 1 мкм
Лунка
травления
ионами
аргона
пленки
CdTe
толщиной
1
мкм
(шероховатость
поверхности
является
следствием
рассеяния
ионов
при
травлении
кратера)
15
Тепловизионная
техника,
основанная
на
применении
фотоприемников
инфракрасного
(ИК)
-
диапазона
на
длины
волн
3
-
12
мкм,
используются
в
различных
областях
народного
хозяйства
:
•
в
медицине,
•
сельском
хозяйстве,
•
химической
промышленности,
•
металлургии
черных
и
цветных
металлов,
•
топливодобывающей
промышленности
и
других
областях
народного
хозяйства,
включая
оборонную
отрасль
промышленности
.
Ключевым
материалом
для
создания
ИК
фотоприемников
является
CdxHg
1
-
xTe
(КРТ
--
кадмий
–
ртуть
-
теллур)
узкозонный
полупроводник,
с
управляемой
шириной
зоны
в
широком
диапазоне
(
0
–
1
,
6
эВ)
.
Проблемой
является
получение
пленок
КРТ
на
подложках
большой
площади
с
заданными
составом
и
свойствами
.
Высокое
содержание
ртути
в
составе
пленки
приводит
к
дороговизне
получаемых
слоев
не
только
из
-
за
ее
токсичности,
но
и
вследствие
ее
летучести
при
повышении
температуры
.
Это
приводит
изменению
параметров
полученной
пленки
в
процессе
изготовления
конечных
структур,
а
также
в
процессе
их
эксплуатации
.
В
настоящее
время
для
изготовления
пленок
КРТ
применяют
два
технологических
способа
–
МВЕ
(молекулярно
-
пучковую
эпитаксию)
и
CVD
(нанесение
из
паров
химических
соединений)
.
Первый
способ
требует
условий
высокого
вакуума
и
дорогостоящего
оборудования,
но
позволяет
получать
пленки
на
подложках
диаметром
до
76
мм
с
приемлемыми
характеристиками
.
Этот
способ
используется
в
отечественных
разработках
.
Второй
способ
развивается
за
рубежом
в
Англии,
Франции,
Японии
и
США
.
Оба
способа
являются
дорогостоящими
и
полученные
образцы
стоят
немалых
денег
.
На
основе
полученных
эпитаксиальных
пленок
изготавливаются
многоэлементные
структуры,
в
том
числе
на
два
и
более
диапазона
ИК,
так
называемые
«цветные
ИК
-
приемники»
по
аналогии
с
видимым
светом
.
16
Технологический
маршрут
преобразования
эпитаксиального
слоя
CdxHg
1
-
xTe
(КРТ)
в
матрицу
фотодиодов
изрядно
длинен
и
состоит
из
десятков
операций
.
Фактически
на
любом
из
этапов
маршрута
капризный
слой
может
«сойти
с
дистанции»
.
Тогда
вместо
многоэлементного
фотоприѐмного
устройства
(ФПУ)
можно
получить
очень
дорогие
отбросы
(КРТ
по
-
прежнему
остаѐтся
одним
из
самых
дорогих
полупроводников)
.
Проблемы
возникают
и
при
разработке
самого
технологического
маршрута,
когда
главная
цель
–
получить
наилучшие
параметры
при
минимальном
расходе
драгоценного
материала
.
К
примеру,
за
разработку
промышленной
технологии
двухцветного
матричного
ФПУ
на
КРТ
армия
США
ежемесячно
выкладывает
корпорации
Rockwell
по
369047
долл
.
и
так
42
месяца
подряд,
и
всѐ
это
в
надежде
на
то,
что
по
истечении
указанного
срока
компания
сумеет
снизить
на
порядок
стоимость
своих
изделий
.
Так
как
КРТ
является
твердым
раствором
двух
полупроводников
–
CdTe
и
HgTe
(теллурида
кадмия
и
теллурида
ртути),
то
задача
получения
КРТ
состоит
из
двух
частей
–
синтеза
теллурида
кадмия
и
теллурида
ртути
и
объединение
их
единый
цикл
.
Нами
разработана
и
изготовлена
высокоскоростная
установка
для
синтеза
различных
полупроводниковых
слоев
и
экспериментально
получены
на
ней
пленки
теллурида
кадмия
(
CdTe
)
необходимой
толщины
в
несколько
микрон
с
гладкой
зеркальной
поверхностью
и
исследованы
их
основные
свойства
.
Отличительной
особенностью
нашей
разработки
является
относительная
простота
и
надежность
технологии
МН
в
сочетании
с
оригинальным,
защищенным
патентом,
ее
решением,
дающем
возможность
устранить
главный
недостаток
метода
МН,
а
именно,
повысить
скорость
роста
слоев
более
чем
на
порядок
.
17
Метод
Молекулярного
Наслаивания
дает
уникальные
свойства
наносимых
покрытий
:
1
.
Ступенчатый
(цифровой)
контроль
толщины
на
атомном
уровне
.
2
.
3
D
конформное
покрытие
(
100
%
послойное
покрытие
всей
поверхности)
3
.
Равномерное
покрытие
подложек
большой
площади
.
4
.
Возможность
групповой
обработки
подложек
при
малом
расходе
прекурсоров
.
5
.
Отсутствие
сквозных
пор
в
пленках
даже
при
большой
площади
.
6
.
Хорошая
воспроизводимость
свойств
покрытий
.
7
.
Низкая
плотность
дефектов
.
8
.
Хорошая
адгезия,
благодаря
образованию
химических
связей
с
первого
монослоя
.
9
.
Возможность
роста
многослойных
покрытий
(наноламинированных)
вплоть
до
сверхсплавов
(чередование
состава
через
один
слой
атомов)
.
10
.
Процесс
«мягкой
химии»
применим
для
подложек,
чувствительных
к
обычным
химическим
воздействиям
.
11
.
Низкотемпературный
процесс
нанесения
.
12
.
Атомарно
гладкое
покрытие,
повторяющее
профиль
поверхности
.
13
.
Пониженная
механическая
напряженность
слоев,
благодаря
молеку
-
лярной
самоорганизации
.
14
.
Низкая
чувствительность
к
пылевым
загрязнениям
.
15
.
Возможность
нанесения
широкого
класса
соединений
(оксиды,
нитриды,
металлы,
полупроводники)
.
16
.
Покрытие
на
поверхности
всевозможных
подложек,
включая
тефлон
.
18
Разработанная
и
изготовленная
нами
лабораторная
установка
для
Молекулярного
Наслаивания
пленок
соединений
II
-
VI
,
на
которой
получены
пленки
CdTe
на
подложках
диаметром
100
мм
.
Автор
hoodriver
Документ
Категория
Презентации
Просмотров
130
Размер файла
26 931 Кб
Теги
структура, нитридных, технология, ускоренного, роста
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа