Опубликован: 16.01.2014 | Уровень: для всех | Доступ: платный
Лекция 2:

От микроэлектронной технологии к наноэлектронной

Метод "горячей стенки"

Недостатком метода молекулярно-лучевой эпитаксии является его относительно невысокая производительность. Типичная скорость наращивания составляет порядка одного моноатомного слоя в секунду. И обрабатывается при этом лишь одна подложка. Поэтому в промышленных условиях часто отдают предпочтение методу "горячей стенки" (англ. "hot wall" – HW). В этом методе между источниками атомов (молекул) и подложками устанавливаются "тепловые экраны". Схема камеры для нанесения тонких пленок методом "горячей стенки" показана на рис. 2.4.

Схема камеры для нанесення тонких пленок методом "горячей стенки"

Рис. 2.4. Схема камеры для нанесення тонких пленок методом "горячей стенки"

В вакуумной камере 1 размещены испарители 2. Каждый из них состоит из кварцевых труб 3 и 4, на дно которых закладывают испаряемые вещества. Извне на стенках кварцевых труб размещены нагреватели: 5 – для нагрева первого вещества, 6 – для нагрева второго, 7 – для создания "горячей стенки". Внутри кварцевой трубы 4 установлен тепловой экран 8 с отдельным подогревателем 9. Тепловой экран 8 не позволяет атомам (молекулам), которые испаряются, непосредственно попасть на подложки 10, прикрепленные к диску 11 и подогреваемые до нужной температуры нагревателями 12. Диск 11 может вращаться вокруг оси 13, перемещая группы подложек от одного испарителя к другому. При такой схеме на подложки попадают атомы (молекулы) многократно отраженные от горячих стенок, которые играют роль распределенного поверхностного источника со своей собственной температурой и позволяют регулировать скорость атомов (молекул) относительно подложки независимо от температуры источника. Удается создавать значительно более высокое давление паров, чем в установках молекулярно-лучевой эпитаксии, благодаря чему пленки наносятся значительно быстрее и сразу на целую группу подложек. Существенно уменьшается и удельный расход материалов.

Например, для нанесения сверхрешеток PbTe/Pb_{1-x}Sn_xTe в левый испаритель загружают PbTe и Te, а в правый испаритель – Pb_{1-x}\; Sn_x\; Te и Te. На протяжении нескольких секунд на подложку высаживают первый материал, потом подложки перемещают в другой испаритель и осаждают второе вещество, снова перемещают, и все повторяется. Благодаря этому на подложках формируется структура из многих периодически повторяемых тонких слоев Pb_{1-x}\; Sn_x\; Te и PbTeсверхрешетка. Аналогично могут быть выращены, например, сверхрешетки ZnS/ZnSe. Можно выращивать также и повторяющиеся слои из одного и того же материала, но периодически по-разному легированные.

В камере могут быть установлены не 2, а 3-4 испарителя для разных материалов, и тогда появляется возможность выращивания сверхрешеток не из двух, а из 3-4-х периодически повторяемых слоев.

Технология Ленгмюра-Блоджетт

Еще в 30-х годах ХХ в. была разработана технология нанесения на подложки мономолекулярных пленок органических веществ, которая получила название "технология Ленгмюра-Блоджетт". Она основана на том, что многие органические молекулы являются амфифильными, т.е. один конец такой молекулы является гидрофильным, а другой - гидрофобным. Пример одной из таких молекул показан на рис. 2.5 слева.

Слева – структурная химическая формула стеариновой кислоты; справа – архитектура мономолекулярного слоя таких молекул на поверхности воды

Рис. 2.5. Слева – структурная химическая формула стеариновой кислоты; справа – архитектура мономолекулярного слоя таких молекул на поверхности воды

Если раствор такого вещества в летучем растворителе нанести на поверхность воды, то после быстрого испарения растворителя амфифильные молекулы располагаются на поверхности воды так, что их гидрофильный конец погружен в воду, а гидрофобный обращен в сторону воздуха (рис. 2.5 справа). Если с помощью гидрофобных поплавков–барьеров сжать этот мономолекулярный слой, то амфифильные молекулы вплотную прижимаются одна к другой, автоматически упорядочиваясь и образуя квазикристаллическую пленку. Такие пленки называют "пленками Ленгмюра-Блоджетт" или сокращенно "ЛБ-пленками".

Для переноса ЛБ-пленки на твердую подложку достаточно погрузить последнюю в воду или вытянуть из воды ( рис. 2.6). Если поверхность подложки (П) имеет химическое сродство с гидрофобными концами амфифильных молекул, то при вертикальном погружении подложки в воду сквозь поверхностную пленку амфифильные молекулы химически присоединяются к поверхности подложки, образуя на ней мономолекулярный слой (ММС).

Формирование мономолекулярной пленки на поверхности подложки: a) при вертикальном погружении; б) при последующем вертикальном вытягивании; внизу – результат нанесения. Формирование мономолекулярной пленки на поверхности подложки, имеющей химическое сродство с гидрофильными концами молекул: в) при вертикальном вытягивании; г) при последующем погружении; внизу – результат нанесения

Рис. 2.6. Формирование мономолекулярной пленки на поверхности подложки: a) при вертикальном погружении; б) при последующем вертикальном вытягивании; внизу – результат нанесения. Формирование мономолекулярной пленки на поверхности подложки, имеющей химическое сродство с гидрофильными концами молекул: в) при вертикальном вытягивании; г) при последующем погружении; внизу – результат нанесения

Процесс присоединения показан на рис. 2.6.а. Для того, чтобы хорошо была видна наноструктура пленок, толщина подложки (П) непропорционально уменьшена здесь приблизительно в миллион раз. Если подложку вынуть сквозь чистый участок поверхности воды и стереть слой с одной стороны подложки, то получим подложку с присоединенным к ней одним слоем молекул гидрофильными головками наружу ( рис. 2.6.а, внизу). Если после погружения подложки нанести на поверхность воды новую ЛБ-пленку (ЛБ) и вертикально вытянуть подложку, то к первому мономолекулярному слою на ней присоединяется второй ( рис. 2.6.б). После вытягивания на поверхности подложки образуется покрытие ровно из двух молекулярных слоев (БМС – рис. 2.6.б, внизу).

Если поверхность подложки имеет химическое сродство с гидрофильными концами амфифильных молекул, то после погружения подложки в чистую воду при вертикальном вытягивании сквозь поверхностную пленку последняя химически присоединяется к поверхности подложки своими гидрофильными концами, тоже образуя на ней мономолекулярный слой ( рис. 2.6. в). Если после вытягивания подложки нанести на поверхность воды новую ЛБ-пленку и вертикально погрузить подложку, то к первому мономолекулярному слою присоединяется второй ( рис. 2.6.г).

Технология Ленгмюра-Блоджетт позволяет получать хорошо упорядоченные монокристаллические молекулярные пленки заранее известной толщины на поверхности подложек даже из не монокристаллического материала (стекло, плавленый кварц, золото, серебро, окисленный алюминий и т.п.). Процесс нанесения можно повторять многократно, получая пленки калиброванной толщины. Изменяя состав наносимых пленок, можно формировать сверхрешетки молекулярных кристаллов, даже довольно сложные, заранее запрограммированные. Это особенно ценно для оптических и оптоэлектронных применений (ведь от слоя к слою может заметно изменяться показатель преломления).

Блок-схема технологического комплекса для нанесения мономолекуляр-ных пленок методом Ленгмюра-Блоджетт показана на рис. 2.7.

Блок-схема технологического комплекса для нанесения мономолекулярных пленок методом Ленгмюра-Блоджетт

Рис. 2.7. Блок-схема технологического комплекса для нанесения мономолекулярных пленок методом Ленгмюра-Блоджетт

В ванне 1 с чистой водой установлены барьеры-поплавки 2 и дозатор 3 вещества, пленку которого надо нанести на поверхность подложки 4. Подложка закреплена в держателе 5 и с помощью блока перемещения 6 может с заданной скоростью и без вибраций перемещаться вниз/вверх и по горизонтали. Сбоку на поверхность воды погружен датчик 7 давления и температуры поверхностной пленки. Правый барьер-поплавок 2 может перемещаться с помощью электромеханического привода 8. На краю ванны находится шлюз 9 для слива поверхностного слоя воды. Открыванием/закрыванием шлюза 9 управляет электромеханический узел 10. Электромеханическими блоками 3, 6, 7, 8 и 10 управляет рабочая станция 11. Вся требуемая технологу информация выводится на монитор 12. Технолог может управлять системой с помощью клавиатуры рабочей станции, заранее программируя порядок нанесения мономолекулярных пленок.

Систему устанавливают в чистой комнате, ванну надежно защищают от вибраций, – ведь во время нанесения пленок на поверхности воды не должно быть даже наименьшей ряби. Система термостабилизации, не показанная на рис. 2.7, поддерживает постоянную температуру. Процедура нанесения пленки начинается с того, что блок перемещения 6 погружает подложку под воду (если поверхность подложки имеет химическое сродство с гидрофильными концами молекул) или устанавливает подложку над водой (если поверхность подложки имеет химическое сродство с гидрофобными концами молекул). Дозатор 3 капает на поверхность воды заданную дозу вещества, слой которого надо нанести на подложку. После растекания и образования поверхностной пленки датчик 7 передает в рабочую станцию 11 информацию о внутреннем давлении в пленке. По командам от станции 11 привод 8 перемещает правый барьер-поплавок до тех пор, пока в поверхностной пленке не будет установлено давление, требуемое для достижения квазикристаллической структуры. Блок перемещения 6 вытягивает или погружает подложку 4, в результате чего на нее оседает мономолекулярная пленка. Осевшая на подложку пленка может быть высушена с помощью инфракрасного излучения. Этот блок на рис. 2.7 для упрощения не показан. Процедуру нанесения можно автоматически повторить несколько раз в соответствии с программой, заданной в рабочей станции.

Такая технология не нуждается ни в вакууме, ни в высоких температурах и оказывается значительно дешевле, чем другие технологии нанесения тонких пленок. В принципе жидкостью, на поверхности которой образуются мономолекулярные пленки, которые потом переносятся на подложку, может быть и не вода, а другие жидкости, даже, например, ртуть. Это значительно расширяет спектр молекулярных пленок, которые могут быть нанесены методом Ленгмюра-Блоджетт.

Ольга Клюева
Ольга Клюева

Некорректно сформулированные задания. Нужна помощь в выполнении

Несибели Спандияр
Несибели Спандияр
Казахстан, Алматы, КазНАУ
Юлия Яцуненко
Юлия Яцуненко
Россия, г. Махачкала