Microsoft Word doc

9.4.1. 
Молекулярно
-
лучевая
 
эпитаксия
 
Молекулярно
-
лучевая
 
эпитаксия
 
(molecular beam epitaxy) 
(
МЛЭ
) 
появилась
как
развитие
метода
химического
осаждения
пленок
в
сверхвысоком
вакууме
. 
Химическое
 
осаждение
 
из
 
газовой
 
фазы
(chemical vapor 
deposition) 
включает
рост
ориентированной
монокристаллической
пленки
на
монокристаллической
подложке
. 
Материал
пленки
при
этом
поступает
из
газовой
фазы
. 
Газовая
среда
может
содержать
как
пары
кристаллизующегося
материала
, 
так
и
газообразные
реагенты
, 
способные
в
процессе
химических
реакций
на
подлож
-
ке
образовывать
необходимый
для
эпитаксиального
роста
мате
-
риал
. 
Осаждение
пленок
обычно
проводится
в
проточных
каме
-
рах
, 
где
газ
-
носитель
, 
содержащий
соответствующие
реагенты
, 
пропускается
над
нагретой
монокристаллической
подложкой
. 
Химический
состав
, 
давление
газа
и
температура
подложки
явля
-
ются
главными
параметрами
, 
контролирующими
процесс
осаж
-
дения
пленок
и
их
свойства
. 
Установка
для
химического
осаждения
из
металлоргани
-
ческих
соединений
показана
на
рис
. 9.16 
на
примере
осаждения
GaAs 
и
гетероструктур
GaAlAs. 
Главным
преимуществом
мето
-
да
химического
осаждения
является
возможность
одновремен
-
ной
обработки
большого
количества
подложек
, 
что
соответству
-
ет
требованиям
массового
производства
. 
Ограничением
метода
является
плохо
контролируемое
загрязнение
материала
пленок
, 
а
также
необходимость
принимать
серьезные
меры
безопасно
-
сти
при
работе
с
взрывоопасными
и
токсичными
гидридами
. 
При
молекулярно
-
лучевой
эпитаксии
реагенты
вводятся
в
рабочую
камеру
в
виде
молекулярных
или
атомных
потоков
. 
Эти
потоки
формируются
путем
испарения
материала
внутри
замкнутой
ячейки
с
очень
малым
выходным
отверстием
. 
Она
называется
эффузионной
 
(effusion), 
или
ячейкой
 
Кнудсена
. 
Испа
-
ренные
внутри
нее
молекулы
и
атомы
, 
выходя
из
отверстия
в
сверхвысокий
вакуум
, 
движутся
без
соударений
(
баллистиче
-

---

221 
ски
), 
создавая
, 
таким
образом
, 
направленные
, 
хорошо
коллими
-
рованные
потоки
частиц
. 
Рис
. 9.16. 
Принципиальная
компоновка
установки
для
химического
осаждения
пленок
из
газовой
фазы
металлорганических
соединений
Для
МЛЭ
обычно
используют
несколько
эффузионных
ячеек
– 
по
одной
на
каждый
испаряющийся
материал
. 
Кроме
ячеек
, 
для
осаждения
собственно
материалов
должны
присутст
-
вовать
также
источники
легирующих
примесей
. 
Наряду
с
испа
-
рением
осаждаемого
материала
внутри
эффузионной
ячейки
мо
-
лекулярные
потоки
могут
формироваться
по
такому
же
принци
-
пу
и
из
паров
или
газообразных
соединений
. 
Для
этого
их
вводят
в
сверхвысоковакуумную
камеру
через
специальные
по
-
догреваемые
сопла
. 
Конструкция
типичной
установки
МЛЭ
, 
размещаемой
в
сверхвысоковакуумной
камере
, 
схематически
показана
на
рис
. 9.17. 
Потоки
атомов
или
молекул
создаются
в
зоне
гене
-
рации
(I) 
за
счет
испарения
жидких
или
сублимации
твердых
материалов
, 
помещенных
в
эффузионные
ячейки
(
источники
). 
Потоки
атомов
(
молекул
) 
направляются
на
подложку
, 
проходя
зону
смешивания
(II), 
и
осаждаются
на
ней
в
зоне
роста
(III), 
об
-
разуя
пленку
из
вещества
требуемого
состава
. 
Зону
роста
можно
разделить
на
три
области
, 
первая
из
которых
представляет
собой
подложку
или
очередной
выросший
моноатомный
слой
мате
-

---

222 
риала
. 
Вторая
область
– 
газовая
смесь
компонентов
гетерострук
-
туры
в
приповерхностной
области
. 
Третья
область
– 
переход
-
ный
слой
, 
геометрия
которого
и
протекающие
в
нем
процессы
сильно
зависят
от
выбора
условий
роста
. 
Рис
. 9.17. 
Схема
M
ЛЭ
-
установки
: 
1
– 
подложка
;
2
– 
растущая
пленка
; 
3
– 
заслонки
; 
4
– 
эффузионные
ячейки
основных
компонентов
; 
5
– 
эффузионные
ячейки
легирующих
примесей
; I – 
зона
генерации
молекулярных
пучков
; II – 
зона
смешивания
пучков
; III – 
зона
кристаллизации
на
подложке
(
зона
роста
) 
Управление
составом
выращиваемого
материала
и
кон
-
центрацией
легирующих
примесей
осуществляется
с
помощью
заслонок
, 
которые
перекрывают
тот
или
иной
поток
частиц
. 
Для
повышения
однородности
во
многих
случаях
подложка
с
расту
-
щей
пленкой
постоянно
вращается
. 

---

223 
В
зоне
роста
одного
моноатомного
слоя
, 
в
пределах
одной
секунды
, 
атом
совершает
несколько
тысяч
диффузионных
прыжков
, 
пока
не
займет
свое
окончательное
положение
в
ре
-
шетке
(
рис
. 9.18). 
Так
как
химические
связи
в
различных
мате
-
риалах
разные
, 
то
различаются
и
энергии
активации
поверхно
-
стной
диффузии
атомов
, 
входящих
в
состав
этих
соединений
. 
В
связи
с
этим
качество
гетерограниц
может
существенно
отли
-
чаться
в
зависимости
от
того
, 
какое
из
соединений
при
выбран
-
ном
температурном
режиме
растет
первым
. 
Границы
называют
нормальными
, 
если
компонент
с
более
низкой
температурой
плавления
растет
первым
. 
Если
последовательность
роста
об
-
ратная
, 
то
такие
границы
называют
инвертированными
. 
Иллю
-
страция
границ
этих
типов
, 
обозначенных
индексами
n 
и
i, 
дает
-
ся
на
рис
. 9.18 
на
примере
структуры
Al
x
Ga
1–x
As/GaAs 
Рис
. 9.18. 
Элементарные
процессы
в
зоне
роста
: 
1
– 
адсорбция
атомов
из
зоны
смешивания
на
поверхности
; 
2
– 
миграция
адсорбированных
атомов
по
поверхности
; 
3
– 
встраивание
адсорбированных
атомов
в
кристаллическую
решетку
; 
4
– 
терми
- 
ческая
десорбция
;
 5
– 
образование
поверхностных
зародышей
;
6
– 
взаимная
диффузия
. 
Над
растущей
поверхностью
показаны
атомы
газовой
смеси
компонентов
в
приповерхностной
области
. 
Буквами
n-n
и
i-i
показаны
нормальная
и
инвертированная
по
-
верхности
раздела
растущей
гетероструктуры

---

224 
Таким
образом
, 
имеет
место
своего
рода
самоорганизация
растущей
структуры
, 
поэтому
МЛЭ
является
самым
эффектив
-
ным
методом
получения
многослойных
полупроводниковых
систем
, 
гетероструктур
 
и
тонких
 
пленок
 
с
контролем
толщины
на
атомном
уровне
. 
Большие
размеры
, 
сложность
конструкции
, 
высокая
стоимость
(
до
десятков
миллионов
долларов
) 
делает
комплексы
МЛЭ
«
пирамидами
» 
века
нанотехнологий
. 
9.4.2. 
Нанолитография
 
Различные
 
методы
 
микрогравировки
 
слоев
 
обобщенно
 
назы
-
ваются
 
литографией
. 
Различают
 
фотолитографию
, 
рентгенов
-
скую
 
литографию
, 
электронно
-
лучевую
 
литографию
 
и
 
т
.
д
. 
Посто
-
янное
совершенствование
методов
литографии
открыло
возмож
-
ность
перехода
от
микроэлектроники
к
наноэлектронике
, 
в
рамках
которой
литография
продолжает
успешно
развиваться
. 
Суть
методов
микрогравировки
можно
уяснить
на
приме
-
ре
фотолитографии
, 
простейшего
вида
литографии
. 
Фотолито
-
графия
 
представляет
 
собой
 
метод
 
фотохимической
 
микрогра
-
вировки
 
металлических
, 
диэлектрических
 
и
 
полупроводниковых
 
слоев
. 
Основные
этапы
фотолитографии
на
пластине
кремния
представлены
на
рис
. 9.19: 
– 
нанесение
на
пластину
слоя
диэлектрика
, 
обычно
диок
-
сида
кремния
SiO
2
(
рис
. 9.19, 
а
); 
– 
нанесение
на
слой
диэлектрика
фоточувствительного
слоя
– 
фоторезиста
(
рис
. 9.19, 
б
); 
– 
наложение
(
при
контактной
фотолитографии
) 
на
слой
фоторезиста
фотошаблона
, 
который
отображает
соответствую
-
щую