Создание энергетического рельефа для ориентированного роста тонких плёнок

В    современной    наноэлектронике    широко    применяются тонкоплёночные технологии. На сегодняшний день уже существуют множество методов получения тонких плёнок. Существуют методы магнетронного напыления, термического испарения, электронно-лучевого испарения и другие.

Магнетронное испарение – не подходит нам так, как подложка находится в газовой среде.

Электронно-лучевое испарение обладает такими недостатками как трудность обеспечения равномерности толщины и стехиометрии напыляемого материала на подложке и присутствие газов-реактивов (N 2 ;O 2 ;CH 4 )

В данной работе был выбран метод термического испарения в вакууме, так как данный способ позволяет получить более чистые плёнки, что связано с возможностью проведения осаждения при более низких давлениях.

При создании тонких плёнок с низкой плотностью дефектов, важно учесть тот факт, что при росте будут образовываться зародыши, а затем и островки разных ориентаций, которые приведут к дефектам типа границы зерён. Для того чтобы уменьшить плотность таких дефектов, можно создать специальные условия, при которых зародыши будут обладать одной определённой ориентацией. Таким образом, на подложке можно сформировать энергетический рельеф, который будет ориентировать растущую плёнку определённым образом.

Существует несколько способов формирования энергетического рельефа: методом электронной бомбардировки, с помощью дифракционной оптики, с помощью электромагнитного поля, с помощью механического воздействия и другие.

Из перечисленных процессов, самым простым в реализации является механическое воздействие на подложку, где посредством резца или трения о другую подложку создается довольно грубый энергетический рельеф.

Достоинства таких методов: простота и дешевизна.

Недостатки таких методов: низкое качество формирования рельефа; внесения структурных несовершенств в подложку; необходимость совмещения и точного соблюдения направления ориентации;

Довольно перспективным – является способ создания энергетического рельефа посредством дифракционной оптики. Суть метода заключается в том, чтобы с помощью лазерного излучения и дифракционных оптических элементов, создать на поверхности подложки жёстко структурированный энергетический рельеф.

Достоинства метода: высокая чистота; высокая точность; минимальное воздействие на подложку; возможность широкого регулирования режимов; пригодность для обработки любых материалов;

Недостатки метода: необходимость защиты дифракционных элементов от напыляемого материала; трудности технологической реализации; высокая стоимость оборудования.

Создание энергетического рельефа посредством электромагнитного поля является практически не реализуемый, так как вследствие ионизации атомов напыляемого материала, появляются трудности связанные с возникновением кулоновских сил, которые мешают осаждению частиц на подложку.

Из всех вышеперечисленных методов наиболее распространённым, технологически реализуемым и позволяющим получить высококачественные плёнки является метод электронной бомбардировки.

Суть метода заключается в том, что электроны, с высокой скоростью врезаясь в подложку, передают часть своей энергии атому подложки, которая в последствии испаряется или смещается из узла кристаллической решетки. Таким образом, возникает точечный дефект поверхности подложки, который и становится центром зародышеобразования.

В работе [1] было доказано, что при такой обработке поверхности, в образовавшихся точечных дефектах будут возникать заряды, а при наличии избыточного заряда, даже равного элементарному, на наноразмерных частицах модификатора их модифицирующая активность достаточно велика. Появление таких зарядов в металлах обусловлено различием уровней Ферми в контактирующих гранях кристаллитов [1]. В диэлектрике электрические заряды наночастицы присутствуют вследствие барьерного эффекта, обуславливающего неравномерность переходов носителей заряда на ювенильные поверхности [1]. Естественно, в реальных ситуациях возникновение электрической заряженности наночастиц может быть обусловлено сочетаниями рассматриваемых физических механизмов [1].

Целью данной работы является создание теоретической модели зависимости энергии ориентации от температуры подложки.

Важно отметить, что при увеличении температуры подложки, повышается поверхностная диффузия осаждаемых атомов, что уменьшает плотность дефектов, более того растёт критический радиус зародыша, что так же уменьшает число дефектов типа границы зёрен, но с другой стороны при повышении температурах подложки, процесс осаждения замедляется,

Для того чтобы вывести зависимость энергии ориентации от температуры подложки необходимо составить систему уравнений.

В работе [2] была выведена формула, описывающая радиус критического зародыша г * _ [- 2 -(a 1 • Ou - c + a 2 • CTS - c - a 2 • OS-u )] 3• a3 -AG„

Где a 1 , a ₂ , a ₃ - константы описывающие геометрическую форму зародыша; o _u - _c - свободная энергия поверхности раздела конденсат -пар; O S - _c - свободная энергия поверхности раздела конденсат - подложка; o _s __и - поверхностная энергия подложки; A С _и - изменение свободной энергии при конденсации данного материала в массивном кристалле при тех же условиях на пресыщение

A О _и можно рассчитать по формуле (2):

kT R

A G„ =    ln

" V   R e ( b )'

Где T - температура подложки; V - объем одной молекулы плёнки; R

• -    скорость осаждения;

R e ( Ь)

• -    скорость испарения материала плёнки из

массивного кристалла при температуре, равной температуре подложки;

Подставив выражение (2) в формулу (1) получим:

*

r

[ - ² • V • ^{( a} 1 • ° - c + ^a 2 • ^O s - c - ^a 2

3 • a ₃ • k • T - In

R

R e ( b )

^- O s -u ^{) ]} ,

При создании энергетического рельефа на подложке, вносится изменения в значении σ _{S - c} – свободной энергии поверхности раздела конденсат – подложка;

Можно предположить, что величина свободной поверхности раздела конденсат – подложка будет зависеть ещё и от силы кулоновского взаимодействия между точечным дефектом подложки и ионом осаждаемого материала, которую можно рассчитать как:

1          q ₁ ⋅ q ₂

⋅

• 4    ⋅ π ⋅ ε ⋅ ε     L ²

Где F – средняя сила кулоновского взаимодействия между осаждаемой частицей и подложкой; q – заряд осаждаемой частицы; q – точечный заряд подложки образованный вследствие электронной бомбардировки; L – среднее расстояние между атомом плёнки и подложки; ε – диэлектрическая проницаемость среды; ε – электрическая постоянная;