Гоу впо «саратовский государственный университет имени н. Г. Чернышевского» утверждаю зав кафедрой физики твердого тела

2.2 Основные принципы атомно-силовой микроскопии Атомно-силовой микроскоп — сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером (рис. 2.12.). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности. Рис. 2.12. Схема работы атомно-силового микроскопа Под силами, действующими между зондом и образцом, в первую очередь подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса, которые сначала являются силами притяжения, а при дальнейшем сближении переходят в силы отталкивания. В зависимости от характера действия силы между кантилевером и поверхностью образца выделяют три режима работы атомно-силового микроскопа: Контактный Полуконтактный Бесконтактный Основными конструктивными составляющими атомно-силового микроскопа являются: Жёсткий каркас, удерживающий систему Держатель образца, на котором образец впоследствии закрепляется Устройства манипуляции В зависимости от конструкции микроскопа возможно движение зонда относительно неподвижного образца или движение образца, относительно закреплённого зонда. Манипуляторы делятся на две группы. Первая группа предназначена для "грубого" регулирования расстояния между кантилевером и образцом (диапазон движения порядка сантиметров), вторая - для прецизионного перемещения в процессе сканирования (диапазон движения порядка микрон). В качестве прецизионных манипуляторов (или сканеров) используются элементы из пьезокерамики. Зонд Система регистрации отклонения зонда Существует несколько возможных систем: Оптическая (включает лазер и фотодиод, наиболее распространённая) Интерферометрическая (состоит из лазера и оптоволокна) Ёмкостная (измеряется изменение ёмкости между кантилевером и расположенной выше неподвижной пластиной) Туннельная (исторически первая, регистрирует изменение туннельного тока между проводящим кантилевером и расположенной выше туннельной иглой) Система обратной связи Управляющий блок с электроникой 2.3 Получение и исследование образцов Образы кремния различных кристаллографических ориентаций были обработаны в следующие три этапа. 2.3.1 Подготовка чистой поверхности. Плазмохимическое травление (ПХТ) проводились на установке вакуумно-плазменной обработки (ВПО) с возбуждением СВЧ разряда с применением следующих режимов: Напускаемый газ при ПХТ – CF4 (хладон); Давление при проведении процесса травления – 0,1Па; Время травления – 10 минут; Подаваемые потенциалы на подложку для различных образцов при травлении были различными и составляли -100В -200В -300В. В результате исследования образцов на АСМ после подготовки поверхности были получены следующие результаты. -100 В -200 В -300 В Рис. 2.13. АСМ – изображения поверхностей кремниевых пластин ориентации (100) после подготовки посредством ПХТ -100 В -200 В -300 В Рис. 2.14. АСМ – изображения поверхностей кремниевых пластин ориентации (111) после подготовки посредством ПХТ В результате рассмотрения АСМ – изображения можно сделать следующие выводы: - при увеличении отрицательного напряжения в процессе травления у образцов с ориентациями (100) и (111) наблюдается увеличение неравномерности в процессе травления, что приводит к увеличению шероховатости поверхности. 2.3.2 Осаждение углерода на поверхность кремния Осаждение углерода производилось из плазмы. Для получения на поверхности кремния плёнки углерода использовались пары этанола. Процесс осуществлялся в установке вакуумно-плазменной обработки при следующих режимах. Давление при проведении процесса – 0,05Па; Время проведения процесса – 7сек.; Потенциал, подаваемый на подложку -300В; Подогрев образца - 100˚С, 200˚С, 300˚С для различных образцов 100˚С 200˚С 300˚С Рис. 2.15. АСМ – изображения поверхностей кремниевых пластин ориентации (100) после нанесения углерода на поверхность кремния 100˚С 200˚С 300˚С Рис. 2.16. АСМ – изображения поверхностей кремниевых пластин ориентации (111) после нанесения углерода на поверхность кремния По известной скорости роста пленки углерода на поверхности кремния (10нм/мин) можно судить о толщине пленки углерода, полученной после данного процесса. Ориентировочно она составляет 1,2 нм. Такая толщина соответствует 3МС. Из анализа приведенных АСМ – изображений поверхностей кремниевых пластин можем сделать вывод, что с увеличением температуры образца, на который производиться осаждение углерода, возрастает неравномерность и шероховатость получившихся структур. Наиболее оптимальной температурой для осаждения углерода данным методом является 100˚С, как для пластин с ориентацией (100), так и для пластин с ориентацией (111). 2.3.3 Масочное травление через углеродную пленку Плазмохимическое травление производилось на установке СВЧ ПХО при следующих режимах: Напускаемый газ при ПХТ – CF4 (хладон); Давление при проведении процесса травления – 0,1Па; Суммарное время травления – 5 минут; Подаваемый потенциал на подложку - +30В. Можно видеть, что по сравнению с поверхностью адсорбированного углерода на кремнии (111) на поверхности (100) наблюдается более выраженная регулярность адсорбированной структуры. В местах, где были ряды островков углерода, в результате травления остаются столбики кремния. Это происходит из-за того, что скорость травления углерода меньше чем кремния, и углерод в данном случае выполняет маскирующие функции. На реконструированной поверхности кремния ориентации (111) происходит иной механизм адсорбции атомов углерода. При образовании на поверхности разветвленных структур участвуют атомы не одного, а нескольких верхних слоёв. В результате чего образовавшаяся углеродная маска имеет неравномерную толщину и не регулярную структуру, которая не может обеспечить однородное и анизотропное травление. 3. Получение, исследование и расчет диэлектрических параметров пленок SiO, синтезированных в СВЧ плазе газового разряда 3.1 Осаждение из парогазовой фазы пленки кремния На установке СВЧ ВПО «Пума-2» откачиваем воздух из рабочего объема до 5 Па, форвакуумным насосом. Закладываем подложки из стекла, покрытые прозрачным проводящим слоем InO. Затем при включении турбомолекулярного насоса производим откачку до 5*10-3Па. Осуществляем напуск рабочего объема моносилана (SiH4 ) до давления 0,1 Па. На подложкодержатель подаем потенциал -200 В и разогреваем его до 200 оС. Подаем СВЧ частотой 2,45 ГГц. В результате чего происходит возгорание плазмы. Процесс осаждения кремния на подложки осуществляется в течение 10 минут. В результате получили образцы, которые в последствии будут использоваться как сравнительные. Химическое осаждение из газовой фазы можно определить как конденсацию газообразных (парообразных) элементов или соедине¬ний с образованием твердых осадков. Отличие от методов физического осаждения заключается в том, что состав газовой фазы и состав осадка существенно различаются. Летучее соединение осаждаемого элемента подается к подложке, где подвергается термическому разложению (пиролизу) или вступает в восстановительные химические реакции с другими газами (или парами); при этом нелетучие продукты реакций осаждаются на поверхность подложки. Осадки образуются в результате большого количества химических реакций, протекающих в газовой фазе вблизи от поверхности подложки и на самой поверхности подложки, что в значительной мере усложняет процесс осаждения, но делает его гораздо более универсальным и гибким. Гидридную эпитаксию проводят чаще всего при температуре 1000° С реакцией пиролиза силана, которая идет почти с такой же скоростью, как и реакция восстановления SiCl4 при температуре 1200° С: SiH4 => Si + 2Н2 cкорость растущей пленки зависит от давления в реакторе. В интервале температур 1100 - 1225° С скорость роста пленки практически не зависит от температуры. При температурах выше 1225° С начинается газофазное разложение силана, что приводит к уменьшению скорости осаждения Si. Скорость осаждения пленки зависит также от концентрации силана в газовом потоке. При концентрациях силана больших, чем 0,2 маc.%, и температурах выше 1100° С скорость осаждения уменьшается из-за газофазного разложения SiH4. Газофазное разложение силана помимо уменьшения количества Si, осаждающегося на пластину, приводит к попаданию твердых частиц продуктов газофазного пиролиза SiH4 в растущий слой. Силановый процесс, который проводится при относительно низкой температуре, позволяет легко регулировать концентрацию SiH4 в газовом потоке, выбирать диапазон скоростей, слабо зависящий от температуры, что облегчает поддержание рабочей температуры с точностью ± 10° С. К недостаткам гидридной эпитаксии следует отнести пирофорность силана (возможность самовозгорания на воздухе и взрыва). Это приводит к необходимости разбавлять силан аргоном или водородом до безопасных концентраций в баллоне (2,5 - 4%). Кроме того, если произошло газофазное разложение SiH4, то реактор, не имеющий водяного охлаждения, "зарастает" и выращенные пленки имеют большую плотность дефектов. При гидридном процессе требуется тщательно герметизировать все элементы газовых магистралей и узлы реакционной камеры, так как при взаимодействии SiH4 с воздухом образуется соединение, которое может забить магистрали. По сравнению с хлоридом силан - дорогостоящий продукт. Основными факторами, влияющими на скорость осаждения и равномерность пленки, являются ВЧ — мощность, расход газа и давление в камере. Понижение давления при сохранении расхода газа повлечет уменьшение скорости осаждения. Введение в рабочую смесь инертного газа — носителя, например аргона, вызывает снижение скорости осаждения вследствие падения концентрации реагентов, но при низком давлении оно может уменьшить разброс значений толщины пленки по рабочей зоне. Это связано с усилением диффузии реагентов к поверхности подложек и повышением эффективности передачи энергии электронов химически активным газам. При меньшем давлении возрастает коэффициент диффузии газов, что создает условия для протекания реакций, лимитируемых поверхностными процессами. Инертный газ может поглощать энергию электронов в разряде и переходить в возбужденное метастабильное состояние. Метастабильные атомы через неупругие соударения могут передавать свою энергию атомам химически активных газов (эффект Пеннинга). Этот процесс повышает плотность ионов и радикалов, генерируемых равномерно во всем объеме плазмы, что и улучшает равномерность осаждения. Преимуществами гидридных процессов эпитаксии слоев крем¬ния по сравнению с хлоридными процессами являются сравнительно низкие температуры осаждения и отсутствие хими¬ческого воздействия хлорсодержащих соединений на подложку и растущий слой. Это позволяет уменьшить автолегирование осаж¬даемых слоев, получать более резкие концентрационные профили подложка—слой, улучшить качество эпитаксиальных слоев кремния при гетероэпитаксии на диэлектрические и инородные полупроводниковые подложки, снизить искажения топологического рельефа слоев при осаждении на подложки со скрытым слоем. Однако моносилан имеют более высокую стоимость по сравнению с тетрахлоридами кремния, а также гидридные процессы более чувствительны к содержанию следов влаги и кислорода в реакторах и газовых системах. В условиях, характерных для разряда, используемого в процессах осаждения, энергия электронов сравнительно низка и скорость генерации радикалов намного превышает скорость образования ионов. Вследствие высокого коэффициента аккомодации радикалы легко адсорбируются на поверхности подложки, где подвергаются различным воздействиям электронной и ионной бомбардировки, перегруппировываются, взаимодействуют с другими адсорбированными частицами, образуя новые связи и, таким образом, обеспечивают формирование и рост пленки. Когда процесс зародышеобразования происходит и в газовой фазе (либо вследствии неправильного выбора параметров осаждения, либо из — за внесения примесей, действующих как центры образования зародышей), наблюдается нежелательное образование порошка, приводящего к увеличению дефектности растущей пленки. Диффузия адсорбированного атома по поверхности к стабильному положению представляет важную стадию роста пленок, осаждаемых из газовой фазы. Одновременно с образованием пленки должна происходить и десорбция продуктов реакции с поверхности. Скорости десорбции и диффузии адатомов сильно зависят от температуры подложки, причем при большей температуре получаются пленки с меньшей концентрацией захваченных продуктов реакции, большей плотностью и более однородным составом. И то обстоятельство, что пленки, полученные стимулированным плазмой осаждением, не являются стехиометрическими, представляет наиболее существенное их отличие по сравнению с пленками, полученными обычным осаждением из газовой фазы при атмосферном давлении. Химические процессы на поверхности, в частности процессы десорбции, могут стимулироваться ионной бомбардировкой, и в значительно меньшей степени — электронной и фотонной бомбардировкой. Стимулирование плазмой термических реакций приводит к появлению новых параметров процесса, влияющих на скорость осаждения пленки, ее состав, плотность, показатель преломления, равномерность, внутреннее напряжение, скорость травления. К традиционным параметрам процесса осаждения из газовой фазы, таким как температура, состав газа, его расход, давление, геометрия реактора, добавляются еще ВЧ — мощность, напряжение и частота, геометрия электродов и расстояние между ними.

Похожие:

	Трансформация современного отечественного образования в контексте диалога культур россии и США Дм 212. 242. 12 по защите диссертаций на соискание учёной степени доктора культурологии при гоу впо «Саратовский государственный...		Мук «Культурный центр имени П. А. Столыпина» Саратовский государственный... ...
	Фгбоу впо «Марийский государственный университет» Факультет культуры и искусств Утверждаю Решение кафедры (№ протокола, дата заседания кафедры, фио, подпись зав кафедрой)		Программа (задача, мероприятие): Федеральная целевая программа развития... Ректор фгбоу впо “Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского”
	Методические указания Абакан 2011 удк 371. 388(69) о-64 Рецензент... О. Н. Хегай, канд техн наук, декан инженерно-технического факультета, зав кафедрой городского строительства и хозяйства гобу впо...		Положение о промежуточной аттестации студентов п 03. 10 2011 Российской Федерации об образовании, Уставом и локальными нормативными актами федерального государственного бюджетного образовательного...
	Саратовская областная организация профессионального союза работников народного Первичной профсоюзной организации работников гоу впо саратовский государственный университет		Положение об организации учебного процесса по заочной форме обучения... Министерства образования и науки Российской Федерации, Уставом, локальными нормативными актами федерального государственного бюджетного...
	Положение об организации учебного процесса по заочной форме обучения... Министерства образования и науки Российской Федерации, Уставом, локальными нормативными актами федерального государственного бюджетного...		Гоу впо «Санкт-Петербургский государственный университет сервиса... О подготовке научно-педагогических и научных кадров в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования...