CC BY
18
УДК 537.311.322
ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПЛЕНОК АШВУ/ОКСИД
ВЕТОШКИН В.М., ДЕДЮХИН А.А., КРЫЛОВ П.Н., ФЕДОТОВА ИВ.
Удмуртский государственный университет, 426036, г.Ижевск, ул.Университетская, 1
АННОТАЦИЯ. В работе представлена методика формирования композитных пленок путем совмещения процессов термического напыления кластеров полупроводникового соединения АШВ¥ методом «вспышки» и ВЧ-магнетронного распыления оксида в едином технологическом цикле. Для этого установка магнетронного напыления была дооснащена модулем термического напыления. Представленная методика апробирована на примере получения нанокомпозитных пленок GaAs/SiO2.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: нанокомпозитные пленки, методика формирования, АШВУ , SiO2. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время интенсивно развиваются технологии создания композитных материалов, в частности, нанотехнология. Одним из основных ее достоинств является возможность использования принципиально новых подходов в создании искусственных сред - наноматериалов. Эти материалы проявляют уникальные свойства, существенно отличающиеся от свойств вещества в макроскопическом (объемном) состоянии. Особое место занимают материалы, содержащие наноразмерные частицы металлов и полупроводников в диэлектрических матрицах - «квантовые точки». В этих образованиях, в отличие от массивных материалов, отсутствует широкая зонная структура и имеется структура минизон или набор дискретных энергетических уровней. Изменяя размеры квантовых точек, их форму и состав с помощью контролируемых технологических приемов, можно создавать новые квантовые устройства и системы с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, информационных технологий нового поколения, средств связи [1 - 3]. Особый интерес представляют системы в виде нанообъектов, заключенных в матрицах из стекла, окислов (например, 8Ю2), полимерных пленок и др. [3].
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В настоящее время разработано достаточно много методов получения наноразмерных материалов.
Среди основных методов получения наноразмерных материалов следует выделить методы, основанные на коллоидной химии или золь-гель методы. Главным достоинством этих методов является возможность получения достаточно узкого распределения частиц по размерам (5 % для АПВУ1 и 10 % для АШВУ) и возможность диспергирования уже полученных частиц в различные матрицы, низкие температуры проведения процессов. Главным недостатком данных методов является использование в процессе синтеза множества химических реагентов, что может стать причиной загрязнения полупроводниковых материалов.
Заслуживают внимания различные методы, основанные на тонкопленочных технологиях. Исследуются и применяются различные зондовые методы получения наноструктур, методы литографии, начальные стадии кристаллизации аморфных и стеклообразных материалов, ионная имплантация с последующим отжигом, ионно-трековая технология, плазмохимические методы, различные методы эпитаксии: молекулярно-лучевая, газофазная, жидкостная. Главным достоинством процессов эпитаксии являются высокий уровень технологического контроля процессов и возможность получения атомарных слоев
или островков. Однако, термическое испарение и импульсное лазерное напыление, ионное напыление, ВЧ-распыление и ВЧ-магнетронное распыление уже давно и широко используются в промышленности, воспроизводимы, технологичны и достаточно просты. «Step-by-step» method, включающий в себя чередующиеся процессы магнетронного и ионно-лучевого распыления, полимеризации, термического (резистивного, лазерного, электроннолучевого) испарения в вакууме и атмосфере инертного газа, позволяет получать полупроводниковые монокристаллы, сформированные в тонкопленочном диэлектрике.
Целью данной работы являлась разработка методики формирования композитных пленок путем совмещения процессов термического напыления кластеров полупроводникового соединения AinBV методом «вспышки» и ВЧ-магнетронного распыления оксида в едином технологическом цикле. Для разработки методики был создан технологический модуль термического напыления к установке ВЧ-магнетронного распыления «Катод», конструкция которого представлена в работе [4].
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПЛЕНОК GaAs/SiO2
В качестве подложек размером (10*48) мм использовали ситалл СТ 50-1-1, кремний КЭФ- 4,5(100), кварцевое стекло и полиамидную пленку. Подложки кремния, ситалла и кварца очищали в концентрированном щелочном растворе NaOH, полиамидную пленку - в спирте и ультразвуковой ванне. Чистоту подложки оценивали по смачиваемости поверхности водой.
Использовали «Step-by-step» method, включающий в себя чередующиеся процессы магнетронного распыления кварца и термического напыления GaAs методом «вспышки». Напыление GaAs проводили при давлении в камере
4-10 Па. После напыления слоя (сплошного или островкового) арсенида галлия в камеру напускался аргон до 1,4-10-1 Па и производилось распыление кварца. Затем камеру откачивали до 4-10" Па и повторяли цикл напыления GaAs и т.д.
Для определения толщины и скорости напыления пленок использовали интерференционный микроскоп МИИ-4 и лазерный эллипсометр ЛЭФ-3М-1. Практически линейная зависимость скорости напыления пленки кварца от мощности ВЧ-разряда магнетрона представлена на рис. 1.
к и я
<D «
с а н о о а
е
о о а о и о
60 и
50 -40 -30 -20 -10 -0 -
-1-1-1-1
200 300 400 500
мощность ВЧ - разряда магнетрона, Вт
Рис. 1. Зависимость скорости напыления пленки кварца от мощности ВЧ-разряда магнетрона
Для полупроводниковых наноматериалов критическим параметром является размер кристаллитов. К настоящему времени влияние размеров наночастиц на их оптические спектры обнаружено для многих типов полупроводников [5]. Размер кристаллитов зависит от времени и условий роста пленок. «Step-by-step» method заключается в чередующихся (прерывистых) процессах нанесения слоев. Для выяснения влияния прерывания GaAs получали простым термическим напылением и напылением с перерывами, а также напылением с перерывами и напуском аргона, затем откачкой камеры и продолжением напыления.
Типичные электронограмма и изображение ОаАБ представлены на рис. 2, спектры пропускания пленок для пленок одинаковой толщины, но полученных по разным режимам, -на рис. 3. Прерывистый способ с напуском аргона по сравнению с обычным термическим напылением позволяет получать зерна с меньшим размером (рис. 2). Напуск аргона в камеру увеличивает коэффициент пропускания, что, вероятно, связано с уменьшением размера зерна и увеличением содержания кислорода в пленках.
Рис. 2. Электронограмма и изображение GaAs
Спектры пропускания пленок ОаАБ, полученных простым термическим (время напыления 10 мин), прерывистым напылением без напуска аргона (напыление по 1 мин, 10 циклов) и полученных прерывистым напылением с напуском аргона (напыление проводили по 2 мин 5 циклов) практически одинаковы. Пропускания пленок ОаАБ, полученных прерывистым способом с напуском аргона выше во всем исследуемом диапазоне. То есть, напуск аргона в камеру увеличивает коэффициент пропускания, что вероятно связано с уменьшением размера зерна и увеличением содержания кислорода в пленках.
0,5
£ 0,4
0,3
•е •е
0,2
0,1
____
350
400 500 600
длина волны, нм
800
1050
1 - прерывистое напыление с напуском аргона (по 2 мин 5 циклов); 2 - простое термическое напыление (по 10 мин);
3 - прерывистое напыление без напуска аргона (по 2 мин, 5 циклов);
4 - прерывистое напыление без напуска аргона (по 1 мин,10 циклов).
Рис. 3. Спектр пропускания пленок GaAs, полученных в разных режимах
0
На рис. 4 представлены электронограммы нанокомпозита «^аЛэ-кварц» при мощности ВЧ-разряда 100 Вт и 400 Вт. Электронограмма образца, содержащего кварцевую фазу, имеет ближе к центру дополнительное кольцо. При увеличении концентрации кварца качественных изменений не наблюдается. Сравнение изображений образцов, полученных при циклах напыления 2 мин и 1 мин, соответственно (увеличение 80000), указывает на более мелкодисперсную структуру второго образца.
Рис. 4. Электронограммы и изображение (увеличение 80000) нанокомпозита «GaAs-кварц»
при мощности ВЧ-разряда 100 Вт и 400 Вт
На рис. 5 представлены спектры пропускания нанокомнозита «^аАэ-кварц» при разных мощностях напыления кварца.
длина волны, нм
1 - 300 Вт, 2 - 400 Вт, 3 - 500 Вт.
Рис. 5. Спектры пропускания нанокомнозита «GaAs-кварц» при разных мощностях напыления кварца
Спектры пропускания свежеприготовленных пленок имеют дополнительные поглощения в области длин волн (700 - 800) нм. Величина данного поглощения зависит от мощности ВЧ-разряда и толщины прослоек кварца. С увеличением мощности ВЧ-магнетрона увеличивается прозрачность пленки, так как увеличивается скорость напыления кварца, соответственно, и его процентное содержание в пленке. Кварц обладает широкой областью прозрачности, в результате чего увеличивается прозрачность пленки.
На рис. 6 представлены спектры пропускания пленок нанокомнозита «GaAs-кварц», полученных при мощности разряда 300 Вт, но при разных режимах напыления: 1 - 20 циклов напыления GaAs по 30 с, 2 - 10 циклов напыления GaAs по 1 мин, 3 - 5 циклов напыления GaAs по 2 мин.
1 - 20 циклов напыления GaAs по 30 с;
2 - 10 циклов напыления GaAs по 1 мин,
3 - 5 циклов напыления GaAs по 2 мин.
Рис. 6. Спектры пропускания пленок нанокомнозита <^аА^-кварц» одинаковой толщины, полученных при мощности разряда 300 Вт, но при разных режимах напыления
Наибольшее пропускание имеют пленки с максимальным относительным содержанием кварца. Как и в случае исследования зависимости пропускания от мощности разряда (рис. 5) пленки с наибольшим процентным содержанием GaAs имеют дополнительное поглощение в области длин волн (700 - 800) нм.
На рис. 7 представлена зависимость коэффициента пропускания пленки GaAs, слоистой структуры GaAs/SiO2 с прослойками кварца порядка 2 нм, пленки GaAs, полученной прерывистым способом с напуском в камеру аргона. Прослойки кварца увеличивают прозрачность в области длин волн больше 600 нм, прерывание процесса напыления и напуск аргона увеличивают прозрачность во всей исследуемой области. Возможно, это связано с изменением структуры пленки.
1 - пленка GaAs, полученная прерывистым способом с напуском в камеру аргона,
2 - слоистая структура GaAs/SiO2 с прослойками кварца порядка 2 нм, 3 - GaAs.
Рис. 7. Спектры пропускания
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана методика формирования композитных пленок GaAs/SiO2 путем совмещения процессов термического напыления кластеров полупроводникового соединения AinBV методом «вспышки» и ВЧ-магнетронного распыления оксида в едином технологическом цикле. Исследования выявили зависимость размера зерна в пленках GaAs от режимов напыления. В спектрах пропускания нанокомпозитных пленок GaAs/SiO2 имеется дополнительное поглощение в области длин волн (700 - 800) нм. Величина данного поглощения зависит от мощности ВЧ - разряда и толщины прослоек кварца.
Материалы статьи обсуждались на Второй Всероссийской конференции с международным интернет-участием «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии» (г. Ижевск, 8-10 апреля 2009 г.) и рекомендованы к публикации в журнале «Химическая физика и мезоскопия».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Щукин В.А., Копьев П.С.. Алферов Ж.А, Бимберг Д. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры // ФТП. 1998. Т. 32, № 4. С. 385 - 410.
2. Нефедов Д.В., Яфаров Р.К. Миграционное заращивание рельефа поверхности при формировании нанокристаллитов с использованием СВЧ газового разряда низкого давления // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33, № 21. С. 78 - 84.
3. Гончарова О.В., Тихомиров С.А. Оптическая нелинейность полупроводниковых монокристаллов, сформированных в тонкопленочном диэлектрике // Квантовая электроника. 1995. Т. 22, № 4. С. 377-382.
4. Ветошкин В.М., Дедюхин А.А., Крылов П.Н., Федотова И.В. Технологический модуль термического напыления к установке магнетронного распыления «Катод» // Вакуумная техника и технология. 2009. Т.19, № 1. С. 33-36.
5. Хайрутдинов Р.Ф. Химия полупроводниковых наночастиц // Успехи химии. 1998. Т. 67(2). С. 125-139.
NANOCOMPOSITE AIIIBV/OXIDE FILMS FORMATION
Vetoshkin V.M., Dedjuchin A.A., Krilov P.N., Fedotova I.V. GOU VPO "Udmurt State University", Izhevsk, Russia
SUMMARY. The composite films procedure by means semiconductor's cluster AIIIBV deposition (method "flash") and oxide HF-magnetron scattering in technological cycle are described. The technological module of thermal evaporation for magnetron sputtering equipment " Cathod" is developed for this. The introduced procedure is approved by the example of the nano-composite GaAs/SiO2 films manufacture
KEYWORDS: nanocomposite films, formation procedure, AIIIBV , SiO2.
Ветошкин Владимир Михайлович, ведущий технолог кафедры физики твердого тела УдГУ Дедюхин Александр Александрович, инженер УНИ ЭЕ УдГУ, тел.(3412) 91-61-33
Крылов Петр Николаевич, кандидат физико-математических наук, зав. кафедрой физики твердого тела УдГУ, тел. (3412)91-61-33, e-mail: [email protected]
Федотова Ирина Витальевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики твердого тела УдГУ
