Введение к работе
Актуальность темы
В области высоких технологий настоящее время ознаменовано бурным развитием нанотехнологии - методов формирования разнообразных объектов с размерами 10 —100 нм. Получение наноразмерных объектов на основе полупроводниковых материалов за счет процессов их самоформирования вызывает повышенный не только научный, но и практический интерес. Нанотехнологии, базирующиеся на явлениях самоформирования, могут в определенных случаях выступать альтернативой крайне дорогостоящим или низкопроизводительным методам литографии нового поколения.
Среди широкого спектра явлений самоформирования объектов на поверхности твёрдых тел вполне определенное место занимают структуры в виде волнообразной топографии, инициируемые ионной бомбардировкой. В ряду известных систем (тип пучка ионов - материал мишени) наиболее привлекательной для дальнейших исследований является система N2 -Si, в которой при определенных экспериментальных условиях распыления монокристаллического кремния на распыляемой поверхности формируется структура в виде волнообразного нанорельефа. Основными отличительными свойствами волнообразного нанорельефа являются: малый период (менее 100 нм) в сочетании с высокой степенью планарности, а также минимальные глубины распыления, на которых он образуется. Планарность структуры особенно важна с точки зрения перспектив её интеграции в элементы планарной микротехнологии.
Волнообразный нанорельеф представляется достаточно перспективной наноструктурой на кремнии, и весьма актуально продолжение исследований. В частности, представляет интерес изучение закономерностей формирования волнообразного нанорельефа в слоях аморфного кремния. Очевидно, что для доведения волнообразного на-* норельефа до стадии практического применения в виде приборной нарос НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА
ноструктуры предстоит решить значительный объем задач, имеющих фундаментальную и прикладную направленность.
Цель работы
Основной целью диссертационной работы было исследование закономерностей формирования и модификации волнообразного нано-рельефа на кремнии и в тонких пленках на основе кристаллического и аморфного кремния при распылении поверхности ионами азота. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- исследование морфологии и длины волны волнообразного нано-рельефа на кристаллическом кремнии и в пленках аморфного кремния в зависимости от широкого набора экспериментальных параметров;
изучение внутреннего строения волны на атомном уровне;
исследование процессов модификации геометрии волны исходного волнообразного нанорельефа.
Научная новизна работы
В работе впервые получены следующие научные результаты.
Получены зависимости длины волны волнообразного нанорельефа на кристаллическом кремнии от энергии ионов азота, угла бомбардировки, температуры образца, и установлено влияние на процесс образования волнообразного нанорельефа давления кислорода в камере образца, электронного облучения и содержания водорода в ионном пучке.
Изучено внутреннее строение индивидуальных волн волнообразного нанорельефа методом просвечивающей электронной микроскопии.
- Для слоев аморфного кремния различного типа получены зави
симости морфологии, глубины формирования и длины волны волно
образного нанорельефа от энергии ионов азота и угла бомбардировки.
Осуществлено формирование волнообразного нанорельефа на поверх
ности различных материалов путём переноса волнообразного нано
рельефа из слоя аморфного кремния в нижележащий слой за счет ион-
ного-распыления.
- На основе волнообразного нанорельефа осуществлено формирование массивов периодических кремниевых наноструктур с различной геометрией поперечного сечения, и получены кристаллические кремниевые нанопроволоки на материале "кремний на диэлектрике".
Практическая значимость результатов работы
Полученные результаты позволяют осуществлять управляемое формирование наноструктуры в виде волнообразного нанорельефа с заданным периодом от 25 до 150 нм на поверхности как монокристаллического, так и аморфного кремния.
На основе волнообразного нанорельефа и материала "кремний на диэлектрике" созданы плотные массивы кристаллических кремниевых нанопроволок, являющихся базовой структурой для приборов опто- и наноэлектроники. Решение проблемы формирования волнообразного нанорельефа на подложках из стекла и полиимида открывает перспективу его использования в технологии жидкокристаллических экранов. Сформированные с помощью волнообразного нанорельефа наномаски, состоящие из нанополосок аморфного кремния с поперечными размерами и расстояниями между ними в диапазоне от 75 до 18 нм, могут найти широкое применение в различных областях нанотехнологии.
В целом, практическая значимость результатов работы в значительной степени задается интегрируемостью процесса формирования волнообразного нанорельефа в кремниевую планарную микротехнологию.
Основные защищаемые положения
-
Результаты экспериментального исследования морфологии и определения зависимостей длины волны волнообразного нанорельефа на монокристаллическом кремнии от угла бомбардировки, энергии ионов азота и температуры образца.
-
Устойчивость процесса образования волнообразного нанорельефа к давлению кислорода в камере образца, электронному облучению и содержанию водорода в ионном пучке.
-
Результаты исследования внутреннего строения индивидуальных волн волнообразного нанорельефа методом просвечивающей электронноймикроскопии.
-
Результаты экспериментальных исследований зависимостей морфологии, глубины формирования и длины волны волнообразного нанорельефа от энергии ионов и угла бомбардировки при распылении ионами азота слоев аморфного кремния различного типа. Перенос волнообразного нанорельефа из слоя аморфного кремния на поверхность различных материалов.
-
Формирование на основе волнообразного нанорельефа массивов периодических кремниевых наноструктур с различной геометрией поперечного сечения и создание кристаллических кремниевых нано-проволок на материале "кремний на диэлектрике".
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:
-
Международный семинар "Актуальные проблемы физики поверхности и наноструктур", Ярославль, 2001;
-
XII Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, Черноголовка, 2001;
-
XV Международная конференция "Взаимодействие ионов с поверхностью", Москва, 2001;
4. Совещание по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры
кремния "КРЕМНИЙ - 2002", Новосибирск, 2002;
-
Ш Международная конференция "Аморфные микрокристаллические полупроводники", Санкт-Петербург, 2002;
-
XII Международное совещание "Радиационная физика твердого тела", Севастополь, 2002;
7. XVI Международная конференция "Взаимодействие ионов с по
верхностью", Москва, 2003;
8. Международная конференция "Micro- and nanoelectronics - 2003"
ICMNE-2003, Звенигород, 2003.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 13 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Личное участие автора в выполнении работы
Определение цели работы, постановка задачи и выбор методов исследования осуществлены автором совместно с д.ф.-м.н. В. К. Смирновым.
Постановка и проведение экспериментов по формированию волнообразного нанорельефа на кремнии и в тонких пленках на основе кристаллического и аморфного кремния при распылении поверхности ионами азота были осуществлены автором.
Эксперименты по плазмохимическому травлению ВНР были проведены в сотрудничестве с к.ф.-м.н. И.И. Амировым.
Обработка полученных данных, интерпретация результатов, выявление основных закономерностей, составляющих научную новизну и практическую ценность исследований, были выполнены совместно с д.ф.-м.н. В.К. Смирновым и к.ф.-м.н. Д.С. Кибаловым.
Основная часть публикаций по теме диссертации написаны автором после обсуждения результатов исследований с соавторами работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы (157 наименований). Объем работы составляет 148 страниц, включая 43 рисунка и 3 таблицы.
