Исследование квантово-размерных структур - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника дипломная работа

Понятие и методы исследования квантово-размерных структур, их типы и получение. Классификация гетероструктур. Методы изготовления квантовых нитей, их плотность и предъявляемые требования. Порядок создания приборов на системах с размерным квантованием.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.


Исследование квантово-размерных структур
Наноэлектроника-область науки и техники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов, не превышающими 100 нм, а также с изучением физических основ функционирования таких устройств.
Для создания наноэлектронных приборов и устройств, построенных на эффектах размерного квантования, в настоящее время используются достаточно хорошо разработанные в рамках технологии микроэлектроники процессы, такие как молекулярно-лучевая эпитаксия, осаждение из газовой фазы, а так же в самое последнее время ионный синтез. При этом во всех указанных направлениях рассматриваются процессы самоорганизации с формированием наноразмерных элементов, включая пространственно упорядоченные. Это направление представляется одним их наиболее перспективных, однако степень разработки, как технологических подходов, так и теоретического понимания для конкретных условий является в настоящее время недостаточной.
Технология наноэлектроники включает средства и методы не только ранее неизвестные для микроэлектроники, например, использование нанотрубок и фуллеренов, но в некоторых случаях привлекает новые методические разработки, служащие как для измерения и анализа параметров наноструктурных объектов, так, собственно, и средством для их создания. Наиболее ярким примером в этом направлении могут служить различные ветви зондовой микроскопии (туннельная микроскопия и атомно-силовая микроскопия), с помощью которых объекты наноэлектроники могут, как исследоваться, так и создаваться.
Интерес к созданию структур с размерами элементов в области нанометров и большой плотностью таких элементов проявился в 90-х годах прошлого столетия в связи с обнаружением в таких системах квантово-размерных эффектов, которые к настоящему времени позволяют разделить эти структуры на следующие типы:
- квантовые точки (КТ) - структуры, у которых во всех трех направлениях размеры составляют несколько межатомных расстояний (в зависимости от масштаба рассмотрения структура считается нульмерной или трехмерной);
- квантовые проволоки (КП) - структуры, у которых в двух направлениях размеры составляют несколько межатомных расстояний, а в третьем направлении представляют собой макроскопическую величину;
- квантовые ямы - структуры, у которых в одном направлении размер составляет несколько межатомных расстояний, а в двух других направлениях представляет собой макроскопическую величину.
Усилия разработчиков в последнее время заключаются в создании систем с квантовыми точками, являющимися предельным случаем систем с пониженными размерностями («нульмерные» системы). Практическая направленность исследования свойств КТ сосредоточена главным образом на изучении их оптических свойств, которые определяются рядом преимуществ таких объектов по сравнению с двумерными квантовыми объектами.
1.1 Методы исследования квантово-размерных структур
Для исследования квантово-размерных структур применяется ряд методов:
- Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ);
- Атомно-силовая микроскопия (ACM);
- Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ);
- Сверхвысоковакуумная отражательная электронная микроскопия (СВВ ОЭМ).
В основе метода CTM лежит эффект квантового туннелирования, т.е. переноса электронов сквозь потенциальный барьер между двумя проводящими поверхностями, разделенными вакуумным или диэлектрическим зазором шириной в несколько нанометров. Сканирование обычно производится двух режимах: или режиме постоянного тока, или в режиме постоянного уровня кантилевера. В первом случае предполагается, что постоянный ток соответствует постоянному зазору между поверхностью и кантилевером, и при сканировании снимается положение кантилевера, что фактически соответствует рельефу поверхности. Во втором случае снимаются токовые зависимости.
Метод АСМ основан на использовании сил взаимодействия кантилевера и поверхности образца. Природа этих сил может быть различна: взаимодействие электронных оболочек атомов, электростатическая, магнитная и т.д. Режимы движения кантилевера аналогичны СТМ, только вместо силы тока используется силы взаимодействия кантилевера и поверхности.
При исследовании методом ПЭМ получают картины дифракции электронов на исследуемом образце с малым углами рассеяния (~ 1°). Контрастные, пригодные для анализа картины формируются при направлении пучка вблизи кристаллографических направлений с малыми индексами[1].
Поскольку обратная задача дифракции - восстановление исходной структуры по полученной дифракционной картине - до сих пор не решена, используют следующий подход. Берут несколько наиболее вероятных структур, для них получают теоретические дифракционные картины и полагают истинной ту структуру, для которой теоретическая дифракционная картина наиболее близка к экспериментальной. Для большей достоверности используют сразу несколько дифракционных картин, полученных в различных рефлексах.
В методе СВВ ОЭМ пучок высокоэнергетических электронов (100 кэВ) падает под малым углом к поверхности, что обуславливает высокую чувствительность получаемых ОЭМ-изображений к структурному совершенству исследуемой поверхности. Следует однако отметить, что из-за малого угла падения пучка электронов к исследуемой поверхности реальные масштабы изображений в ОЭМ искажены: отношение продольного масштаба к поперечному на изображениях определяется углом падения пучка электронов и составляет 30-50.
Серьезной проблемой при формировании гетероструктур, включая квантовые структуры, является несоответствие параметров решеток подложки и эпитаксиальных структур. Для компенсации этого несоответствия могут возникать различные дефекты структуры на межфазной границе, например, дислокации несоответствия. Эти дефекты возникают, когда толщина пленки или высота островков превышают некоторую критическую величину, зависящую от температуры роста.
Вышеперечисленные методики дают достаточно полную информацию о структурных особенностях наноразмерных структур. Они достаточно эффективны, однако являются уникальными и дорогостоящими, что не дает возможности применять их в массовых, рутинных измерениях, которые бывают необходимы для получения достоверной информации, особенно при изменении условий проведения эксперимента. В этом направлении очень хорошо в последние годы зарекомендовали себя методы сканирующей микроскопии: туннельный и атомно-силовой. Полученные в данной работе экспериментальные результаты базируются именно на таких методах.
Структурные методы не дают возможности однозначного доказательства проявления эффектов размерного квантования. Для этой цели, как показала мировая практика, наиболее эффективными являются оптические и фотоэлектрические методы исследования, такие как комбинационное рассеяние света (рамановское рассеяние), а также люминесценция (прежде всего фотолюминесценция). Эти методы максимально были использованы в наших исследованиях. Именно с их помощью были получены однозначные доказательства проявления эффектов размерного квантования в исследуемых нами материалах.
Анализ полученных в мировой практике результатов показал, что наиболее важные параметры приборов наноэлектроники и нанофотоэлектроники зависят от упорядоченности структур с квантово - размерными элементами и от их параметров, в частности от величины разброса по размерам таких элементов[2].
1. 2 Типы квантово-размерных структур
Важнейшим свойством наноструктур является зависимость их свойств от характерного размера неоднородностей. Наиболее широко известное проявление этого свойства - так называемый «эффект размерного квантования». Он обусловлен тем, что пространственное ограничение движения элементарных возбуждений в такой системе в области неоднородности приводит к сильной перестройке их энергетического спектра. Как и в любом объекте конечного размера (рисунок 1) в «объемных» однородных кристаллических материалах их собственные возбуждения - электроны, дырки, экситоны, колебания решетки и другие волны и частицы, вообще говоря, обладают дискретным энергетическим спектром.
Рисунок 1 - Схематическое изображение энергетического спектра электронной подсистемы объемного материала
Однако характерный масштаб этой дискретности, т.е. энергетическое расстояние между соседними состояниями ДE , мал по сравнению со спектральной шириной этих состояний, определяемой обратным временем их жизни ф . В этом смысле можно говорить о непрерывном энергетическом спектре собственных возбуждений объемного материала. Можно также определить объемный материал как такой, размер которого L z больше, чем длина свободного пробега l его собственных возбуждений. Введение здесь длины свободного пробега в качестве характерного масштаба вполне адекватно, поскольку собственные возбуждения могут описываться бегущими волнами exp(ikz) . Если размер материала уменьшается и становится меньше длины свободного пробега (рисунок 2), или более точно, энергетический зазор между соседними состояниями превышает обратное время их жизни, то энергетический спектр элементарных возбуждений должен считаться дискретным. Это и есть эффект размерного квантования, а соответствующие структуры называются квантово-размерными. В этом случае крайне существенным является отражение элементарного возбуждения, представляющего собой стоячую волну, от границ материала.
Рисунок 2 - Схематическое изображение энергетического спектра электронной подсистемы наноструктуры
На первый взгляд может показаться, что различие между объемными и квантово-размерными материалами чисто количественное. Однако такое заключение будет абсолютно неверным. Действительно, физические свойства объемных материалов практически не зависят от их размера и формы. В частности дискретность энергетического спектра их собственных возбуждений никак экспериментально не проявляется. Совершенно иначе обстоит дело с квантово-размерными структурами, в которых не только энергетические спектры, но взаимодействие элементарных возбуждений друг с другом и с внешними полями зависит от размера и формы структуры.
Среди низкоразмерных структур можно выделить три элементарные структуры. Это квантовые ямы, квантовые нити и квантовые точки (рисунок 3). Эти элементарные структуры представляют собой кристаллический материал, пространственно ограниченный в одном, двух и трех измерениях. Для изготовления наноструктур используют всевозможные полупроводниковые соединения, а также полупроводники четвертой группы Si и Ge.
Рисунок 3 - Квантовые ямы (a), квантовые нити (b), квантовые точки (c)
Пространственное ограничение или конфайнмент приводит к тому, что энергетический спектр объемного материала трансформируется.
Зонные спектры расщепляются на подзоны размерного квантования для квантовых ям и нитей и на дискретные уровни для квантовых точек (рисунок 4). В результате, в плотности состояний низкоразмерных систем возникают характерные особенности (рисунок 5).
Рисунок 4 - Трансформация энергетического спектра элементарных наноструктур
Рисунок 5 - Плотность состояний элементарных наноструктур
На рисунке 6 представлены изображения реальных элементарных наноструктур, полученные с помощью электронного микроскопа.
Рисунок 6 - Изображения (слева направо) квантовой нити, квантовой точки CdS в SiO 2 , квантовой точки InAs в GaAs, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа
Из элементарных наноструктур можно построить сложные наноструктуры, например, многослойные квантовые ямы и сверхрешетки (рис. 7), одномерные и двумерные массивы квантовых нитей или двумерные и трехмерные массивы квантовых точек (рис. 8).
Рисунок 7 - Изображение многослойной структуры из квантовых ям, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа
Рисунок 8 - Изображения (слева направо) двумерного и трехмерного массива квантовых точек, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа
Наличие размерных зависимостей параметров наноструктур неоднократно подтверждалось экспериментально и, прежде всего, оптическими методами. Еще в 1962 году Сандомирский предсказал, что край фундаментального поглощения света в тонких пленках кристаллов должен смещаться в синюю область спектра при уменьшении их толщины L z в соответствии с формулой
Вопрос о первом экспериментальном наблюдении эффекта размерного квантования остается открытым. Вероятно, что такие наблюдения были сделаны довольно давно, но целенаправленное изучение этого эффекта начинается именно в 60 годы [8,9].
1. 3 Методы получения квантово-размерных структур
Молекулярно-пучковая эпитаксия или молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE - Molecular Beam Epitaxy) представляет собой усовершенствованную разновидность метода термического напыления материалов в условиях сверхвысокого вакуума. Метод MBE позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины с моноатомно гладкими гетерограницами и с заданным профилем легирования. В установках MBE имеется возможность исследовать качество плёнок «in situ» (то есть прямо в ростовой камере во время роста). Для процесса эпитаксии необходимы специальные хорошо очищенные подложки с атомарногладкой поверхностью.
Идею метода MBE можно пояснить с помощью блок-схемы технологической установки, изображенной на рисунке 10. Потоки атомов или молекул создаются в зоне генерации (I) за счет испарения жидких или сублимации твердых материалов, помещенных в эффузионные ячейки (источники). Эффузионная ячейка - это цилиндрический либо конический тигель, на выходе которого имеется круглое отверстие (диафрагма). Для изготовления тиглей часто используют пиролитический графит высокой чистоты или нитрид бора BN. Потоки атомов (молекул) направляются на подложку, проходя зону смешивания (II), и осаждаются на ней в зоне роста (III), образуя пленку из вещества требуемого состава. Зону роста можно разделить на три области, первая из которых представляет собой подложку или очередной выросший моноатомный слой материала. Вторая область - газовая смесь компонентов гетероструктуры в приповерхностной области. Третья область - переходной слой, геометрия которого и протекающие в нем процессы сильно зависят от выбора условий роста. Составом выращиваемой пленки и наличием легирующих примесей определяется количество эффузионных ячеек, используемых в MBE установке. Так для выращивания чистых элементарных полупроводников кремния Si и германия Ge, требуется лишь одна ячейка. Если необходим легированный элементарный полупроводник, то нужно добавить, по крайней мере, еще одну ячейку. Очевидно, что для получения пленок сложных полупроводников, например, двойных и тройных соединений требуется ячейка для каждого компонента пленки. Температура эффузионной ячейки определяет величину потока частиц, поступающих на подложку, и поэтому тщательно контролируется.
1 - подложка, 2 - растущая пленка, 3 - заслонки, 4 - эффузионные ячейки основных компонентов, 5 - эффузионные ячейки легирующих примесей
Рисунок 10 - Схема MBE установки; I - зона генерации молекулярных пучков, II - зона смешивания пучков, III - зона кристаллизации на подложке (зона роста)
Управление составом выращиваемого материала и концентрацией легирующих примесей осуществляется с помощью заслонок, которые перекрывают тот или иной поток частиц. Если при выращивании структуры нужно резко менять концентрацию одной и той же примеси, то используют несколько эффузионных ячеек с легирующим веществом, нагретых до различных температур. Однородность состава пленки по площади и ее кристаллическая структура определяется однородностью молекулярных пучков. Для повышения однородности, во многих случаях, подложка с растущей пленкой постоянно вращается. MBE включает в себя следующие элементарные процессы, протекающие в зоне роста (рис. 11):
- Адсорбция (прилипание) падающих на подложку атомов или молекул, составляющих выращиваемое соединение.
- Миграция (поверхностная диффузия) адсорбированных атомов по поверхности подложки, которая может предваряться диссоциацией (распадом) молекул выращиваемого соединения.
- Встраивание атомов, составляющих гетероструктуру, в кристаллическую решетку подложки или растущий моноатомный слой.
- Термическая десорбция (отрыв) атомов, не встроившихся в кристаллическую решетку.
- Образование и дальнейший рост двумерных зародышей кристалла на подложке или поверхности растущего слоя.
- Взаимная диффузия атомов, встроившихся в кристаллическую решетку.
1 - адсорбция атомов из зоны смешивания на поверхности, 2 - миграция адсорбированных атомов по поверхности, 3 - встраивание адсорбированных атомов в кристаллическую решетку, 4 - термическая десорбция, 5 - образование поверхностных зародышей, 6 - взаимная диффузия
Рисунок 11 - Элементарные процессы в зоне роста
Над растущей поверхностью показаны атомы газовой смеси компонентов в приповерхностной области. Буквами n-n и i-i показаны нормальная и инвертированная поверхности раздела растущей гетероструктуры.
В результате адсорбции и миграции по поверхности атомы занимают вполне определенные положения в кристаллической решетке. За время роста одного моноатомного слоя, которое обычно составляет одну секунду, атом совершает несколько тысяч диффузионных прыжков, пока не займет свое окончательное положение в решетке. Таким образом, имеет место своего рода самоорганизация растущей структуры.
Каждый твердотельный материал может быть выращен послойно при фиксированной скорости роста. Температура подложки обеспечивает оптимальную для данного соединения скорость поверхностной диффузии. Так как химические связи в различных материалах разные, то различаются и энергии активации поверхностной диффузии атомов, входящих в состав этих соединений. В связи с этим качество гетерограниц может существенно отличаться в зависимости от того, какое из соединений при выбранном температурном режиме растет первым. Границы называют нормальными, если компонент с более низкой температурой плавления растет первым. Если последовательность роста обратная, то такие границы называют «инвертированными». На рисунке 11 на примере структуры Al x Ga1- x As/GaAs дается иллюстрация границ этих типов, обозначенных индексами n и i. Для получения гладких и совершенных гетерограниц часто используют методику прерывания роста или методику осаждения пульсирующим пучком, которые реализуются с помощью механического перекрывания эффузионных ячеек заслонками.
Сглаживание поверхности за время перекрывания пучков обусловлено поверхностной миграцией и сублимацией атомов, адсорбированных на поверхности выращиваемого монослоя. Температура подложки регулирует соотношение между потоками адсорбции и десорбции атомов, входящих в состав растущей структуры.
Для характеризации этого соотношения используют коэффициент прилипания атома данного сорта к поверхности, на которой происходит эпитаксиальный рост. Этот коэффициент определяет долю падающего потока атомов, адсорбируемую на поверхности. Температура подложки задает скорость поверхностной диффузии, предшествующей встраиванию атомов в кристаллическую решетку. Для обеспечения необходимого числа ?104 диффузионных прыжков атома по поверхности, температура должна быть достаточно высокой. Среднее перемещение атома по поверхности за время t равно:
- коэффициент поверхностной диффузии, D s0 = a 2 v , a - длина диффузионного прыжка, т.е. расстояние между эквивалентными положениями атома на поверхности роста, T - температура в энергетических единицах, н?1012 с -1 - частота колебаний атома на поверхности, E sd - энергия активации поверхностной диффузии, которая для полупроводников обычно составляет 1-1.5 эВ.
Слишком высокие температуры подложки не желательны, поскольку в этом случае уменьшается коэффициент прилипания и активизируется взаимная диффузия атомов между слоями. В связи с тем, что гетероструктуры представляют собой резко неоднородные по химическому составу системы, то из-за процессов взаимной диффузии с течением времени эти системы должны либо переходить в термодинамически равновесное состояние с однородным распределением концентраций всех компонентов, либо расслаиваться на фазы определенного состава. Однако, поскольку энергия активации взаимной диффузии, например, в полупроводниках обычно составляет 4-5 эВ, то в интервале температур от 600 до 800 о С этот эффект пренебрежимо мал. Действительно, элементарная оценка показывает, что среднее смещение атома за несколько десятков часов за счет взаимной диффузии оказывается заметно меньше межатомного расстояния. Таким образом, ясно, что выбор и поддержание оптимальной температуры роста является одним из важнейших условий реализации MBE.
Технология молекулярно-пучковой эпитаксии была создана в конце 1960-х годов Дж.Р. Артуром и Альфредом Чо. Несмотря на достаточно простую идею, реализация данной технологии требует чрезвычайно сложных технических решений. Основные требования к установке эпитаксии следующие:
- В рабочей камере установки необходимо поддерживать сверхвысокий вакуум - давление остаточных газов должно быть ниже 10 -8 Па (?10 -10 мм рт. ст.).
- Чистота испаряемых материалов должна достигать 99,999999%.
- Необходим молекулярный источник, способный испарять тугоплавкие вещества (такие как металлы) с возможностью регулировки плотности потока вещества.
- Особенностью эпитаксии является медленная скорость роста пленки (обычно менее 1000 нм в минуту) [8].
Эпитаксиальный рост материалов путем осаждения на подложку продуктов термического разложения (пиролиз) молекул органических газов, содержащих необходимые химические элементы, называется методом осаждения металлоорганических соединений из газообразной фазы (MOCVD - Metalorganic Chemical Vapour Deposition). Этот термин был предложен создателем метода Гарольдом Манасевитом в 1968 году. В отличие от MBE при MOCVD рост происходит не в вакууме, а в присутствии газа при умеренных давлениях. При комнатных температурах металлоорганические соединения находятся в жидком или даже твердом состоянии. Поскольку эти вещества, как правило, имеют высокое давление паров, их можно легко доставить в зону химической реакции путем продувки газа носителя через жидкости или над твердыми телами, играющими роль источников. В качестве газа носителя используют водород или инертные газы (гелий, аргон). Идею метода MOCVD можно проиллюстрировать с помощью рисунка 12, схематически изображающего реактор, в котором происходит эпитаксиальный рост структуры.
Кристаллизация материала на нагретой подложке, расположенной в реакторе с холодными стенками, осуществляется при пропускании над ней однородной газовой смеси реагентов с газом-носителем. В результате пиролиза, при котором газообразные соединения разлагаются на компоненты на горячей поверхности, образуется стабильное твердое полупроводниковое соединение.
1 - кварцевый корпус, 2 - катушка высокочастотного генератора для нагревания подложки, 3 - блок нагревания, 4 - подложки, 5 - водяное охлаждение (впуск), 6 - водяное охлаждение (выпуск)
Рисунок 12 - Схема горизонтального реактора открытого типа с охлаждаемыми стенками для MOCVD
Схематически показано распределение скоростей v и температуры T в газовом потоке в диффузионном слое вблизи подложки.
Температура пиролиза составляет 600-800 0 С. Подложка и растущая пленка обычно нагреваются высокочастотным генератором с частотой 450 кГц. Пиролиз происходит в открытом реакторе при атмосферном или пониженном давлении (?70 мм рт. ст.). Снижая давление газовой смеси при выращивании соединений можно управлять градиентом изменения состава основных компонент и примесей в гетероструктуре. При пониженных давлениях выращивание ведется при больших, чем при атмосферном давлении скоростях газового потока, что позволяет получать более однородные слои.
Вблизи от поверхности роста располагается переходная область, где параметры газовой смеси плавно меняются от значений, характерных для области конвекции, до значений соответствующих приповерхностному слою. В горизонтальных реакторах толщина переходной области (пограничный слой) равна примерно 4 мм. Температура газовой смеси и ее состав в пограничном слое зависят от расстояния до поверхности роста. В области конвекции температура газа меньше температуры роста и состав газовой фазы не меняется. Во многих случаях электрические и кристаллографические свойства выращиваемых слоев зависят от характеристик пограничного слоя.
В качестве примера рассмотрим реакции, протекающие в процессе MOCVD, при выращивании полупроводниковых соединений GaAs и Al x Ga1- x As. Благодаря относительной простоте приготовления и легкости пиролиза в атмосфере молекулярного водорода для этого чаще всего используются метиловые и этиловые металлоорганики, которые поставляют атомы металлов с побочными продуктами реакции в виде метана или этана. Химическая реакция, приводящая к росту GaAs из триметилгаллия и гидрида мышьяка, имеет вид:
Подобная реакция используется для выращивания других двойных, тройных и четверных соединений. В частности Al x Ga1- x As растет в результате следующей реакции:
(1- x ) [(CH 3 ) 3 Ga]+ x [) [(CH 3 ) 3 Al]+ AsH 3 Al x Ga 1- x As+3CH 4
В этом случае атомная концентрация x алюминия в Al x Ga1- x As определяется относительными начальными парциальными давлениями триметилгаллия и триметилалюминия в газовой фазе.
Методом MOCVD могут быть последовательно выращены многослойные, многокомпонентные эпитаксиальные структуры в едином ростовом цикле, поскольку к реактору можно подключить несколько источников различных материалов и изменять состав газовой смеси в реакторе. Скорость, с которой можно обеспечить нужное изменение, зависит от геометрии реактора и величины полного потока газа через реактор. При высоких скоростях потока изменение состава можно осуществлять достаточно быстро и, следовательно, можно получать гетеропереходы с резкой гетерограницей. Методом MOCVD можно выращивать структуры достаточно высокого качества с толщиной отдельных слоев, составляющих всего 5-6 межатомных расстояний[6].
Нанолитография является естественным развитием методов, используемых на протяжении многих лет в микроэлектронике для производства различных приборов и устройств, в том числе и больших интегральных схем. Традиционно рисунок будущих приборов и схем создается с помощью фотолитографии следующим образом. На первом этапе каким-либо образом изготавливают увеличенное изображение (маску) прибора. Затем это изображение с уменьшением переносится на полупроводниковую пластинку, которая покрыта фоточувствительным слоем (резистом), то есть фотографируется с уменьшением. Схема этого процесса представлена на рисунке 13. Фоторезист это сложная полимерная светочувствительная композиция.
Рисунок 13 - Схематическое изображение проекционной системы для процесса фотолитографии
Фоторезист, у которого растворимость освещенного участка уменьшается, называется негативным, а фоторезист, растворимость которого после облучения возрастает, - позитивным. После обработки освещенного фоторезиста в специальном составе, удаляющем растворимые участки, образуется рельефное изображение, которое должно быть устойчивым к воздействию технологических факторов, в частности кислот, с помощьюкоторых стравливается полупроводниковая структура. Процесс получения рисунка называют литографией, а установки, с помощью которых это делают, - литографами. Последующее изготовление прибора или схемы весьма сложный процесс, включающий большое число циклов травления и осаждения новых слоев различных материалов. Почти перед каждой операцией требуется нанесение фоторезиста и фотографирование маски с каким-то новым рисунком.
Рассмотрим более детально процесс фотолитографии. Очевидно, что наименьшие размеры отдельных деталей, которые требуются для изготовления наноструктур, ограничены предельной разрешающей способностью оптических устройств, которая в свою очередь определяется дифракционным критерием Рэлея. Согласно этому критерию разрешение проекционной системы определяется выражением:
где k - коэффициент пропорциональности, равный 0.61 в простейшем случае, л - длина волны света, N a - числовая апертура объектива, пропорциональная показателю преломления среды между объектом и объективом. Отсюда следует, что для фотолитографии первостепенное значение имеет длина волны света, с помощью которого осуществляется перенос изображения маски на пластину с фоторезистом. В соответствии с критерием Рэлея (3) минимальная ширина линии, получаемой в изображении, пропорциональна длине волны экспонирующего света. Для видимого света (с длиной волны ~0.4 мкм) минимальная ширина линии составляет - 244 нм, что явно недостаточно для изготовления квантовых структур. Чтобы достигнуть меньших размеров отдельных деталей, в фотолитографии видимый свет заменяют ультрафиолетовым освещением (длина волны 193-365 нм). Еще одним достоинством ультрафиолетовой литографии является большая скорость, так как время освещения меньше, чем для видимого света. В настоящее время в промышленном производстве в качестве источников света используют лазеры ArF с длиной волны 193 нм. Их применение позволило реализовать 90, 65 и даже 45 нм технологические процессы производства микросхем (рис 14). Сейчас для литографических установок разрабатываются источники света, использующие длину волны 13 нм (Extreme Ultra Violet - EUV).
Элементарная оценка с помощью (3) показывает, что для длины волны света 193 нм, числовой апертуры 1 и коэффициента k =0.61 разрешение проекционной системы должно быть 118 нм.
Рисунок 14 - Зависимость технологического процесса изготовления микросхем от длины волны света, используемого для литографии
Возникает вопрос: Каким образом удается реализовать 90, 65 и 45 нм технологические процессы производства микросхем применяя такой источник света? Ответ на него содержится в выражении (3). Действительно, при фиксированном значении л для получения меньших величин a min можно попытаться уменьшить k и увеличить числовую апертуру N a . Для того, чтобы понять каким образом удается добиться желаемого результата вернемся к схеме фотолитографической проекционной системы (рис. 14). Видно, что кроме источника света в ее состав входят еще два важных элемента - фотомаска и «линза», которая на самом деле представляет собой сложный объектив, состоящий из большого числа оптических элементов.
Рассмотрим пути повышения разрешающей способности проекционной литографической системы с использов
Исследование квантово-размерных структур дипломная работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Курсовая работа: Российско-американские отношения после окончания холодной войны
Промышленная Технология Кондитерских Лекарственных Форм Курсовая
Дипломная работа: Диахронический анализ грамматической омонимии прилагательных и наречий английского языка
Реферат по теме Москва - центр важнейших сухопутных и речных путей России XVI века
Реферат: Творчество Г.Лейбница. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая работа: Корпорация "Парус". Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат: Willy Loman Essay Research Paper Willy Loman
Реферат: Оптимизация производственно отраслевой структуры предприятия СХК Луч
Реферат: Социализация детей с умственной отсталостью
Реферат: Рекламная деятельность. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая работа по теме Мовленнєвий етикет економістів як усталена норма виробничої сфери
Курсовая работа: Эволюция вопроса воссоединения КНР с Тайванем
Реферат по теме Билеты к экзамену по муниципальному менеджменту
Курсовая работа: Особенности бухгалтерского учета на малых предприятиях
Курсовая Работа По Логопедии Темы
Курсовая работа по теме Принцип работы трансформаторов
Отчет По Практики По Ремонту Электрооборудования
Контрольная работа по теме Отражение социально-политической истории Древней Руси в "Молении Даниила Заточника"
Сущность Духовно Нравственного Воспитания В Семье Реферат
Реферат по теме Жизнь и творчество Герберта Уэллса
Добыча полезных ископаемых методом подземного выщелачивания - Геология, гидрология и геодезия реферат
Магма и магмоообразование - Геология, гидрология и геодезия учебное пособие
Соціальна відповідальність: "за" та "проти" - Государство и право контрольная работа