Диссертация (Научно-методические и физико-технологические принципы создания оптоэлектронных устройств нового поколения на модифицированных наноструктурах), страница 12

Поэтому в этой главе приводятся краткиесведения об особенностях изготовления наноструктур.В основе нанотехнологий лежат различные физико-химическиепроцессы и принципы формирования наноструктур. Общим между нимиявляется использование в процессе производства изделий облучениязаготовки разными потоками (видимого, ультрафиолетового, рентгеновскогоизлучений, электронов, ионов, нейтронов и др.). Это необходимо или дляизмерения точности изготовления наноструктуры, как в методе молекулярнолучевой эпитаксии, или непосредственно для формирования отдельныхэлементов, как в методах нанолитографии (при экспонировании фоторезистаили использовании сканирующего зонда) [11].

Качество производства вомногом зависит от точности изготовления наноструктур и определяется74разрешающей способностью технологии. Термин «разрешение» означаетспособность измерительного прибора, например, микроскопа выдаватьчеткое раздельное изображение двух близко расположенных точек объекта.Эта характеристика зависит, прежде всего, от длины волны применяемогоизлучения.

Существует фундаментальное ограничение, которое заключаетсяв невозможности получить изображение объекта, меньшего по размерам, чемдлина волны излучения. Так, линейное разрешение – это минимальноерасстояние между различимыми объектами. Для понимания особенностей итрудностей производства низкоразмерных структур необходимо рассмотретьклассификациюнанотехнологий.Восновуееположеныпринципыформирования наноструктур. Следует отметить, что существует многоразных способов производства конечного продукта, например, матриц изквантовых точек, которые могут сочетать в себе разные технологии.Традиционносчитается,чтоприизготовленииэлементнойбазынаноэлектроники можно использовать два основополагающих подхода. Впервом подходе наноструктуры с требуемыми размерами и конфигурациейполучаются путем избирательного удаления определенных участков споверхности материала, заранее нанесенного на подложку (метод «сверхувниз»).Причемсамматериалможетпредставлятьмногослойнуюнаноструктуру, полученную с помощью методов осаждения пленок иформирования легированных слоев (как химическим путем, так и способомнейтронного трансмутационного легирования).

При этом используютсялитографические методы создания на профилируемой поверхности маски споследующим удалением ее с помощью травления.Второй подходподразумевает создание требуемых структур путем селективного осажденияатомов и молекул на заданные участки поверхности подложки (метод «снизувверх»).Здесьуместноподчеркнутьразницумеждутермином«наноструктуры» и «низкоразмерные структуры». В первом случае главнымявляется линейный размер структуры, который хотя бы по однойкоординатной оси должен соответствовать нанометровому диапазону.75Термин«низкоразмерныеструктуры»подразумеваетнетолькопространственные ограничения (в одном, двух или трех направлениях), но иопределенную конфигурацию.

Примером «низкоразмерных или квантовыхструктур» (рис.3.2) являются квантовые ямы (колодцы) в виде планарныхсверхтонких пленок; квантовые проволоки (шнуры, нити) в виде вытянутыхструктур цилиндрической или другой формы в сечении; квантовых точек ввиде кубиков, шаров, «баранок». Конечный продукт производства можетсочетать в себе несколько квантовых структур (ям, проволок и точек).Например, на первом этапе создается новый полупроводниковый материал наоснове множественных квантовых ям (по технологии «снизу-вверх»), навтором этапе из этого материала формируют квантовые проволоки (потехнологии «сверху—вниз»), на последнем этапе получают квантовые точки,например, по технологии «сверху-вниз».Уже не одно десятилетие успешно применяется для изготовлениямикропроцессоров метод нейтронного трансмутационного легирования НТЛ.Такой метод можно использовать не только для легирования нужных слоевполупроводника, но и создания многослойной структуры путем облученияопределенныхслоев заготовки коллимированным монохроматическимпучком тепловых нейтронов [14].

Более того, с помощью метода НТЛ можноизбежать многоэтапность производства квантовых точек и формировать ихнепосредственно в материале из собственных изотопов исходного вещества.В будущем с развитием ядерных технологий можно будет моделироватьвнутри заготовки наноструктуры любых размеров и формы.Таким образом, классификацию нанотехнологий по принципамформирования наноструктур следует дополнить ядерными технологиями(табл.

3.1).76Таблица 3.1Примерынанотехнологий,использующихразныепринципыформирования наноструктур«снизу-вверх»Различные видыэпитаксия1.Молекулярнолучевая (пучковая)эпитаксия2. Газовая эпитаксияизметаллоорганическихсоединений«сверху-вниз»Различные видынанолитографии1.Оптическая(ультрафиолетовая,рентгеновская) литография2. Электронная литография3. Формированиеструктур на основеколлоидныхрастворов4.

Метод химическойсборки на основехемосорбции3. Ионная литография«моделирования»Метод ядерногооблучения нейтронами1.Ядерноелегирование(НТЛ)2. Изотопическаянанотехнология(формированиенаноструктур изчистых изотопов)4.Нанопечатная:а) с помощью«молекулярных чернил»(наноимпринтинг);б) с помощью деформациипресс-формой5. Зондовые методы наоснове сканирования спомощью:а) металлическогоигольчатого электрода;б) электронного пучка играфитовых фуллеренов;в) атомного пучка в виде«атомного нанопера»Таким образом, различным принципам формирования наноструктурможно дать следующие определения [84]:771) метод «снизу-вверх» состоит в том, чтобы набрать, соединить ивыстроить отдельные атомы и молекулы образца в упорядоченнуюнаноструктуру;2) метод «сверху-вниз» состоит в постепенном уменьшении размеровобразца для получения наноструктуры путем различных физико-химическихвоздействий на поверхность заготовки;3)метод моделирования наноструктуры состоит в том, чтобы путемизменения внутри образца изотопического состава исходного вещества спомощью ядерной нанотехнологии создать более плотные слои различнойформы из более тяжелых изотопов [14].Подэпитаксиейпонимаюториентированныйростслоев,кристаллическая решетка которых повторяет решетку подложки [11,33].Под литографией понимают совокупность фото- и физико-химическихпроцессов,используемыхдляпослойногоформированияэлементовнаноструктур (топологического рисунка интегральных схем) [11,33].В основе ядерной нанотехнологии лежит метод трансмутационноголегирования.

Понятие НТЛ подразумевает изменение изотопического составаисходного вещества при облучении нейтронным потоком, в результатекоторогопроисходитреакциипоглощения(радиационногозахвата)нейтронов [14,21,89-96]. Отличие ядерной нанотехнологии от изотопическойнанотехнологии состоит в том, что воблучениепроисходитдотрансмутационном легированииобразованиянестабильныхизотоповвопределенной концентрации (например, в пропорции 1:10000), которые затемраспадаются с образованием другого химического элемента.

Так, например,облучают кремний до образования изотопа Si 31 , а затем в течение несколькихчасов (примерно за 2,67 часа) происходит превращение его в фосфор. Визотопическойнанотехнологиидляформированиянаноструктурпредполагается облучать нейтронным потоком заготовки, состоящие изодного и того же изотопа. Предварительно кремний с естественнымсодержанием изотопов должен быть очищен от более тяжелых Si 29 , Si 30 .78Процесс облучения продолжается до тех пор, пока состав облучаемойповерхности (с учетом определенных размеров и конфигурации) полностьюне изменится, что означает переход более легких изотопов в более тяжелые.Высокую точность изготовления геометрических размеров (предельноеотклонение от номинального значения) могут иметь следующие видынанотехнологий:1)метод молекулярно-пучковой эпитаксии;2)газовой эпитаксии из металлоорганических соединений;3)нанолитографический метод высокого разрешения на основесверхжесткого ультрафиолетового излучения;4)ядерная нанотехнология.Самым распространенным методом с точки зрения производительностииэкономическойэффективностифотолитографическийпроекционныйвнастоящееметоднавремяосновеявляетсяоблученияповерхности образца сверхжестким ультрафиолетовым светом.

Как ужеотмечалось выше, чем меньше длина волны используемого облучения, тембольше точность изготовления изделий, что связано с дифракционнымиявлениями. Для жесткого ультрафиолетового облучения предполагаетсядостичь размеров толщины линий на кристаллах микросхем менее 15 нм.Большие надежды ученые связывают и с методом молекулярно-лучевойэпитаксии, которая позволяет формировать слои толщиной в несколькоатомарных слоев [11,33]. Однако, наименьшие дифракционные эффекты,ограничивающиеточность,могутобеспечитьядерныетехнологии,применяющие потоки тепловых нейтронов с длиной волны менее 1нм [12].Основными проблемами нанотехнологий, использующих облучениепучками (фотонов, электронов, ионов, атомов, нейтронов), являютсяследующие:1)формированиеустойчивыхмоноэнергетическихсфокусированных пучков достаточной интенсивности, 2) управление такимипучками, 3) создание соответствующей оптической системы из специальныхлинз, 4) специальных чувствительных (поглощающих) масок для получения79рисунка на облучаемой поверхности.

Для реализации метода нейтронногооблучения в промышленных масштабах можно применить установкуампульного облучения с использованием масок (рис.3.5), например, изкадмия для нанесения соответствующего рисунка.Рисунок 3.1. Устройство для облучения тепловыми нейтронами [21]С помощью устройства, изображенного на рис. 3.1, предполагаетсяформировать внутреннюю структуру заготовки. Однако надо учитывать ивозможные проблемы, которые могут возникнуть в процессе облучениянейтронами.

Так, рассеивание нейтронов от масок чревато разбросомнейтронов по энергии и углам падения на заготовку, что может повлечь непредсказуемые реакции с веществом заготовки.Метод нейтронного облучения для изменения изотопического состававнутриобразцаможнореализовать,проекционные схемы облучения(рис.3.2).применяялитографическиежестким ультрафиолетовым излучением80источник монохроматического нейтронногоизлученияфокусирующая линза 1фокусирующая линза 2специальная линзаспециальная маска для проецирования рисункаоблученияпроекционная линза 1регистрирующая апертурапроекционная линза 2поверхность облучаемой заготовкиРисунок 3.2. Проекционная схема облучения нейтронамиПри этом метод нейтронного облучения, имея существенноменьшие дифракционные искажения за счет длины волны тепловыхнейтронов, соизмеримой с постоянной кристаллической решетки, позволитформировать наноструктуры размером меньше 10нм из изотопов исходногохимического элемента.3.2 Изотопический эффект и создание на его основе изотопическихнаноструктур (ИНС)Открытие в начале прошлого века понятия изотопа послужило началомнового направления в фундаментальных науках, а именно, физики изотопов.Согласно Содди [63], изотопы – это химические элементы с одинаковымэлектрическим зарядом (одинаковым атомным номером), но с различноймассой ядра (разное содержание нейтронов).