Физические и технологические основы получения систем эпитаксиальных нитевидных кристаллов кремния тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Завалишин, Максим Алексеевич

• Завалишин, Максим Алексеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Завалишин, Максим Алексеевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Состояние проблемы синтеза и применения эпитаксиальных нитевидных кристаллов (обзор литературы)

1.1 Современное состояние исследований процессов роста НК

1.2 Влияние технологических факторов процесса синтеза на ростовые параметры НК

1.3 Использование НК для реализации функциональных элементов

микро- и наноэлектроники

1.3.1 Применение НК в качестве элементной базы изделий микро-

и наноэлектроники

1.3.2 Применение НК в оптических устройствах

1.3.3 Применение НК в фотоэлектрических элементах

1.3.4 Применение НК в качестве чувствительных элементов сенсоров

1.4 Формулировка цели работы и постановка задач исследования

2 Установка, материалы и методики проведения экспериментов

2.1 Установка синтеза ЕК 81

2.1.1 Система получения и очистки водорода

2.1.2 Формирование парогазовой смеси для получения НК и ве

2.2 Методики подготовки подложек для выращивания НК

2.2.1 Методики нанесения катализатора и сплавление его с кремниевой подложкой

2.2.2 Установление температурных зон в реакторе

2.3 Подготовка образцов для оптической, растровой электронной

и электронно-зондовой микроскопии

3 Закономерности эпитаксиального роста нитевидных кристаллов кремния

3.1 Закономерности влияния природы и размера частиц катализатора на скорость роста нитевидных кристаллов

3.2 Влияние линейного натяжения трехфазного контакта пар-жидкая

капля-кристалл на процесс квазиодномерного роста нанокристаллов 81

3.3 Критические параметры роста НК 81 по схеме пар—»жидкая

капля—»кристалл

4 Методы формирования систем эпитаксиальных нитевидных кристаллов

кремния с учетом их геометрического признака

4.1 Способ получения индивидуальных НК полупроводников постоянного Диаметра

4.2 Способ получения регулярных систем наноразмерных НК 81

4.3 Разработка лабораторного регламента получения матриц эпитаксиальных НК 81, применительно к изготовлению тестового устройства охлаждения кристаллов микросхем

4.3.1 Разработка лабораторного регламента получения матриц эпитаксиальных НК 81

4.3.2 Применение систем эпитаксиальных нитевидных кристаллов

в устройствах охлаждения микросхем

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физические и технологические основы получения систем эпитаксиальных нитевидных кристаллов кремния»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Нитевидные кристаллы (НК) полупроводниковых материалов, получаемые эпитаксиальным синтезом по схеме пар —> жидкая капля —» кристалл, обладают нано-, микроскопическими размерами и квазиодномерной кристаллической структурой, что определяет их специфические физические свойства. Задание необходимой морфологии и структуры эпитаксиальных НК, а также топологии размещения на подложке осуществляется путем управления технологическими параметрами их синтеза. Благодаря уже достигнутой степени контроля над различными технологическими параметрами процесса роста НК могут рассматриваться как перспективные объекты для реализации электронных схем нового поколения, текстурирования поверхностей полупроводников и как конструкционные материалы микро- и наноприборов.

Однако, чтобы достичь реального интереса промышленности необходимо решить ряд технических задач и, прежде всего, задачу управляемого синтеза систем эпитаксиальных нитевидных микро- и нанокристаллов, в частности 81. Необходимо обеспечить требуемое качество эпитаксиальных кристаллов и их воспроизводимость, обеспечить контроль ростовых параметров НК, таких как место, направление и форма роста, обеспечить совместимость при интеграции с кремниевыми технологиями, разработать технологические регламенты. Существующие технологические проблемы обусловлены как неразработанностью специфического механизма роста НК, так и отсутствием методов работы со сверхмалыми объектами субмикро- и наноразмерного масштаба. Поэтому актуальными фундаментальными задачами являются понимание закономерностей роста микро-и нано-НК полупроводников, что наиболее важно для оптимизации расположения кристаллов на подложке, направления роста, морфологии и кристаллической структуры. Решение этих задач требует получения новых знаний об условиях, при которых происходит предпочтительное формирование одномерных кристаллов, и о ростовых механизмах. Ключевыми составляющими здесь являются детальные

исследования физических и химических процессов, сопровождающих рост эпи-таксиальных НК.

Настоящая работа посвящена исследованию закономерностей роста эпитак-сиальных нитевидных микро- и нанокристаллов 81 и направлена на разработку лабораторного технологического регламента изготовления матриц НК 81 применительно к изготовлению тестового устройства охлаждения кристаллов микросхем.

Диссертационная работа выполнялась в «Воронежском государственном техническом университете» по приоритетному направлению науки и техники "03 Индустрия наносистем и материалы" в рамках Федеральных целевых программ "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.", "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 гг.", "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.", Аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2011 гг.)", по госконтрактам ГК №02.444.11.7321, 02.552.12.7009, №16.552.11.7048, №02.740.11.0830, АВЦП №6504 и по госзаданиям Минобрнауки (темы ГЗ 1.10.09, 1.10.11,075813).

Цель работы и задачи исследования.

Цель работы: разработать физические и технологические основы получения систем эпитаксиальных нитевидных кристаллов кремния, а также продемонстрировать возможности реализации систем НК применительно к изготовлению устройств охлаждения кристаллов микросхем.

В соответствии с указанной целью поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Установить критические параметры роста нитевидных микро- и нанокристаллов 81 по схеме пар —> жидкая капля —> кристалл.

2. Установить влияние природы и размера частиц катализатора, линейного натяжения границы трехфазного контакта и свободной поверхностной энергии жидкой фазы на рост НК 81.

3. Разработать способы получения регулярных систем наноразмерных НК 81 и выращивания НК полупроводников постоянного диаметра.

4. Разработать лабораторный технологический регламент изготовления матриц НК применительно к изготовлению тестового устройства охлаждения кристаллов микросхем.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика управления величиной краевого угла смачивания капли катализатора на вершине эпитаксиальных НК кремния, позволяющая при использовании двухкомпонентного эвтектического сплава Ме-81 выращивать кристаллы постоянного диаметра.

2. Показано, что при выращивании эпитаксиальных НК 81 с уменьшением размера частиц металла-катализатора равновесная растворимость конденсированной фазы в нем понижается.

3. Показано, что максимальный критический радиус НК определяется соотношением капиллярных и гравитационных сил, действующих на каплю катализатора в процессе роста кристалла, а минимальный возможный радиус НК обусловлен влиянием линейного натяжения границы трехфазного контакта пар-жидкость-кристалл на условия равновесия нанокапли катализатора.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается комплексным использованием широко известных, часто применяемых и доказавших свою надежность и достоверность экспериментальных методов исследований. Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается согласием полученных экспериментальных данных с теоретически предсказанными характеристиками. Выводы, полученные в результате данной работы, согласуются с результатами работ других авторов.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Установлены критические параметры роста нитевидных микро- и нано-кристаллов 81 по схеме пар —> жидкая капля—» кристалл и определены термодинамические критерии разбиения капли катализатора на вершине НК, а также пре-

дельные значения радиуса НК Si, при превышении которых рост кристаллов отсутствует.

2. Установлен эффект изменения равновесной растворимости конденсированной фазы Si в мелкодисперсных частицах металла-растворителя с изменением их размера, природа которого связана с понижением энергии, обусловленной локализацией единичного атома вещества на поверхности жидкости ограниченного объема.

3. Разработан и защищен патентом РФ (№2236224 от 20.10.2008 г.) способ получения регулярных систем наноразмерных НК Si.

4. Разработан и защищен патентом РФ (№2456230 от 02.12.2009 г.) способ получения эпитаксиальных НК полупроводников постоянного диаметра.

5. Разработан лабораторный технологический регламент получения систем эпитаксиальных НК Si применительно к изготовлению тестового устройства отвода теплоты от кристаллов микросхем (полезная модель РФ № 127961 от 02.10.2012).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы, ее положения и выводы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на следующих научных конференциях и симпозиумах: VI, VII, VIII, IX Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро - и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006, 2007, 2008, 2009); Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс-конференция «Электроника-2006» (Зеленоград, 2006); 4-я Российская конференция с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний 2007» (Москва, 2007); Международный форум по нанотехнологиям «Rusnanotech», РОСНАНО (Москва, 2008); V, VI Международный семинар «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2008, 2009); III Воронежский промышленный форум «Инновации и инвестиции» (Воронеж, 2010); Второй семинар по проблемам химического осаждения из газовой фазы (Новосибирск, 2011).

Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 26 работах, из них 8 - в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы 123 страницы. Работа содержит 70 рисунков и список цитируемой литературы из 154 названий.

ГЛАВА 1 Состояние проблемы синтеза и применения эпитаксиальных нитевидных кристаллов (обзор литературы)

За последнее десятилетие количество публикаций, посвященных проблемам синтеза нитевидных микро- и нанокристаллов, выросло на два порядка. Причиной этому является резкое повышение интереса исследователей к проблемам получения и практического использования НК, обусловленное разработкой методов синтеза и характеризации наноразмерных кристаллических структур, а также открытием новых перспектив их приборного применения. Вместе с тем, усилия по разработке промышленных технологий синтеза НК в настоящее время не привели к желаемому результату. Существующая степень готовности технологий НК недостаточна для их промышленного использования. В 2008 году нитевидные кристаллы включены в Международную путевую карту развития технологий полупроводников, как одно из самых перспективных направлений развития электроники на предстоящие 10 лет. В рамках Европейского Союза начат проект перевода технологий НК с исследовательского уровня на уровень технологий индустриализации.

1.1 Современное состояние исследований процессов роста нитевидных кристаллов

Обзор литературных источников показывает, что в работах различных авторов исследуются закономерности роста нитевидных микро- и нанокристаллов практически всех полупроводниковых материалов, большинства металлов и многих диэлектриков: это и однокомпонентные полупроводники Si [1-6], Ge [7-9]; сложные полупроводники групп III-V GaN [10-14], GaP [15] GaAs [16-22], InAs [23-27] InN [28-31] InSb [32-33] InP [34, 26]; полупроводники группы II-VI FeS2 [35] ZnO [36-40]; металлы Ag [41], Au [42, 43], Bi [44]; тройные соединения InGaAs [45], GaAsP [46], GeSbTe [47], GelSb2Te4 [48], а также диэлектрики [49] и магнитные материалы Mn5Ge3

[51]. Из обозреваемых литературных источников можно видеть, что НК различных материалов имеют как общие закономерности роста, так и специфические, присущие отдельным материалам функциональные характеристики. Например, в условиях высокого пересыщения капли-катализатора наноразмерные НК GaAs формируются в гексагональной решетке вюрцитной фазы, а в обычных условиях - в кубической решетке сфалеритной фазы, при этом переход от одной фазы к другой в кристалле осуществляется по механизму двойникования [51-54].

Анализ литературы показывает, что абсолютное большинство работ по исследованию процессов роста НК опубликованы зарубежными авторами. Их работы в основном посвящены описанию технологических результатов выращивания НК и изучению их свойств. При этом физико-химические ростовые процессы, зачастую, рассматриваются в работах поверхностно, многие технологические аспекты роста остаются не до конца выясненными, а, иногда, спорными. Например, различными авторами недооценивается роль капли-катализатора на вершине НК, не рассматриваются равновесные процессы на границе раздела трех фаз, практически не учитывается влияние линейного натяжения, энергетический вклад которого для нанообъектов может составлять до 10 % от величины их поверхностной энергии, недостаточно полно анализируется термодинамика процесса роста НК и т.д.

Известно, что одной из основных кристаллографических характеристик НК является кристаллографическая ориентация оси роста. В работах [5, 6, 16, 23, 38] было установлено, что наноразмерные НК Si, GaAs и некоторых других материалов с изменением диаметра кристалла изменяют предпочтительное направление роста. В работах Шмидта В. с сотр. [55] рассматривается механизм изменения доминирующего направления роста нанокристаллов Si с <111> на <110> при переходе от НК с диаметрами 20-40 нм к НК с диаметрами 5-20 нм. Для направлений <111> и <110> определены зависимости свободной энергии f, приходящейся на единицу длины периметра смачивания капли-катализатора НК, от диаметра d кристалла:

/ = Ага3 + астий (1)

а = А/Ш (2)

где с^ и аь - поверхностное натяжение кристалл-газ и кристалл-расплав соответственно;

Аг - толщина границы кристалл-капля, приблизительно Аг ~ 1 нм; а - геометрический параметр; I - длина окружности трехфазного контакта; А - площадь контакта кристалл-капля катализатора.

Оказалось что зависимости Д<1) - линейны и имеют различные углы наклона (рис. 1). Пересечение прямых Дс1) для направлений <111> и <110> соответствует некоторому критическому диаметру, при котором наблюдается смена преимущественного направления роста:

Л Л„/~<111> ~<110>Ч <111>_<111> <110> <101>ч

¿С=А г{(т5 -<у3 )/{а <ть -а сть ) (3)

Смена преимущественного направления роста, по мнению авторов, связана с тем, что с уменьшением диаметра НК относительный вклад поверхностной энергии боковой поверхности кристалла в суммарную свободную энергию кристаллической поверхности для направления роста <110> растет быстрее, чем для направления <111>. При больших диаметрах /1И> (ё) < У<110> (с1) преобладает направление роста <111>. При некоторой критической величине диаметра с1с свободные поверхностные энергии НК <111> и <110> становятся равными. При с! < ёс, наоборот,^по> (ё) <У<111> (ё), и НК начинают расти в направлении <110>. Численные значения параметров,

определяющие критический диаметр смены направления роста, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры, определяющие dc [55] для двух кристаллографических ориентаций НК Si

Параметры Кристаллографическая ориентация НК, <hkl>

<111> <110>

Геометрический параметр а, отн. ед. 0,43 0,39

Поверхностная энергия <т5, Дж/м 0,62 0,76

Поверхностная энергия <ть, Дж/м 1,53 1,28

Иной механизм изменения направления роста НК Si предложен Шином Н. и Филлером М. [6]. Смена направления роста кристаллов с <111> на <112> в их экспериментах происходила при добавлении в питающий поток дисилана ^гНб) некоторого количества Н2. Авторы считают, что смена направления роста обусловлена пассивацией водородом боковой поверхности НК и увеличением, вследствие этого, поверхностной энергии Si в области границы раздела трех фаз (рис. 2). При этом новому направлению роста <211> соответствуют боковые плоскости огранения НК (111), которые характеризуются атомарной гладкостью и минимальной пассивацией водородом.

Обнаруженная в работе [16], смена кристаллографического направления роста НК GaAs диаметрами 60-140 нм с <111> на следующие направления: <110>, <331>, <531> и <112>, происходит в связи с изменением концентрации галлия в составе капли-катализатора AuxGay. Когда концентрация галлия в объеме капли становится меньше ~ 30 (ат.) % состав жидкой капли соответствует области, близкой к зоне ликвидуса Аи. На трехфазной границе благодаря гетерогенному зарождению повышается

(Ь)

X

(С)

<111»

Рис. 1 - Зависимость свободной энергии нанокристалла 81 с ориентацией <110> и <111>, приходящейся на единицу длины трехфазной линии, от диаметра НК (а) и РЭМ-изображение НК различных направлений роста (б) [55]

<111>

<110>

а) б) в)

Рис. 2 - РЭМ-микроскопия НК Б1, выращенных газофазной эпитаксией из 81гНб при Т=760 К с кристаллографическим направлением роста <111>, (а) и <112> (б), а также РЭМ-микроскопия НК со сменой направления в процессе роста (в) [6]

вероятность образования зародышей Аи. Это нарушение монокристаллографического роста кубической фазы ваАБ и образование многочисленных дефектов структуры НК в конечном счете приводит к осевому росту в направлении отличном от <111> (рис. 3).

Таким образом, видим, что нет единого мнения о причинах и механизмах смены направления роста НК. Необходимо заметить, что предлагаемые модели, объясняющие диаметральную зависимость направления роста НК, в основном, применимы к рассматриваемому в них методу выращивания кристаллов. В литературе отсутствуют также работы по исследованию механизмов смены направления роста нанокристаллов 81, синтезируемых в хлоридно-водородной системе, и нет ясности, является ли диаметральная зависимость направления роста НК общей закономерностью или данный аспект кристаллизации наблюдается лишь в отдельных методах.

Известно, что для роста НК в открытой хлоридно-водородной системе, также как и в других ростовых системах, важное значение имеют размеры частиц металла-катализатора [56-62]. Размер частицы катализатора определяет диаметр выращиваемого кристалла и связан со скоростью его роста [59, 63, 64]. В работах [59 и 63], показано, что скорость роста НК ваАБ с уменьшением диаметра частиц катализатора понижается (рис. 4). Авторы предлагают самосогласованное уравнение, позволяющее определить зависимость скорости роста НК от диаметра капли и условий роста. Полученные результаты обобщают феноменологическую модель роста кристаллов Гиваргизова-Чернова [65], определяют функциональный вид и кинетические коэффициенты зависимости скорости роста от параметров ростового процесса.

Совсем другие зависимости скорости роста нанокристаллов от их диаметра установлены в более поздних работах [49, 60, 61]. Авторы провели детальное экспериментальное и теоретическое исследование зависимостей Ь(с1) (Ь- удлинение НК, <1 - его диаметр) для роста нанокристаллов ОаАБ и АЮаАз, выращиваемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) с

<£> Ф

ТзГ 220 • О 311

* • • .220

' * % • 111. Й.

В=(?12|

Рис. 3 - ПЭМ-изображение и дифрактограммы НК 81 с различной кристаллографической ориентацией оси роста: (а) <110>, (б) <331>, (в) <210>, (г) <531>. [16]

0.5

0.4

о.з

0.2

0.1

0.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

£>, пт

Рис. 4 - Экспериментальная зависимость скорости роста нанокристаллов ваАБ от диаметра капли. Метод выращивания: МПЭ на поверхности ваАБ ( 1 1 1)В с золотом в качестве катализатора [63].

использованием Au в качестве металла-катализатора на поверхностях GaAs( I I Т)В.

На рис. 5а и 56 приведены экспериментальные зависимости L(d), а также результаты расчетов по формулам диффузионной модели. Видно, что в обоих случаях взаимосвязь удлинения и диаметра НК характеризуется обратной квадратичной зависимостью типа (1/d) .

Кажущееся противоречие в характере наблюдаемых зависимостей скорости роста НК от диаметра было устранено в работе Фреберга JI.E. [62], и продемонстрированно в работах Дубровского В.Г. [58]. Авторами был рассмотрен обобщенный механизм роста нанокристаллов при наличие как поверхностной диффузии, так и с учетом влияния эффекта Гиббса-Томсона применительно к НК InAs, выращиваемых методом химической газофазной эпитаксии молекулярным пучком (MOCVD). Анализ показал, что зависимость скорости роста НК (V=dL/dt) от диаметра имеет вид экстремальной функции с одним максимумом (рис. 6). Показано, что в области малых диаметров кристаллов рост лимитирован влиянием эффекта Гиббса-Томсона, и длина НК увеличивается при увеличении диаметра. Начиная с некоторого диаметра, рост контролируется диффузией адатомов и зависимость L(d) переходит в представленную авторами в работах [60, 61]. Максимум достигается в результате равенства вкладов эффекта Гиббса-Томсона и поверхностной диффузии. Минимальный радиус, при котором возможен эпитаксиальный рост НК, авторы определяют как

_ 2<r¿Q sin Р m'n ~ (4)

где gl - поверхностная энергия жидкость-газ; (3 - краевой угол смачивания; Т - температура, К; Q — элементарный объем атома, к - постоянная Больцмана.

Рис. 5 - Экспериментальные (точки) и теоретические (линии) зависимости длины НК АЮаАэ [60] (а) и ваАБ [61] (б) от диаметра. Штриховая линия — зависимость 1<1/, сплошная линия — расчетная кривая при диффузионном механизме роста. На вставке — РЭМ-изображение соответствующих образцов.

6000

5000

.= 4000 о

2 3000

о м

SÚ

с

о

2000

1000

50 75 100 125 150 175 200 Diameter of nanowire, nm

3500

в 3000

с:

о = 2500

£

о с 2000

tí

о 1500

■5

оо с 1000

л

500

100 200 300 400 Diameter of nanowire, nm

сл

J

2 3 #ч

<D

CO s—

-C

I 2

-C

•I—>

toO

с

<D

о 1

u. О

с

<73 Z 0

- 1 1 1 1

- т \ Diffusion

i ( \* /

- Gibbs-Thomson

^min itii

0 20 40 60 80 Nanowire diameter, nm

Рис. 6 - Зависимость длины от диаметра НК InAs, полученных методом MOCVD с Au-катализатором на поверхности InAs(lll)B. Точки -экспериментальные данные, линия аппроксимация. По данным [62].

Для НК InAs, полученные Фребергом Л.Е. с сотр. [62] методом MOCVD с Au-катализатором на поверхности InAs(lll)B, минимальный радиус равен ~ 8нм, а максимум зависимости L(d) достигается в диапазоне 28-32 нм. Можно полагать, что большинство полученных кинетических результатов для других материалов и ростовых систем должны укладываться в схему, аналогичную зависимости на рис. 6.

Известно, что для нанометровых размеров частиц на фронте кристаллизации резко понижается пересыщение раствора (эффект Кельвина), которое может стать причиной того, что кристаллы, вообще, не вырастут. Как показано в работах Небольсина В.А. и Щетинина A.A. [66-69], для обеспечения роста НК, в этом случае, необходимо повысить выход реакции выделения кристаллизуемого материала (Si или др.) в газовой фазе и вклада на границе жидкость-газ, например, увеличением температуры процесса. Слишком большие размеры частиц катализатора приводят к тому, что капля не поднимается над ростовой подложкой, что обусловлено увеличением гравитации в равновесие поверхностных сил на границе раздела трех фаз.

К сожалению, в литературе практически не обсуждается вопросы: чем определяются предельные значения радиусов (диаметров) НК Si, при превышении которых рост кристаллов будет отсутствовать? При каких критических условиях капля катализатора способна разбиваться на отдельные более мелкие капли, инициируя рост ветвящихся кристаллов? Авторами почти не обсуждается также вопрос о влиянии размеров частиц растворителя на изменение растворимости в нем других веществ.

Таким образом, задача перевода технологий НК с исследовательского уровня на промышленный к настоящему времени не решена. Для ее решения, в первую очередь, требуется: установить влияние природы и размеров частиц катализатора на скорость роста НК, определить критические параметры роста, установить вклад линейного натяжения границы трех фаз в термодинамику процесса кристаллизации и т.д.

1.2 Влияние технологических факторов процесса синтеза на ростовые параметры НК

Совокупность технологических факторов процесса синтеза НК определяет их ростовые (скорость роста), морфологические (аспектное отношение, конусность и ветвление) и структурные (тип решетки, наличие дислокаций, создание гетеропереходов и др.) характеристики. Главными технологическими факторами синтеза эпитаксиальных НК полупроводников, определяющими ход процесса и конечный результат, являются: температура, время роста, чистота и концентрация компонентов в газовой фазе, а также общее газофазное давление в системе.

Анализ литературы показывает, что изменение температуры процесса роста НК, выращиваемых различными методами (ГФЭ [69, 70, 71, 72], МПЭ [73, 74, 75] и др.) всегда приводит к изменению скорости роста [76, 77, 78] кристаллов. Кривая зависимости скорости роста РЖ от температуры характеризуется наличием максимума (рис. 7). Присутствие нижней границы температуры роста НК обусловлено температурой плавления частицы-катализатора, а для методов химического газофазного осаждения еще и температурой активации химической реакции. Увеличение же скорости роста связывается с увеличением скорости диффузии атомов в капле-катализаторе, а наличие верхнего температурного предела - с уменьшением эффективного пересыщения в капле и начала интенсивной кристаллизации по механизму пар-кристалл [76]. Следует отметить, что температурные диапазоны роста зависят от используемого метода выращивания НК и существенно различаются для всего разнообразия материалов.

В МПЭ методах синтеза НК температурные диапазоны роста кристаллов составляет примерно 400-600 °С [70, 77, 78]. В ГФЭ методах, как отмечалось выше, диапазон температурного роста определяется температурными характеристиками химической реакции. При использовании методов разложения силана (ЗШД температуры роста составляют порядка

550-650 °С [10-22], а для методик синтеза с использованием тетрахлорида кремния (81С14) или трихлорсилана (БШСЬ) - 900-1200 °С [56, 79]. Также известны методы синтеза НК карбида кремния (81С), температура формирования которых начинается с 1300 °С [80, 81]. В таблице 2 [82] сведены некоторые данные по методам, материалам и температурам синтеза НК.

Таблица 2 [82] - Сопоставление методов и материалов синтеза НК

NW material Source Metal catalyst Growth process'31

Si SiCU Au CVD

Si SiCl4 Au, Ag, Cu, Pt CVD

Si, Ge SiH„ GeH* Au CVD

Si SiH, Au CVD

Si, Ge Fe, Si/Fe, Ge/Fe PLD

Si Si2H6 Au CBE

GaAs GaAs/Au Au PLD

InP InP/Au Au PLD

CdSe CdSe/Au Au PLD

Si Si Ga microwave plasma

GaAs Et3Ga, Bu3As Au CBE

ZnO ZnO, С Au evaporation

Si Si Au MBE

Si SiO Au evaporation

Si silyl radicals Ga microwave plasma e

Si SiH* or SiH2Cl2 Ti CVD

GaAs/GaP GaAs/GaP Au PLD

GaAs/lnAs Me3Ga, Bu3As, Me3ln Au CBE

Si/SiGe sicu Au Si: CVD; Ge: PLD

[a] PLD: pulsed laser deposition; СВЕ: chemical beam epitaxy.

Температура процесса роста НК, помимо непосредственного влияния их на скорость роста, определяет некоторые морфологические характеристики кристаллов. Так в работе [83] установлено увеличение диаметра НК \\^хОу с 10 до 100 нм при увеличении температуры процесса синтеза с 860°С до 1000°С (рис. 8). Аналогичные зависимости установлены в работах [11, 58].

5 с

а

*

О н О

1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1000/Г, 1/К

2.0

С 1.3

В

я

и ^

1 1.0 ы)

п я

II

в

| 0.5

I-Н1—I

_|_._1_

0

340 360 380 400 420 440 ТетрегаШге, °С

а) б)

Рис. 7 - Температурная зависимость скорости роста КОС: а) ва8, ваР, ЫАб в методе ГФЭ [70]; б) 1пАз в методе МПЭ [74]

1000975 950 925 900 880 8е0гс>

0.80 0.82 0.84 0.86,0.88 0.9 1000/Твоигсо(К )

Рис. 8 - ПЭМ изображение НК при различных температурах синтеза: (а) 900, (Ь) 925, (с) 950, (ё) 975 и (е) 1000 °С. (0 - зависимость среднего диаметра НК от температуры синтеза [83]

Помимо температуры процесса синтеза НК, изменение скорости роста кристаллов, наблюдается при изменении общего давления в реакторе системы [36, 48, 84]. В работе Симона Хейке с соавторами [36], выращивали НК ZnO в условиях различного давления газофазной смеси (рис. 9). Авторы сообщают, что длина кристаллов после 20 минут роста составила 6,5 мкм и 42 мкм при содержании кислорода 40 и 80 ррш соответственно. Однако увеличение объемной доли 02 в смеси газов до 2000 ррш приводит к окислению графита в источнике смеси, и как следствие отсутствию роста НК.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Завалишин, Максим Алексеевич, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Heterojunction silicon microwire solar cells / M. Gharghi, E. Fathi, B. Kante et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №12. - P.6278-6282.

2. Observation of ID behavior in Si nanowires: toward highperformance TFETs / R.B. Salazar, S.R. Mehrotra, G. Klimeck et al. // Nano Lett. -2012. -Vol.12, №11. -P.5571-5575.

3. Carrier dynamics in Si nanowires fabricated by metal-assisted chemical etching / H. Tang, L. Zhu, L. Zhao et al. // ACS Nano. - 2012. - Vol.6, №9. -P.7814-7819.

4. Current saturation in field emission from H-passivated Si nanowires / M. Choueib, R. Martel, C.S. Cojocaru et al. // ACS Nano. - 2012. - Vol.6, №8. -P.7463-7471.

5. A general approach toward shape-controlled synthesis of silicon nanowires / W. Molnar, A. Lugstein, P. Pongratz et al. // Nano Lett. - 2013. -Vol.13, №l.-P.21-25.

6. Shin, N. Controlling silicon nanowire growth direction via surface chemistry / N. Shin, M.A. Filler // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №6. P.2865-2870.

7. Tuning the electro-optical properties of germanium nanowires by tensile strain / J. Greil, A. Lugstein, C. Zeiner et al. // Nano Lett. - 2012. -Vol.12, №12. - P.6230-6234.

8. Large electroabsorption susceptibility mediated by internal photoconductive gain in Ge nanowires / H. Lee, C. Kim, D. Lee et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №11. - P.5913-5918.

9. Inherent control of growth, morphology, and defect formation in germanium nanowires / S. Biswas, A. Singha, M.A. Morris, J.D. Holmes // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №11. - P.5654-5663.

10. Spontaneous nucleation and growth of GaN nanowires: the fundamental role of crystal polarity / S. Fernández-Garrido, X. Kong, T. Gotschke, R. Calarco et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №12. - P.6119-6125.

11. Crawford, S. Fundamental insights into nanowire diameter modulation and the liquid/solid interface / S. Crawford, S.K. Lim, S. Gradecak // Nano Lett. - 2013. - Vol.13, №1. - P.226-232.

12. Self-assembled GaN nanowires on diamond / F. Schuster, F. Furtmayr, R. Zamani et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №5. - P.2199-2204.

13. Noncontact measurement of charge carrier lifetime and mobility in GaN nanowires / P. Parkinson, C. Dodson, H.J. Joyce et al. // Nano Lett. - 2012. -Vol.12, №9. -P.4600-4604.

14. Coaxial group Ill-nitride nanowire photovoltaics / Y. Dong, B. Tian, T.J. Kempa, C.M. Lieber // Nano Lett. - 2009. - Vol.9, №5. - P.2183-2187.

15. Growth of GaP nanotree structures by sequential seedingof ID nanowires / K.A. Dick, K.Deppert, T. Martensson et al. // J. of Crystal Growth. -2004. - Vol.272. - P. 131-137.

16. Manipulated growth of GaAs nanowires: controllable crystal quality and growth orientations via a supersaturation-controlled engineering process / N. Han, F. Wang, J.J. Hou et al. // Cryst. Growth Des. - 2012. - Vol.12, №12. -P.6243-6249.

17. High-density, defect-free, and taper-restrained epitaxial GaAs nanowires induced from annealed Au thin films / H. Xu, Y. Wang, Y. Guo et al. // Cryst. Growth Des. - 2012. - Vol.12, №4. - P.2018-2022.

18. A story told by a single nanowire: optical properties of wurtzite GaAs / L. Ahtapodov, J. Todorovic, P. Oik et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №12. -P.6090-6095.

19. Evidence for structural phase transitions induced by the triple phase line shift in self-catalyzed GaAs nanowires / X. Yu, H. Wang, J. Lu et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №10. - P.5436-5442.

20. Vertically aligned GaAs nanowires on graphite and few-layer graphene: generic model and epitaxial growth / A.M. Munshi, D.L. Dheeraj, V.T. Fauske et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №9. - P.4570-4576.

21. High quality GaAs nanowires grown on glass substrates / V. Dhaka, T. Haggren, H. Jussila et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №4. - P. 1912-1918.

22. Plante, M.C. Au-assisted growth of GaAs nanowires by gas source molecular beam epitaxy: tapering, sidewall faceting and crystal structure / M.C. Plante, R.R. LaPierre // J. of Crystal Growth. - 2008. - Vol.310, №2. - P.356-363.

23. Defect-free <110> zinc-blende structured InAs nanowires catalyzed by palladium / H. Xu, Y. Wang, Y. Guo et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №11. -P.5744-5749.

24. Novel growth phenomena observed in axial InAs/GaAs nano wire heterostructures / M. Paladugu, J. Zou, Y.N. Guo et al. // Small. - 2007. Vol.3, №11.-P. 1873-1877.

25. Evolution of InAs branches in InAs/GaAs nanowire heterostructures / M. Paladugu, J. Zou, G. J. Auchterlonie et al. // Applied Physics Letters. - 2007. -Vol.91.-P.133115(3).

26. InAs/InP radial nanowire heterostructures as high electron mobility devices / X. Jiang, Q. Xiong, S. Nam // Nano Lett. - 2007. - Vol.7, №10. -P.3214-3218.

27. Diameter limitation in growth of Ill-Sb containing nanowire heterostructures / M. Ek, B.M. Borg, J. Johansson, K.A. Dick// ACS Nano. -2013. - Vol.7, №4. - P.3668-3675.

28. Electrical spin injection into InN semiconductor nanowires / S. Heedt, C. Morgan, K. Weis et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №9. - P.4437-4443.

29. Nanoscale Imaging of InN Segregation and Polymorphism in Single Vertically Aligned InGaN/GaN Multi Quantum Well Nanorods by Tip-Enhanced

Raman Scattering / E. Poliani, M.R. Wagner, J.S. Reparaz et al. // Nano Lett. -2013, - V.13, №7. -P.3205-3212.

30. Band Engineering in Strained GaN/ultrathin InN/GaN Quantum Wells / W. Lin, D. Benjamin, S. Li // Cryst. Growth Des. - 2009. V.9, №4. -P. 1698-1701.

31. P-Type InN Nanowires / S. Zhao, B.H. Le, D.P. Liu et al. // Nano Lett. - 2013. - V.13, №11. - P.5509-5513.

32. From InSb nanowires to nanocubes: looking for the sweet spot / S.R. Plissard, D.R. Slapak, M.A. Verheijen et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №4. -P. 1794-1798.

33. Теплопроводность ультратонких полупроводниковых нанопроволок InSb со свойствами латтинжеровой жидкости / Ю.А. Кумзеров, И.А. Смирнов, Ю.А. Фирсов и др. // Физика твердого тела. - 2006. -Т.48, №8. - С. 1498-1503.

34. Spontaneous periodic diameter oscillations in InP nanowires: the role of interface instabilities / D.S. Oliveira, L.H.G. Tizei, D. Ugarte, M.A. Cotta // Nano Lett. - 2013. - Vol.13, №1, -P.9-13.

35. Synthesis and properties of semiconducting iron pyrite (FeS2) nanowires / M. Caban-Acevedo, M.S. Faber, Y. Tan et al. // Nano Lett. - 2012. -Vol.12, №4.-P. 1977-1982.

36. Metal-seeded growth mechanism of ZnO nanowires / H. Simon, T. Krekeler, G. Schaan, W. Mader // Cryst. Growth Des. - 2013. - Vol.13, №2. -P.572-580.

37. Length versus radius relationship for ZnO nanowires grown via vapor phase transport / R.B. Saunders, S. Garry, D. Byrne et al. // Cryst. Growth Des. -2012. - Vol.12, №12. - P.5972-5979.

38. Single crystal kinked ZnO [001] and [110] nanowires: synthesis, characterization, and growth/kinking mechanism / P. Bao, R. Zheng, S. Du et al. // Cryst. Growth Des. - 2012. - Vol. 12, №6 - P.3153-3157.

39. Crystal-growth process of single-crystal-like mesoporous ZnO through a competitive reaction in solution / E. Hosono, T. Tokunaga, S. Ueno et al. // Cryst. Growth Des. -2012. - Vol.12, №6. -P.2923-2931.

40. Jiang, C. Shear modulus property characterization of nanorods / C. Jiang, W. Lu, J. Song // Nano Lett. - 2013. - Vol. 13, №1. - P. 111-115.

41. Controlling the position and orientation of single silver nano wires on a surface using structured optical fields / Z. Yan, J. Sweet, J.E. Jureller et al. // ACS Nano. - 2012. - Vol.6, №9. - P.8144-8155.

42. Forest of gold nanowires: a new type of nanocrystal growth / J. He, Y. Wang, Y. Feng et al. // ACS Nano. - 2013. - Vol.7, №3. - P.2733-2740.

43. Ultrathin Au nanowires and their transport properties / C. Wang, Y. Ни, C.M. Lieber, S. Sun // J. Am. Chem. Soc. - 2008. - Vol.130, №28. - C.8902-8903.

44. Observation of superconductivity in single crystalline Bi nanowires / Z. Ye, H. Zhang, H. Liu et al. // Nanotechnology. - 2008. - Vol.19. -P.085709(5).

45. Spray-coating route for highly aligned and large-scale arrays of nanowires / O. Assad, A.M. Leshansky, B. Wang et al. // ACS Nano. - 2012. -Vol.6, №6. - P.4702-4712.

46. GaP/GaAsP/GaP core-multishell nanowire heterostructures on (111) silicon / P.K. Mohsenil, C. Maunders, G.A. Botton, R.R. LaPierre // Nanotechnology. - 2007. - Vol.18. - P.445304(6).

47. Polymorphism of GeSbTe superlattice nanowires / C.S. Jung, H.S. Kim, H.S. Im et al. // Nano Lett. - 2013. - Vol.13, №2. - P.543-549.

48. Metal organic chemical vapor deposition of phase change GeiSb2Te4 nanowires / M. Longo, R. Fallica, C. Wiemer // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №3. - P.1509-1515.

49. Диффузионный механизм роста нановискеров GaAs и AlGaAs в методе молекулярно-пучковой эпитаксии / Г.Э. Цырлин, В.Г. Дубровский,

Н.В. Сибирев и др. // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Т.39, №5. - С.587-594.

50. Electrical probing of magnetic phase transition and domain wall motion in single-crystalline Mn5Ge3 nanowire / J. Tang, C.Y. Wang, W. Jiang et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №12. - P.6372-6379.

51. Самосогласованная модель роста и кристаллической структуры нитевидных нанокристаллов с учетом диффузии адатомов / М.В. Назаренко, Н.В. Сибирёв, В.Г. Дубровский // Журнал технической физики. - 2011. -Т.81, №2. - С.153-156.

52. Особенности картин электронной дифракции нитевидных нанокристаллов GaAs, выращенных на подложках Si (100) и (111) методом молекулярно-пучковой эпитаксии / И.П. Сошников, Г.Э. Цырлин, А.А. Тонких и др. // Физика твердого тела. - 2007. - Т.49, №8. - С. 1373-1377.

53. Glas, F. Why does wurtzite form in nanowires of III-V zinc blende semiconductors? / F. Glas, J.C. Harmand, G. Patriarche // Physical Review Letters. - 2007. - Vol.99. - P. 146101 (4).

54. Leitsmanna, R. Surface influence on stability and structure of hexagon-shaped III-V semiconductor nanorods / R. Leitsmanna, F. Bechstedt // J. Of Applied Physics. - 2007. - Vol.102. -P.063528(8).

55. Schmidt V. Diameter-dependent growth direction of epitaxial silicon nanowires / V. Schmidt, S. Senz and U. Gosele // Nano Lett. - 2005. - Vol.5, №5. -P.931-935.

56. Гиваргизов Е.И. Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара / Е.И. Гиваргизов. - М.: Наука, 1977. - 304с.

57. Wagner R.S. Vapour-Liquid-Solid Mechanism of Single Crystal Growth / R.S. Wagner, W.C. Ellis // Appl. Phys. Lett. - 1964. - Vol.4, №5. -P.89-90.

58. Дубровский В.Г. Полупроводниковые нитевидные нанокристаллы: синтез, свойства, применения / В.Г. Дубровский, Г.Э Цырлин, В.М. Устинов // ФТП. - 2009. - Т.43, №12. - С.1585-1628.

59. Свойства нановискеров GaAs на поверхности GaAs(lll)B, полученных комбинированным методом / A.A. Тонких, Г.Э. Цырлин, Ю.Б. Самсоненко, И.П. Сошников и др. // ФТП. - 2004. - Т.38, №10. - С. 12561260.

60. О роли поверхностной диффузии адатомов при формировании нанометровых нитевидных кристаллов / В.Г. Дубровский, Н.В. Сибирев, P.A. Сурис, Г.Э. Цырлин и др. // ФТП. - 2006. Т.40, №9. - С.1103-1110.

61. Diffusion-controlled growth of semiconductor nanowires: vapor pressure versus high vacuum deposition / V.G. Dubrovskii, N.V. Sibirev, R.A. Suris, G.E. Cirlin et al. // Surf. Sei. - 2007. Vol.601, №18. - P.4395-4401.

62. Diameter-dependent growth rate of InAs nanowires / L.E. Froberg, W. Seifert, J. Johansson // Phys. Rev. B. - 2007. - Vol.76, №15. - P. 153401(4).

63. Кинетическая модель роста нанометровых нитевидных кристаллов по механизму «пар-жидкость-кристалл» / В.Г. Дубровский, Н.В. Сибирев, Г.Э. Цырлин // Письма ЖТФ. - 2004. - Т.ЗО, №16. - С.41-50.

64. Фисенко С.П. Нуклеация в каталитической нанокапле и рост нановолокон / С.П. Фисенко, Ф.Н. Боровик // ЖТФ. - 2009. - Т.79, №2. -С.83-89.

65. Гиваргизов Е.И. Скорость роста нитевидных кристаллов по механизму пар-жидкость-кристалл и роль поверхностной энергии / Е.И. Гиваргизов, A.A. Чернов // Кристаллография. - 1973. - Т. 18. - С. 147-153.

66. Диффузионный механизм роста нановискеров GaAs и AlGaAs в методе молекулярно-пучковой эпитаксии / Г.Э. Цырлин, В.Г. Дубровский, Н.В. Сибирев и др. // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Т.39, №5. - С.587-594.

67. Влияние природы металла-растворителя на скорость роста нитевидных кристаллов кремния / В.А. Небольсин, A.A. Щетинин, A.A. Долгачев, В.В. Корнеева // Неорганические материалы. - 2005. - Т.41, №12. - С.1425-1428.

68. Небольсин, В.А. Механизм квазиодномерного роста нитевидных кристаллов Si и GaP из газовой фазы / В.А. Небольсин, А.А. Щетинин // Неорганические материалы. - 2008. - Т.44, №10. - С. 1159-1167.

69. Growth and optical properties of nanometerscale GaAs and InAs whiskers / K. Hiruma, M. Yazawa, T. Katsuyama, et al. // J. Appl. Phys. - 1995. Vol77, №2. - P.447^462.

70. Growth of one-dimensional nanostructures in MOVPE / W. Seifert, M. Borgstrom, K. Deppert et al. // J. Ciyst. Growth. - 2004. Vol.272, №1-4. P.211-220.

71. Surface diffusion effects on growth of nanowires by chemical beam epitaxy / A.I. Persson, L.E. Froberg, S. Jeppesen at al. // J. Appl. Phys. - 2007. -Vol.101, №3. - P.034313(6).

72. Size- and shape-controlled GaAs nano-whiskers grown by MOVPE: a growth study / M. Borgstrom, K. Deppert, L. Samuelson, W. Seifert. // J. Cryst. Growth. - 2004. - Vol.260, №1-2. - P. 18-22.

73. GaAs nanowires formed by Au-assisted molecular beam epitaxy: Effect of growth temperature / J.C. Harmand, M. Tchernycheva, G. Patriarche, L. Travers, F. Glas, G. Cirlin. // J. Cryst. Growth. - 2007. - Vol.301-302. - P.853-856.

74. A3B5 нитевидные кристаллы нанометрового диапазона для микро- и оптоэлектронных приложений / Г.Э. Цырлин, М. Tchernycheva, С. Sartel, J. Patriarche и др. // X Межд. симп. «Нанофизика и наноэлектроника» - Н. Новгород, ИФМ РАН, 2007. - С. 187-190.

75. Некоторые особенности формирования нанометровых нитевидных кристаллов на подложках GaAs (100) методом МПЭ / И.П. Сошников, А.А. Тонких, Г.Э. Цырлин и др. // Письма в ЖТФ. - 2004. - Т.30, №18. - С.28-35.

76. Cui Y. Functional nanoscale elevtronic devices assembled using silicon nanowire bulding blocks / Y. Cui, C.M. Lieber // Science. - 2001. -Vol.91, №5505. - P.851-853.

77. Sawtooth Faceting in Silicon Nanowires / F.M. Ross, J. Tersoff, M.C. Reuter // Phys. Rev. Lett. - 2005. - Vol.95, №14. - P. 146104(4).

78. Binary alloy phase diagrams / 2nd edn, ed. by T.B. Massalski - ASM Int. Metals Park, Ohto. - 1990. - Vol.1. -P.369.

79. Чернов A.A. О механизме роста кристаллов при химических реакциях (система Si-H-Cl) / A.A. Чернов, Н.С. Папков // Кристаллография. - 1977.-Т.22,№1.- С.35-43.

80. Шевченко С.А. О механизме образования нитевидных кристаллов карбида кремния в высокотемпературном потоке реагентов / С.А. Шевченко, С.М. Павлов // Кристаллография. - 1981. - Т.26, №1. -С.223-224.

81. Верхотуров А.Д. Получение нитевидных кристаллов карбида кремния / А.Д. Верхотуров, Н.В. Лебухова // Перспективные материалы. -1998. - №5. - С.63-65.

82. Fan, H.J. Semiconductor Nanowires: from self-organization to patterned growth / H.J. Fan, P. Werner, M. Zacharias // Small. - 2006. Vol.2, №6. -P.700-717.

83. Diameter control of tungsten oxide nanowires as grown by thermal evaporation / K. Hong, M. Xiel, R. Ни, H. Wu // Nanotechnology. - 2008. -Vol.19. -P.085604-1-5.

84. Controlled modulation of diameter and composition along individual III-V nitride nanowires / S.K. Lim, S. Crawford, G. Haberfehlner, S. Gradecak // Nano Lett. - 2013. - Vol.13, №2. - P.331-336.

85. Vertical epitaxial wire-on-wire growth of Ge/Si on Si(100) substrate / T. Shimizu, Z. Zhang, S. Shingubara et al. // Nano Lett. - 2009. - Vol.9, №4. -P.1523-1526.

86. Giridharagopal R. Substrate-dependent properties of polydiacetylene nanowires on graphite and MoS2 / R. Giridharagopal, K.F. Kelly // ACS Nano. -2008. - Vol.2, №8. - P.1571-1580.

87. Growth of horizonatal ZnO nanowire arrays on any substrate / Y. Qin, R. Yang, Z.L. Wang // J. Phys. Chem. C. - 2008. - Vol.112, №48. -P. 18734-18736.

88. Metal-seeded growth mechanism of ZnO nanowires / H. Simon, T. Krekeler, G. Schaan, W. Mader // Cryst. Growth Des. - 2013. - Vol.13, №2. -P.572-580.

89. Unconventional growth mechanism for monolithic integration of III-V on silicon / K.W. Ng, W.S. Ko, T.D. Tran et al. // ACS Nano. -2013. - Vol.7, №1.-P. 100-107.

90. Diameter limitation in growth of III-Sb-containing nanowire heterostructures / M. Ek, B.M. Borg, J. Johansson, K.A. Dick // ACS Nano. -2013. - Vol.7, №4. - P.3668-3675.

91. Polarization tunable, multicolor emission from core-shell photonic III-V semiconductor nanowires / S. Mokkapati, D. Saxena, N. Jiang et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №12. - P.6428-6431.

92. Controlling the abruptness of axial heterojunctions in III-V nanowires: beyond the reservoir effect / K.A. Dick, J. Bolinsson, B.M. Borg, J. Johansson // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №6. - P.3200-3206.

93. Molecular beam epitaxy growth of GaAs/InAs core-shell nanowires and fabrication of InAs nanotubes / T. Rieger, M. Luysberg, T. Schapers et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №11.- P.5559-5564.

94. Aharonovich, I. Growth of SiOx nanowires by laser ablation / I. Aharonovich, S. Tamir, Y. Lifshitz // Nanotechnology. - 2008. - Vol.19. -P.065608(8).

95. Oxide shell assisted vapor-liquid-solid growth of periodic composite nanowires - a case of Si/Sn / H. Wang, X.H. Zhang, C.S. Lee at al. // ACS Chem. Mater. - 2007. - Vol.19, №23. - P.5598-5601.

96. Diameter control of tungsten oxide nanowires as grown by thermal evaporation / K. Hong, M. Xie, R. Hu, H. Wu et al. // Nanotechnology. - 2008. -Vol.19.-P.085604(5).

97. Strategies to control morphology in hybrid group III-V/group IV heterostructure nanowires / K. Hillerich, K.A. Dick, C.Y. Wen et al. // Nano Lett. - 2013. - Vol.13, №3. - P.903-908.

98. Elastic strain relaxation in axial Si/Ge whisker heterostructures / M. Hanke, C. Eisenschmidt, P. Werner et al. // Phys. Rev. B. - 2007. Vol.75. -P.161303(4).

99. Effects of surface chemical structure on the mechanical properties of Sil-xGex nanowires / J.W. Ma, W.J. Lee, J.M. Bae et al. // Nano Lett. - 2013.-Vol.13, №3.-P.l 118-1125.

100. Physical mechanism of surface roughening of the radial Ge-core/Si-shell nanowire heterostructure and thermodynamic prediction of surface stability of the InAs-core/GaAs-shell nanowire structure / Y.Y. Cao, G. Ouyang, C.X. Wang, G.W. Yang//Nano Lett. - 2013. - Vol.13, №2. -P.436-443.

101. Markussen, T. Surface disordered Ge-Si core-shell nanowires as efficient thermoelectric materials / T. Markussen // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №9. - P.4698-4704.

102. Diameter-controlled growth of single-crystalline ln203 nanowires and their electronic properties / C. Li, D.H. Zhang, S. Han, X.L. Liu et al. // Adv. Mater.-2003.-Vol.15, №2.-P.143-146.

103. Control of current saturation and threshold voltage shift in indium oxide nanowire transistors with femtosecond laser annealing / C. Lee, P. Srisungsitthisunti, S. Park, S. Kim et al. // ACS Nano. - 2011. - Vol.5, №2. -P.1095-1101.

104. Direct integration of metal oxide nanowire in vertical field-effect transistor / P. Nguyen, H.T. Ng, T. Yamada, M.K. Smith et al. // Nano Lett. -2004. - Vol.4, №4. - P.651-657.

105. Data storage studies on nanowire transistors with self-assembled porphyrin molecules / C. Li, J. Ly, B. Lei, W. Fan et al. // J. Phys. Chem. B. -2004. - Vol. 108, №28. - P.9646-9649.

106. Charge storage behavior of nanowire transistors fimctionalized with Bis (terpyridine)-Fe(II) molecules: dependence on molecular structure / C. Li, W. Fan, D.A. Straus, B. Lei et al. // J. Am. Chem. Soc. - 2004. - Vol.126, №25. -P.7750-7751.

107. Coaxial metal-silicide Ni2Si/C54-TiSi2 nanowires / C.Y. Chen, Y.K. Lin, C.W. Hsu et al. //Nano Lett. -2012. - Vol.12, №5. - P.2254-2259.

108. Controllable electrical properties of metal-doped 1п2Оз nanowires for high-performance enhancement-mode transistors / X. Zou, X. Liu, C. Wang et al. // ACS Nano. - 2013. - Vol.7, №1. - P.804-810.

109. Room temperature nonlinear transport in ballistic nanodevices / T. Gonz'alez, B.G. Vasallo, D.Pardo, J. Mateos // Semicond. Sci. Technol. - 2004. -Vol.9, №4. - P.S125-S127

110. Hirayama Y. High temperature ballistic transport observed in AlGaAs/InGaAs/GaAs small four-terminal structures / Y. Hirayama, S. Tarucha // Appl. Phys. Lett. - 1993. - Vol.63, №17. - P.2366.

111. United States Patent No.: US 7,576,353 B2 Aug. 18, 2009.

112. Xu H.Q. Electrical properties of three-terminal ballistic junctions / H.Q. Xu // Appl. Phys. Lett. - 2001. - Vol.78, №14. - P.2064-2066.

113. Electrical properties of self-assembled branched InAs nanowire junctions / D.B. Suyatin, J. Sun, A. Fuhrer et al. // Nano Lett. - 2008. - Vol.8, №4.-P.l 100-1104.

114. Nanoelectronic devices with self-assembled branched InAs nanowires / D.B. Suyatin, J. Sun, A. Fuhrer et al. // International Conference on One-dimensional Nanomaterials: Proceedings of Second International Conference. - Malrno, Sweden. - 2007. -P.63.

115. Fabrication and electron transport study of three-terminal InAs nanowire junctions // D.B. Suyatin, D. Wallin, L.E. Frôberg et al. // Nanostructures: physics and technology: Proceedings of 14-th International Conference. - Санкт-Петербург, Россия. - 2006. - C.228-229.

116. Amato, M. Electron transport in SiGe alloy nanowires in the ballistic regime from first-principles / M. Amato, S. Ossicini, R. Rurali // Nano Lett. -2012. - Vol. 12. - P.2717-2721.

117. Large thermoelectric figure of merit in Si]-xGex nanowires / L. Shi, D. Yao, G. Zhang, B. Li // Appl. Phys. Lett. - 2010. - Vol.96. - P. 173108.

118. Photoactive memory by a Si-nanowire field-efect transistor / C.J. Kim, S.J. Choi, J.H. Ahn et al. // ACS Nano. - 2012. - Vol.6, №2. - P. 14491454.

119. Multicolor silicon light-emitting diodes (SiLEDs) / F. Maier-Flaig, J. Rinck, M. Stephan et al. // Nano Lett. - 2013. - Vol.13, №2. - P.475-480.

120. Colorful InAs nanowire arrays: from strong to weak absorption with geometrical tuning / P.M. Wu, N. Anttu, H.Q. Xu, et al. // Nano Lett. - 2012. -Vol.12, №4. - P. 1990-1995.

121. Nanoimprinted polymer solar cell / Y. Yang, K. Mielczarek, M. Aryal et al. // ACS Nano. - 2012. Vol.6, №4. - P.2877-2892.

122. Three-dimensional core-shell hybrid solar cells via controlled in situ materials engineering / G. Mariani, Y. Wang, P-Sh. Wong et al. // Nano Lett. -2012. - Vol.12, №7. - P.3581-3586.

123. Design principles for photovoltaic devices based on Si nanowires with axial or radial p-n junctions / J.D. Christesen, X. Zhang, Ch.W. Pinion et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol. 12, № 11. - P.6024-6029.

124. Hybrid silicon nanocone-polymer solar cells / S. Jeong, E.C. Garnett, S. Wang et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №6. - P.2971-2976.

125. Highly efficient charge separation and collection across in situ doped axial VLS-grown Si nanowire p-n junctions / A.D. Mohite, D.E. Perea, S. Singh et al. //Nano Lett. - 2012. Vol.12, №4. - P. 1965-1971.

126. Piezotronic Effect on the Sensitivity and Signal Level of Schottky Contacted Proactive Micro/Nanowire Nanosensors / C. Pan, R. Yu, S. Niu et al. // ACS Nano. - 2013. - Vol.7, №2. - P. 1803-1810.

127. Сажнев С.В. Применение нитевидных первичных преобразователей в термоконвективных газовых расходомерах / С.В. Сажнев, М.А. Фомичев, В.Н. Тимофеев // Нано- и микросистемная техника. - 2008. -№1. - С.39-43.

128. Silicon nanowires as chemical sensors / X.T. Zhou, J.Q. Ни, C.P. Li et al. // Chemical Physics Letters. - 2003. - Vol.369. - P.220-224.

129. Piezo-phototronic effect enhanced visible and ultraviolet photodetection using a ZnO-CdS core-shell micro/nanowire / F. Zhang, Y. Ding, Y. Zhang et al. // ACS Nano. - 2012. - Vol.6, №10. - P.9229-9236.

130. Exciton localization and optical properties improvement in nanocrystal-embedded ZnO core-shell nanowires / R. Chen, Q-L. Ye, T. He et al. // Nano Lett. - 2013. - Vol.13, №2. - P.734-739.

131. Single micro/nanowire pyroelectric nanogenerators as self-powered temperature sensors / Y. Yang, Y. Zhou, J.M. Wu et al. // ACS Nano. - 2012. -Vol.6, №9. -P.8456-8461.

132. Si nanowires forest-based on-chip biomolecular filtering, separation and preconcentration devices: nanowires do it all / V. Krivitsky, L. Hsiung, A. Lichtenstein at al. // Nano Lett. - 2012. Vol.12, №9. - P.4748^1756.

133. Patolsky F. Nanowire sensors for medicine and the life sciences / F. Patolsky, G. Zheng С. M. Lieber // Nanomedicine. - 2006. - Vol.1, №1. - P.51-65.

134. Full surface embedding of gold clusters on silicon nanowires for efficient capture and photothermal therapy of circulating tumor cells / G. Park, H. Kwon, D.W. Kwak et al. // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №3. - P.1638-1642.

135. Bias dependence of sub-bandgap light detection for core-shell silicon nanowires / Y. Zhou, Y. Liu, J. Cheng Y. Lo // Nano Lett. - 2012. - Vol.12, №11. -P.5929-5935.

136. Вагнер P. Рост кристаллов по механизму ПЖК/В кн.: Монокристальные волокна и армируемые ими материалы // Под ред. А.Т. Туманова. М.: Мир. - 1973. - С.42-117.

137. Кэмпбелл К. Выращивание нитевидных кристаллов посредством парофазных реакций / Монокристальные волокна и армированные ими материалы // Под ред. А.Т.Туманова. - М.: Мир. - 1973. - С. 11-41.

138. Елисеев С.Ю. Бинарные жидкие системы. Учебно-методическое пособие. - Мн.: КИИ МЧС РБ. - 2004. - С.28.

139. Химическая энциклопедия / М.: Советская энциклопедия. -1999. -Т.5 -С.280.

140. Рабинович В.А. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин / Л.: Химия. - 1977. - С.62,75.

141. Барил М.А. Газовые системы оборудования и производства полупроводниковых приборов и интегральных схем / М.А. Барил, В.К. Самойликов / М.: Энергия. - 1978. - С.112.

142. Небольсин В.А., Щетинин A.A. Рост нитевидных кристаллов / Воронеж: ВГУ. - 2003. - С.620.

143. Щетинин A.A. Исследование начальных стадий роста нитевидных кристаллов кремния через жидкие капли сплава медь-кремний /

A.A. Щетинин, А.И. Дунаев, О.Д. Козенков // Изв. вузов. Физика. - 1982. -№3.-С.111-112.

144. Механизм роста НК кремния на начальной стадии / A.A. Щетинин, Б.М. Даринский, О.Д. Козенков, В.А. Небольсин // Известия АН СССР. Неорган, матер. - 1990. - Т.26, №7. - С.1453-1457.

145. Воронков В.В. Процессы на границе фронта кристаллизации /

B.В. Воронков // Кристаллография. - 1974. - Т.19, №6. - С.922-929.

146. Татарченко В.А. Устойчивый рост кристаллов. М.: Наука. -1988.-240с.

147. Физические величины. Справочник: Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. / М.: Энергоатомиздат. - 1991. - 1232с.

148. Небольсин В.А. Роль поверхностной энергии при кристаллизации кремния по механизму пар-жидкость-кристалл / В.А. Небольсин, A.A. Щетинин // Неорган, матер. - 2003. - Т.39, №9. - С.899-903.

149. Бабак В.Г. Линейное натяжение в термодинамике тонких жидких пленок / В.Г. Бабак // Успехи химии. - 1992. - Т.61, №10. - С. 17771804.

150. Schmidt V. The shape of epitaxially grown silicon nanowires and the influence of line tension / V. Schmidt, S. Senz, U. Gosele // Appl. Phys. A. -2005. - V.80. - P.445-450.

151. Kodambaka S. Diameter-Independent Kinetics in the Vapor-Liguid-Solid Growth of Si Nanowires / S. Kodambaka, J. Tersoff, M.C. Reuter, F.M. Ross // Phys. Rev. Lett. - 2006. - V.96, №4. - P.096105.(l-4).

152. Кинетика роста нитевидных кристаллов кремния в реакторе с горячими стенками / В.А. Небольсин, А.А. Щетинин, Б.М. Даринский, Е.Е. Попова // Изв. вузов. Физика. - 1995. - №10. С.22-27.

153. Антипов Б.Л. Материалы электронной техники / М.: Высш. шк. -1990.-С.208.

154. Реньян В.Р. Технология полупроводникового кремния: Пер. с англ. / М.: Металлургия. - 1969. - С.365.

Лабораторный регламент получения систем эпитаксиальных нитевидных кристаллов кремния применительно к изготовлению тестового устройства охлаждения кристаллов микросхем

1 Цель лабораторного регламента

Целью лабораторного регламента является - определение порядка операций, позволяющих получить на кремниевой пластине эпитаксиальные НК 81 с заданной топологией расположения.

2 Порядок выполнения процесса

Внимание! Все работы с химическими реактивами выполняются в вытяжном шкафу. Попадание пыли и прочих загрязнений на исследуемую поверхность недопустимо!

1 Отмывка и сушка пластин в центрифуге

Данная операция проводится с целью отмывки и сушки пластин кремния в центрифуге.

Оборудование и оснастка.

Установка отмывки и сушки ЧПВС-0/1500-004, система получения суперчистой воды с рециркуляцией 114ВФ0, кассета рабочая с захватом, кассета межоперационная, мешок полиэтиленовый, пенал (гермотара, контейнер).

Материалы, комплектующие, полуфабрикаты.

Вода деионизованная марки А, азот газообразный, одежда и принадлежности технологические, синтетическое полотно нетканое клееное (200x250) мм, ткань х/б, арт. 225 (150x150) мм, спирт этиловый ректификованный, технический высший сорт.

Технологические режимы.

Таблица 1 - Режимы отмывки и сушки кремниевых пластин

Цикл Скорость вращения центрифуги, об./мин Время обработки, с

Отмывка 600 ± 60 60 ±6

Сушка 1000±100 120 ± 12

Порядок выполнения операций.

1 Открыть крышку центрифуги;

2 Поднять кассетодержатель центрифуги в горизонтальное положение с помощью подъемной рукоятки;

3 Установить кассету с пластинами в кассетодержатель с помощью ручки;

4 Плавно опустить кассетодержатель в вертикальное положение;

5 Подвести в позицию, удобную для загрузки, противоположный кассетодержатель;

6 Повторить п.п. 3-4 для других кассет.

Примечание. Разница в количестве пластин в противостоящих кассетах не должна превышать трех.

7 Закрыть крышку центрифуги;

8 Нажать кнопку «пуск - цикл» (при этом загорается сигнальная лампа «камера - закр»);

9 По истечении заданного времени обработки сигнальная лампа «камера-закр» гаснет;

10 Перевести тумблер режима в положение «выкл»;

11 Повторить переходы 8-9;

12 Поднять крышку центрифуги;

13 Поднять поочередно кассетодержатели в горизонтальное положение с помощью подъемной рукоятки и выгрузить кассеты с пластинами с помощью ручки-держателя;

14 Поместить кассеты с пластинами в межоперационную тару и передать на следующую операцию, заполнив сопроводительный лист;

15 По окончании работы перевести тумблеры рижима и питания в положение «выкл», протереть стол установки влажной салфеткой, смоченной деионизованной водой.

2 Обработка пластин в перекисно-аммиачном растворе

Данная операция выполняется с целью очистки поверхности кремниевых пластин в перекисно-аммиачной смеси.

Оборудование и оснастка.

Установка химической обработки, система получения суперчистой воды с рециркуляцией 114ВФ 0,5-1, блок транспортирования и подачи реактивов кассета рабочая с захватом, кассета межоперационная, мешок полиэтиленовый, мензурка, 500, термометр п 51 240 291, секундомер СОП пр-2а-2.

Материалы, комплектующие, полуфабрикаты.

Вода деионизованная марки А, одежда и принадлежности технологические, синтетическое полотно нетканое клееное (200x250) мм, ткань х/б, арт. 225 (150x150) мм, раствор перекисно-аммиачный.

Технологические режимы.

Таблица 2 - Режимы отмывки и сушки кремниевых пластин

Цикл Состав травителя Температура раствора, К Время обработки,с

Снятие поверхностного слоя и удаление загрязнений НЫ4ОН, н2о2, н2о 323± 2 600 ± 10

Порядок выполнения операций:

1 Подготовить установку к работе согласно инструкции по эксплуатации;

2 Выставить на тепловом реле температуру обработки согласно таблице 2;

3 Выставить на таймере время обработки в растворе согласно таблице

2;

4 Заполнить ванны раствором до метки;

5 Включить нагреватель ванны, переведя тумблер «пуск» в верхнее положение, при этом загорается зелёная лампа;

6 Провести обработку, выключить установку, выгрузить кассеты, слить растворы.

3 Напыление адгезионного слоя титана

Данная операция предназначена для напыления адгезионного слоя титана на предварительно очищенную пластину кремния. Оборудование и оснастка.

Установка электронно-лучевого напыления ВАК-501. Материалы, комплектующие, полуфабрикаты.

Аргон газообразный в.ч, азот газообразный 2/2, азот жидкий технический сорт 1, воздух сжатый '/г, ткань х/б арт. 225 (150x150) мм, мишень титановая В-7720.

Технологические режимы.

Толщина пленки Т1 50 нм, температура нагрева рабочей камеры 363 К,

п

предельный вакуум 10" Па.

Порядок выполнения операций:

1 Подготовку рабочего места и организацию трудового процесса осуществлять в соответствии с инструкцией;

2 Наладчику подготовить установку к работе согласно инструкции по эксплуатации;

3 Открыть краны подачи воды, сжатого воздуха на подводящих магистралях;

4 Развакуумировать систему;

5 Открыть шлюзовую камеру;

6 Установить на вращающемся зонтике пластины кремния;

7 Загрузть навески химически чистого титана;

8 Откачку воздуха из-под колпака производить до давления не выше

7 7

[(5-8)х10"] мм рт.ст. (666,5 - 1066,4)х10" Па. Давление контролировать вакуумметром;

9 В соответствии с инструкцией для работы на установке ВАК-501 запустить программу напыления титана и осуществить процесс;

10 Выгрузить пластины.

Протирку и удаление продуктов распыления производить 1 раз в сутки, перед отжигом установки.

4 Нанесение и сушка фоторезиста

Данная операция выполняется с целью переноса рисунка с фотошаблона на пластину кремния.

Оборудование и оснастка.

Автомат нанесения фоторезиста 08ФН 125/200, установка инфракрасной термообработки 02СТ-170-005.

Материалы, комплектующие, полуфабрикаты.

Фоторезист ФП-РН-27В, спирт этиловый ректификованный технический высший сорт, ацетон «ЧДА», ткань х/б, арт. 225 (150x150) мм, азот газообразный.

Технологические режимы.

Частота вращения: в режиме растекания от 60 до 600 об/мин; в режиме формирования слоя от 600 до 6000 об/мин. Время центрифугирования: в

режиме растекания от 1 до 10 с; в режиме формирования слоя от 10 до 60 с. Температура в термокамере 363±5 К.

Порядок выполнения операций:

1 Подготовить установку к работе согласно инструкции по эксплуатации;

2 Открыть крышку и закрепить пластину на столике центрифуги;

3 Закрыть крышку, установить на таймере необходимое время центрифугирования и включить центрифугу;

4 После окончания процесса снять пластину и переложить ее в установку инфракрасной термообработки;

5 Установить время на таймере ИК-установки и осуществить сушку фоторезиста;

6 Снять пластину с ИК-установки, раскрепив механические прижимы, положить пластину в кассету.

5 Совмещение и экспонирование

На данной технологической операции закладывается рисунок фоторезистивной маски, от качества которого зависит качество рисунка, получаемого на окисле при последующем травлении. При экспонировании под воздействием ультрафиолетового излучения ртутной лампы образуются участки с измененными свойствами, которые удаляются с поверхности пластин при проявлении.

Оборудование и оснастка.

Установка совмещения и экспонирования ЭМ-5006, люксметр Ю-116, 5 класс точности, барботер В-12902, накопитель 105А-44М, пенал В-12978, кассета КП-76, кассета 4.212.298-01, фотошаблон, бюкс В-8697А, пинцет с фторопластовым наконечником П-34, пинцет с механическим захватом В-12536, мешок полиэтиленовый.

Материалы, комплектующие, полуфабрикаты.

Азот газообразный, спирт этиловый ректификованный технический высший сорт, воздух сжатый, вода питьевая синтетическое полотно нетканое клееное (200x250) мм, ткань х/б, арт. 225 (150x150) мм. Характеристики фотошаблонов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Характеристики фотошаблонов

Наименование фотошаблона Стойкость фотошаблона Обозначение фотошаблона

Окна 50 КФДЛ.764.416.014

Окна 50 КФДЛ.764.416.014-01

Окна 50 КФДЛ.764.416.014-02

Порядок выполнения операций.

Работа установки совмещения и экспонирования в автоматическом режиме. Автоматический режим работы установки используется при работе с пластинами, не требующими совмещения рисунка пластины с рисунком фотошаблона (первичное экспонирование).

1 Подготовить установку к работе согласно инструкции по эксплуатации;

2 Проверить освещенность.

- освещенность должна быть не менее 25000 люкс.

- неравномерность освещенности на пластине должна быть не более ± 6% (замеряется при замене лампы);

3 Выставить на переключателе «Экспозиция», расположенном на пульте управления установки, требуемое время экспонирования;

4 Подготовить рабочее место, обеспечить его необходимыми пластинами, фотошаблонами и т.п.;

5 Поднять микроскоп совмещения установки в верхнее положение, оперируя ручкой «вниз» (положение БЭ), расположенной на столе установки слева;

6 Установить фотошаблон по трем жестким упорам на плите шаблона держателя, закрепить его двумя механическими прижимами и зафиксировать вакуумом, опустив ручку крана «Ш»;

7 Установить на микроскопе малое увеличение. Перемещая микроскоп с помощью рукоятки сканирования (на верхней части установки) и оперируя рукоятками шаблонодержателя, установить фотошаблон таким образом, чтобы метки совмещения на фотошаблоне располагались симметрично оси объективов.

8 Зафиксировать вакуумом плиту шаблонодержателя, опустив ручку крана «ШД»;

9 Опустить микроскоп совмещения установки в исходное положение, оперируя ручкой «вниз»;

10 Нажать кнопку «возврат кассет» на пульте управления, кассеты возвращаются в исходное положение;

11 Заполнить кассету пластинами, установить ее на платформу первой (подающей) кассеты механизма перемещения кассет и кассету без пластин -на платформу второй (приемной) кассеты;

12 Нажать кнопку «Автомат» и клавишу «Цикл» на пульте управления;

13 Пластина из подающей кассеты поступает на столик предварительной ориентации, где ориентируется по основному боковому срезу и диаметру;

14 По окончании ориентации столик предварительной ориентации поднимается вверх до калибратора, пластина прихватывается вакуумом к калибратору, калибратор вместе с пластиной перемещается в зону совмещения;

15 Рабочий столик вместе с калибратором и пластиной поднимается вверх до упора калибратора в фотошаблон, в результате чего происходит

передача пластины с калибратора на рабочий столик и выравнивание пластины в плоскости, параллельной рабочей плоскости фотошаблона;

16 Рабочий столик с пластиной опускается в промежуточное положение, а калибратор возвращается в зону предварительной ориентации;

17 Рабочий столик с пластиной поднимается вверх, пластина автоматически приводится в контакт с шаблоном и экспонируется;

18 Проэкспонированная пластина струей воздуха сдувается со столика на пневмодорожку и далее в приемную кассету;

19 После размещения 2-й пластины на столике совмещения, нажать кнопку «Полуавт». Цикл прерывается;

20 Проэкспонированную пластину вынуть из приемной кассеты, поместить в тару и передать на операцию проявления фоторезиста;

21 Если время экспонирования выбрано правильно и на пластине размеры элементов и качество проявления соответствуют технологической норме, нажать кнопку «Автомат». Пластины партии пройдут цикл согласно п.п. 13-18. В противном случае подобрать время экспонирования еще на одной пластине, выполнив п.п. 13-20;

22 Пробные пластины, не удовлетворяющие необходимым требованиям передать на реставрацию согласно маршрутам реставрации для данного изделия;

23 Перегрузить проэкспонированные пластины из кассеты в тару, заполнить сопроводительный лист, предать пластины на следующую операцию;

24 Отметить в паспорте на фотошаблон дату, номер партии, количество совмещений за подписью оператора;

25 Поднять микроскоп совмещения установки, выполнив п. 5;

26 Расфиксировать плиту шаблонодержателя, подняв ручку крана «ШД» из положения «Вак». Расфиксировать фотошаблон, подняв ручку крана «Ш» из положения «Вак»;

27 Снять фотошаблон с плиты шаблонодержателя, раскрепив механические прижимы, положить фотошаблон в тару для шаблонов. Работа установки совмещения и экспонирования в полуавтоматическом режиме;

28 Выполнить п.п. 5,6,8,-11;

29 Нажать кнопку «Полуавт» и клавишу «Цикл» на пульте управления. При этом должна загореться индикация клавиши «Цикл». Пластина совершит цикл согласно п.п. 13-16, при этом загораются индикации клавиш «Загрузка» и «Зазор»;

30 Регулятором зазора совмещения, расположенным на корпусе установки, установить требуемую величину зазора для совмещения. Величина рабочего зазора между пластиной и фотошаблоном от 0 до 40 мкм;

31 После загорания индикации клавиши «Зазор» произвести совмещение рисунков фотошаблона и пластины оперируя ручками манипулятора совмещения;

32 Нажать клавишу «Контакт» на пульте управления, при этом должна загореться индикация клавиши;

33 Проверить качество совмещения. При неудовлетворительном совмещении произвести повторное совмещение, предварительно нажав клавишу «Зазор» на пульте управления;

34 Нажать клавишу «Экспонирование». Пластина проэкспонируется и выгрузится в приемную кассету струей воздуха;

35 Выполнить п. 20 для проэкспонированной пластины;

36 Если время экспонирования выбрано правильно и на пластине размеры элементов и качество проявления соответствуют технологической норме, повторить п.п. 31-34 для всех пластин партии;

37 По окончании экспонирования всех пластин гаснет индикация клавиши «Цикл» и загорается «Возврат кассет»;

38 Выполнить п.п. 22-27;

39 Фотошаблоны отмывать по технологической карте «Отмывка фотошаблонов»;

40 В процессе работы протирать салфеткой, смоченной спиртом, следующие части установки:

- платформы для подающей и приемной кассет;

- пневмодорожки;

плиту шаблонодержателя;

- столики ориентации и совмещения, калибратор;

41 Следить за движением пластин в процессе работы в любом режиме;

42 Запрещается проводить совмещение и экспонирование пластин со сколами и кусков в автоматическом режиме;

43 Наименование, обозначение и стойкость фотошаблонов в зависимости от типа приборов указаны в таблице;

44 Твердые отходы (салфетки) сдавать на сборный пункт (хозучасток);

45 На проявленной пластине рабочая зона фотошаблона должна полностью закрывать пластину;

46 Разрешается использовать годный по дефектности фотошаблон «Резисторы» одного комплекта для работы в другом комплекте;

47 Для интенсификации отмывки допускается использовать барботирование воды газообразным азотом.

6 Проявление фоторезиста и контроль пластин

Процесс проявления заключается в удалении облученных участков пленки фоторезиста с поверхности подложки в щелочных растворах, в результате чего на поверхности полупроводниковой пластины остаётся защитный рельеф требуемой конфигурации.

Настоящая методика предусматривает режимы и приемы выполнения операции проявления фоторезиста методом полива раствора на вращающуюся пластину, последующей сушки термообработки и контроля полученного рельефа в пленке фоторезиста.

Оборудование и оснастка.

Автомат проявления фоторезиста 08 ФП - 125/100-003, установка инфракрасной термообработки 02СТ-170-005, барботер В-12902, кассета универсальная КП, кассета универсальная, кассета операционная, гермотара В-7977, гермотара В-12978, тара ТЭС, пинцет с ограниченным захватом В-12536, пинцет с фторопластовыми наконечниками П-34, бюкс В-8697В, микроинтерферометр МИИ-4, микроскоп МБИ-11, микроскоп ММУ-3, микроскоп Studar, мешок полиэтиленовый, столик В - 14104, кассета В -10429/2, ограничитель В - 14973.

Материалы, комплектующие, полуфабрикаты.

Проявитель № 1 фоторезиста, спирт этиловый ректификованный технический высший сорт, азот газообразный 3/2, воздух сжатый 1/2, вода деионизованная марка А, бязь х/б арт. 225 (150x150) мм, ткань х/б, салфетка (100x100) мм.

Технологические режимы.

Технологические режимы обработки представлены в таблицах 4 и 5.

Таблица 4 - Режимы обработки

Наименование фотогравировки Режимы обработки ИК-термообработка

Скорость, Время обработки, С Темпера- Время,

об/мин. тура, °С мин.

1 2 Прояви тель Вода Сушка

Окна 1500 ± 150 40006000 10 ± 5 15±5 15±5 (80-90-100)±5 10±4

Таблица - 5 Характеристики прибора

Наименование Группа Допустимые размеры Неровность

фотолитографии прибора основного элемента после края, мкм

проявления, мкм

00 49,0- -52,0 1,0

Окна 01 29,0- -32,0 1,0

02 9,0- 12,0 1,0

Порядок выполнения операций.

1 Подготовить установки к работе согласно инструкциям по эксплуатации с отметкой в журнале;

2 При отсутствии записи в журнале о готовности установок к работе к работе не приступать;

3 Получить проявитель, проверить на этикетке дату и время приготовления. Срок годности проявителя трое суток;

4 Заполнить бачки проявителем, деионизованной водой, для чего:

- разгерметизировать бачки с помощью клапана, расположенного на крышке бачка, вытянув за кольцо шток клапана вверх до упора и повернув его на 90°, затем опустить шток;

- снять крышку с бачков;

- залить в разные бачки проявитель, деионизованную воду;

- закрыть бачки крышками;

- закрыть клапаны на крышках бачков;

5 Установить по манометру на бачке давление в интервале (0,1 - 0,4) кГс/см2 ((9,8 - 39,2) 103 Па);

6 Установить на блоках автомата программу и режимы проявления согласно таблице 4. Микротумблеры в верхнем положении - операция выполняется, в нижнем - исключается;

7 Наладчику выставить время и температуру ИК-термообработки согласно таблице 4;

8 Установить загрузочные и разгрузочные подъемники в исходное положение, нажав кнопку «возврат» на пульте управления;

9 Установить кассету с контрольными пластинами рабочей стороной вверх на разгрузочную платформу автомата проявления;

10 Нажать кнопку «пуск» на пульте управления - начнется автоматический процесс проявления и сушки фотослоя;

11 По окончании процесса проявления и сушки фотослоя нажать кнопку «стоп» на пульте управления;

12 Снять контрольную пластину со столика центрифуги, поместить в транспортную тару и передать на контроль качества проявления в соответствии с разделом «Технологический контроль» данной технологической карты. При наличии на пластине визуально видимых областей недопроявленного фоторезиста пластину допроявить;

13 Если контрольная пластина удовлетворяет требованиям контроля, проявить все пластины партии, выполнив п.п. 8-10 и, установив пустую кассету на загрузочную платформу;

14 После заполнения кассеты пластинами снять ее с загрузочной платформы, перезагрузить пластины в транспортную тару и передать на контроль качества проявления;

15 Если контрольная пластина не удовлетворяет требованиям контроля, скорректировать время экспонирования и проявления, повторить п.п. 8-13;

16 Следить за обработкой пластин:

- каждую партию проявлять на одном треке установки;

- не допускается сбоя установки, в случае сбоя пластин нажать

- кнопку «стоп», убрать осколки пинцетом и вызвать наладчика.

17 Проконтролировать визуально качество проявления пластин, поверхность пленки фоторезиста должна быть:

- гладкой, без морщин;

- не допускаются механические повреждения проявленной пленки;

18 Годные пластины проконтролировать под микроскопом по двум взаимно перпендикулярным направлениям при увеличении 160;

19 Качество проявления должно соответствовать следующим требованиям:

- контур элементов должен быть ровным и четким;

- на проявленных участках не должно быть остатков фоторезиста;

20 Провести контроль размеров элементов в пяти точках (в центре и по краю пластины);

21 Если размеры элементов более двух из пяти проверенных структур на пластине отклоняются от значений, указанных в таблице, передать на реставрацию;

22 Проконтролировать задубленные пластины . визуально. Контролировать 100% пластин. Пленка фоторезиста должна быть гладкой, без механических повреждений;

23 Проконтролировать 20% задубленных пластин изделий под микроскопом по методике согласно п. 18 данного раздела. Край окон должен быть четким, не должно быть следов не проявленного фоторезиста, пузырей, трещин, затекания фоторезиста.

24 Забракованные пластины по п.п. 22, 23 обработать согласно таблице

2.

Методика работы на микроскопе МИИ - 4.

1 Включить микроскоп в сеть;

2 Положить пластину на столик микроскопа рабочей стороной вниз, сфокусировать изображение;

3 Установить границу измеряемого элемента (клина проявления, границы зубчатого края) параллельно двум вертикальным линиям шкалы окуляра/

4 Подвести точку перекрестия в окуляре к одной из границ измеряемого элемента (клина проявления, границы зубчатого края);

5 Сделать отсчет делений (N1), по шкале окулярного микрометра;

6 Перевести точку перекрестия ко второй границе и сделать отсчет делений (N2);

7 Определить размер контролируемого элемента, неровность края по формуле:

а = (N2-N0x1,, (1)

где Ь - цена деления объект микрометра в поле зрения микроскопа, указанная ОГМетр на аттестате микроскопа.

За величину клина проявления принимать расстояние на защитном слое фоторезиста, перпендикулярное к краю элемента и соответствующее переходу от минимальной до максимальной оптической плотности защитного слоя;

8 Измерить величину рассовмещения по фигурам совмещения в левом и правом поле одного ряда для пластин с видимым рассовмещением. Величина рассовмещения определяется по формуле:

по оси X:

АХ = ± (а - а0 / 2 мкм; (2)

по оси У:

АУ = ± (в - щ) / 2 мкм. (3)

При удовлетворительном качестве проявления пластину поместить на ленту установки ИК-термообработки, провести ИК-термообработку;

9 Разрешается проводить один контрольный процесс при подборе режимов экспонирования и проявления;

10 Допускается отклонение размеров элементов ± 0,5 мкм от размеров на фотошаблоне (±0,5 мкм для светлых областей на фотошаблоне, -0,5 мкм для темных областей на фотошаблоне);

11 При наличии недопроявленных участков разрешается проэкспонировать пластины, а затем допроявить;

12 Разрешается контролировать качество проявления визуально.

7 Задубливание фоторезиста

Термическое задубливание фоторезиста является заключительной операцией формирования защитного рельефа на поверхности пластины.

Цель задубливания - в улучшении кислотоустойчивости слоя фоторезиста путем уплотнения его структуры под действием высокой температуры.

Оборудование и оснастка.