Методы молекулярного наслаивания и атомно-слоевой эпитаксии

Историческая справка Основоположник супрамолекулярной химии, лауреат Нобелевской премии по химии Жан-Мари Лен считает, что «а наверху места еще больше». Он имел в виду Р. Фейнмана с его призывом «…там внизу много места!» и реальную возможность создания наноструктур методом самосборки молекул в надмолекулярные структуры.

Среди методов синтеза ультратонких слоев следует выделить метод химической сборки, основанный на образовании поверхностных химических соединений при хемосорбции компонентов из газовой фазы.

Существует две разновидности химической сборки. Метод атомно-слоевой эпитаксии позволяет синтезировать тонкопленочные слои оксидов п сульфидов, а также выращивать слои арсенида галлия при низких температурах.

Метод молекулярного наслаивания основан на процессах синтеза твердых веществ на поверхности твердого тела. При этом кристаллическая решетка служит матрицей для сборки пленочных структур. В методе молекулярного наслаивания предусмотрено создание на поверхности определенных функциональных групп, которые реагируют с низкомолекулярным реагентом и позволяют образовывать устойчивые соединения. Под функциональными группами будем понимать некоторые компоненты синтезируемого слоя. Например, для получения оксидных слоев используется группа —ОН, для сульфидных—SH, для нитридных—NH.

Методы атомно-слоевой эпитаксии и молекулярного наслаивания позволяют синтезировать наноструктуры на поверхности твердых тел путем запрограммированного многократного чередования химических реакций. При этом толщина образующегося слоя определяется не временем процесса или интенсивностью потока вещества, а количеством повторяющихся циклов химических реакций, причем реакции протекают при небольших температурах, лежащих в диапазоне от 25 до 400 °C. Именно это обстоятельство резко снижает вклад диффузионных процессов и позволяет создавать многослойные структуры с резкими границами.

Процессы молекулярного наслаивания и атомно-слоевой эпитаксии проводят в проточном реакторе при атмосферном давлении. Например, для синтеза сульфида цинка на гидроксилированном кремнии необходимо провести следующие реакции с использованием диметилцинка:

Чередование реакций (б) и (в) при условии постоянного удаления избытков реагентов и продуктов реакции позволяет вырастить цинкосульфидный слой (рис. 4.7). При этом не образуются трехмерные зародыши, а рост пленок происходит по слоевому механизму. К сожалению, метод молекулярного наслаивания можно проводить для лимитированного круга веществ и с достаточно низкой скоростью.

Метод атомно-слоевой эпитаксии может применяться также для модифицирования поверхностей полупроводниковых или функциональных слоев. Модифицирование поверхности заключается в формировании одного или нескольких монослоев, содержащих кислород, серу или азот для последующих процессов оксидирования, сульфидирования или нитридизации поверхностей. При этом происходит «залечивание» дефектов границы раздела определенным типом ионов. Одновременно значительно улучшается качество границы раздела «полупроводник — диэлектрик».

Методы молекулярного наслаивания и атомно-слоевой эпитаксии используются для модифицирования слоев фоторезистов при проведении процессов фотолитографии. Эти методы успешно применяется при формировании гетерои гомоморфных границ раздела, для уменьшения деграда;

Рис. 4.7. Химическая сборка по методу атомно-слоевой эпитаксии.

ционных явлений в полупроводниках, модифицирования различных функциональных слоев с целью повышения воспроизводимости результатов и повышения выхода годных изделий.

Метод атомно-слоевого осаждения является перспективным технологическим процессом, обеспечивающим рост тонких пленок высокого качества на подложках любой геометрии. Особенностью метода является формирование молекулярного или атомарного монослоя без образования трехмерных зародышей. Цикл процесса осаждения атомных слоев состоит из кратковременной подачи первого прекурсора, продувки инертным газом, затем кратковременной подачи второго прекурсора и последующей продувки. За один цикл создается один монослой пленки. Это позволяет легко и точно задавать толщину пленки и контролировать количество циклов осаждения.