Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертационная работа:

Голод Сергей Владиславович. Методы формирования трёхмерных микро- и наноструктур на основе напряжённых SiGe/Si плёнок : дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.10 Новосибирск, 2006 206 с. РГБ ОД, 61:07-1/398

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ II

Глава 1. Формирование и исследование SiGe/Si микро- и нанотрубок, спиралей 17

  1. Введение , 17

  2. Метод формирования микро- и нанотрубок из напряженных SiGe/Si пленок 18

  3. Исследование процессов взаимодействия кремния с водными растворами аммиака 36

  4. Формирование и исследование свойств SiGe/Si микроспиралей 47

  5. Формирование SiGe/Si нанотрубок 56

  6. Выводы 63

Глава 2. Методы управляемого сворачивания напряженных пленок SiGe/Si в

сложные трехмерные объекты и их сборки в конструкции 65

  1. Введение , 65

  2. Разработка метода направленного сворачивания напряженных SiGe/Si пленок, основанного на анизотропии травления кремния 68

  1. Анизотропия латерального травления жертвенной подложки Si (ПО)... 71

  2. Применение метода направленного сворачивания напряженных SiGe/Si пленок для создания полых игл , 79

  1. Разработка метода сборки SiGe/Si микрооболочек в сложные трехмерные конструкции , , 91

  2. Исследование возможностей формирования упорядоченных массивов спиралей , 99

  1. Применение массивов SiGe/Si вертикальных колец в нанопечатной литографии , 101

  2. Выводы 107

Глава 3. Формирование и исследование структур на основе гибридных и

композитных пленок . 109

  1. Введение 109

  2. Расчет диаметров трубок на основе свободных многослойных пленок с внутренними механическими напряжениями и 110

  1. Анализ вклада поперечных деформаций в продольные напряжения при изгибе однородной тонкой пленки 111

  2. Изучение зависимости диаметра гибридных оболочек от внутренних напряжений в многослойной пленке и способа ее закрепления на подложке 119

  3. Способ определения упругих напряжений и модуля Юнга в аморфных пленках металлов и диэлектриков ,, 128

  1. Формирование металл - полупроводниковых SiGe/Si/Cr консольных балок, желобов и колец. Исследование зависимостей радиуса изгиба от ширины балок и внутренних напряжений в пленке 129

  2. Формирование и исследование оболочек из напряженных пленок металл-диэлектрик-полупроводник S і Ge/S i/S і 3N4/Cr 141

  3. Метод формирования нанокомпозитных пленок с запечатанными массивами трехмерных объектов , 154

3.6. Исследование процессов релаксации фотопроводимости в SiGe/Si -
тонкопленочных мембранах и запечатанных в полимерную матрицу
массивах трехмерных объектов , 159

3.6.1 Введение , , 159

3.6.2. Методика приготовления образцов и принцип работы измерительной
СВЧ - установки , 161

3.6.3, Анализ экспериментальных данных по измерению релаксации
фотопроводимости в SiGe/Si - тонкопленочных мембранах и
запечатанных в полимерную матрицу массивах трехмерных объектов „ 163

3.7. Разработка методов исследование SitVGeOa мембран и трубок со
встроенными Ge - нанокластерами 170

3.8. Выводы 179

ВЫВОДЫ 182

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 185

ЛИТЕРАТУРА 188

Введение к работе:

Создание и исследование наноструктур, размеры которых сопоставимы с размерами молекул и атомов, является одним из приоритетных направлений современной науки и техники [1]. Наноструктуры и приборы на их основе призваны обеспечить прорыв в таких областях, как производство новых материалов, электроника, медицина, энергетика, защита окружающей среды, биотехнология, информационные технологии и национальная безопасность. Ожидается, что устройства на основе наноструктур будут обладать большим быстродействием, меньшим энергопотреблением и принципиально новыми возможностями по сравнению с существующими приборами микронных размеров. В течение последнего десятилетия был достигнут значительный прогресс в формировании и исследовании полупроводниковых и гибридных нанопроволок [2], нанотрубок [3-4], квантовых точек [5], а также углеродных нанотрубок [6]. Однако, до тех пор, пока не будет решена ключевая проблема воспроизводимого получения наноструктур, имеющих точно заданные размеры, расположение на подложке и свойства, изготовление устройств останется на уровне лабораторных разработок, не отвечающих требованиям массового производства [7].

Одним из перспективных методов, который позволяет решить проблему воспроизводимого создания наноструктур, является метод формирования прецизионных трёхмерных (3D) нанооболочек, основанный на управляемом изгибе и сворачивании освобождённых от связи с подложкой напряжённых плёнок [8-11]. Данным методом были получены прецизионные по диаметру и длине InGaAs/GaAs нанотрубки и спирали, а также другие объекты сложной трёхмерной конфигурации [8-11]. Диаметр формируемых трубок D~d/(Aa/a) точно задаётся в диапазоне от 2 нм до 100 мкм толщиной сворачиваемой двухслойной плёнки d и рассогласованием постоянных решёток Да/а материалов InGaAs и GaAs. Важно также подчеркнуть, что переход от планариых полупроводниковых

микроструктур к свободным 3D наноструктурам открывает новые возможности для изготовления приборов и систем наномеханики и наноэлектроники,

В настоящее время наиболее технологичным материалом интегральных схем (ИС) и микроэлектромеханических систем (МЭМС) является кремний. На момент начала данной работы не существовало методов создания прецизионных кремниевых нанотрубок и оболочек. Вместе с тем ожидается [4], что кремниевые нанотрубки, тонкопленочные оболочки и сложные трёхмерные конструкции на их основе найдут широкое практическое применение в электронике, микроэлектромехаиике и оптоэлектронике. С точки зрения фундаментальных исследований интерес вызывают свойства свободных сверхтонких плёнок кремния, т.к. известно, что многие материалы при переходе к наноразмерам изменяют свои упругие, структурные и электрические свойства [1]. Отметим некоторые достоинства применения кремния для 3D наноструктурирования: обеспечивается совместимость и преемственность технологий ИС и трёхмерных наноструктур; Si и его соединения являются твёрдыми и прочными материалами; возможность имплантации кремниевых микромеханических устройств в живые ткани человека; низкая стоимость подложек больших размеров. Кроме того, в современной технологии кремниевых ИС хорошо отработаны методы получения качественных тонких проводящих слоев силицидов металлов и плёнок диэлектриков (S1O2 и Si3N4), что может быть использовано для создания гибридных микро- и нанооболочек. В этой связи формирование и исследование прецизионных трёхмерных наноструктур на основе топких кремниевых плёнок является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы заключалась в разработке научных основ технологии изготовления трехмерных микро- и наноструктур из напряженных SiGe/Si пленок, а также в исследовании механических, электрических и структурных свойств полученных объектов. Для достижения этой цели требовалось решить следующие задачи:

  1. Найти способ высокоселективного травления жертвенного слоя на основе кремния, позволяющего отсоединять эпитаксиальные напряжённые SiGe/Si плёнки нанометровых толщин от подложек кремния и контролируемо преобразовывать их в нанотрубки.

  2. Исследовать особенности процессов травления кремния и разработать методы направленного сворачивания напряжённых SiGe/Si плёнок в микро- нанооболочки и их контролируемой сборки в трёхмерные конструкции.

  3. Разработать методы изготовления свободных гибридных тонкоплёночных трёхмерных микро- и наноструктур, включающих в себя слои полупроводников, металлов и диэлектриков (SiGe/Si/металл, SiGe/Si/диэлектрик/металл).

  4. Исследовать значения упругих констант и деформации в диэлектрических Si3N4 и металлических Сг плёнках в зависимости от их толщины. Исследовать методы управления встроенными механическими напряжениями в диэлектрических и металлических плёнках. Изучить влияние внутренних упругих механических напряжений в плёнке на радиус изгиба трёхмерных структур,

  5. Разработать способ формирования свободных нанокомпозиционных плёнок, состоящих из периодично расположенных трёхмерных наноструктур внутри полимерной матрицы.

  6. Исследовать проводимость и состояния на поверхности отсоединённых от подложки SiGe/Si плёнок нанометровых толщин с помощью сверхвысокочастотного (СВЧ) метода измерения релаксации нестационарной фотопроводимости.

Научная новизна работы

Впервые в системе германий-кремний реализовано контролируемое отсоединение напряжённых SiGe/Si плёнок нанометровых толщин от кремниевой подложки. Впервые сформированы SiGe/Si трёхмерные микро- и наноструктуры с радиусом изгиба от 5 нм до 20 мкм.

Впервые исследовано структурное совершенство SiGe/Si нанотрубок. Показано, что нанотрубки, в том числе с диаметром 10 нм, имеют монокристаллические стенки.

Предложены и разработаны методы направленного сворачивания напряжённых SiGe/Si плёнок в объекты сложной формы и их сборки в трёхмерные конструкции. Методы основаны на использовании сильной анизотропии латерального травления жертвенной подложки кремния.

Исследована зависимость диаметра трубок, спиралей и узких колец от вклада поперечных деформаций в процесс изгиба и сворачивания напряженной плёнки при ее отсоединении от подложки. Экспериментально показано, что спирали и узкие полоски напряжённой плёнки имеют больший радиус изгиба, чем трубки с жёстким закреплением на подложке по всей своей длине. В силу того, что жёсткое закрепление плёнки на подложке препятствует релаксации механических напряжений вдоль оси трубки, увеличивается вклад упругой деформации в направлении сворачивания плёнки, вследствие чего уменьшается радиус изгиба. Предложен способ определения модуля Юнга и упругой деформации тонких плёнок металлов и диэлектриков, нанесенных на SiGe/Si гетероструктуры, основанный на измерении радиусов изгиба гибридных объектов различной формы.

С помощью СВЧ метода измерения релаксации нестационарной фотопроводимости установлено, что у помещённых в полимер p+-SiGe/Si плёнок нанометровых толщин в отличие от свободных плёнок отсутствует долговременная компонента сигнала фотопроводимости. Что может быть объяснено пассивацией поверхностных состояний.

15 Практическая значимость работы

Разработаны основы технологии формирования прецизионных SiGe/Si и гибридных (металл/полупроводник, диэлектрик/металл/полупроводник) трёхмерных микро- и наноструктур. Созданы SiGe/Si, SiGe/Si/Cr и SіGe/Si/SіjN4/Cr трёхмерные структуры, которые перспективны для практического применения в микро- и наноэлектромеханике, наноэлектронике и гибких элементах сложных систем,

Разработаны новые методы направленного сворачивания p+-SiGe/Si плёнок в оболочки и их сборки в трёхмерные конструкции, имеющие заданные размеры, форму и расположение на подложке.

Показано, что для массового формирования прецизионных 3D микроструктур p+-SiGe/Si плёнки, синтезированные методом химического осаждения из газовой фазы, имеют преимущество по сравнению с плёнками, выращенными методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), прежде всего за счет меньшего содержания сквозных дефектов и большей химической стойкости при травлении.

Определены оптимальные условия травления кремния в водных растворах аммиака и установлена величина анизотропии латерального травления Vmax/Vm = 10 на подложках кремния ориентации (110).

Показано, что лежащие (закреплённые) на подложке массивы SiGe/Si колец с вертикальными стенками могут быть использованы в качестве штампа для создания отпечатков в электронном резисте.

Предложен способ формирования нанокомпозитных плёнок на основе полимерной матрицы со встроенными регулярными двумерными массивами оболочек.

Научные положения, выносимые па защиту

  1. Методом селективного травления подложки кремния осуществимо контролируемое отсоединение напряжённых p+-SiGe/Si плёнок нанометровых толщин от подложки и формирование из них нанотрубок, спиралей и консольных балок.

  2. Анизотропия латерального травления кремния и упругая деформация напряжённых SiGe/Si плёнок являются основными факторами контролируемого направленного преобразования плёнок в нанооболочки сложной формы и трёхмерные конструкции.

  3. р -SiGe/Si пленки, выращиваемые методом химического осаждения из газовой фазы и высокоселективный травитель на основе аммиака, используемый при низких температурах, обеспечивают наивысшую воспроизводимость процесса формирования трёхмерных SiGe/Si микро- и наноструктур.

  4. Сравнение радиусов изгиба гибридных трёхмерных структур различной формы позволяют определить модули Юнга тонких металлических и диэлектрических плёнок, нанесённых на SiGe/Si структуры.

  5. Реализуема система тонкоплёночных нанооболочек, строго периодично расположенных в свободной полимерной плёнке. Ключевым этапом процесса формирования свободных полимерных плёнок со встроенными упорядоченными двумерными массивами нанооболочек является предварительное позиционирование нанооболочек на подложке при помощи литографии.

Подобные работы
Азатьян Сергей Геннадьевич
Формирование тонких пленок и наноструктур в системе Mn/Si(111)
Гурьянов Александр Михайлович
Свойства пленочных микро- и наноструктур с диэлектрическими слоями на основе оксидов редкоземельных элементов
Шабиев Фарид Канафеович
Формирование углеродных наноструктур и фаз на их основе
Левченко Антон Сергеевич
Разработка и совершенствование оптических методов измерения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины наноразмерных плёнок
Новиков Виктор Александрович
Индукционный метод формирования текстур в керамических анизотропных материалах переменным электрическим полем
Сорокин Федор Дмитриевич
Разработка механической модели формирования и методов редукции позиционных ошибок телескопа Шмидта на основе уточненной нелинейной теории оболочек
Иванов Петр Алексеевич
Методы решения задачи формирования волновых фронтов в схемах инвариантных оптикоэлектронных лазерных корреляторов изображений
Овечкис Юрий Натанович
Методы и средства формирования объемных изображений в обучающих системах
Щучкин Григорий Григорьевич
Методы анализа и алгоритмы формирования полей в ближней и дальней зонах для зеркальных антенных систем с неоднородной краевой частью при работе с сигналами наносекундной длительности
Шмидт Александр Александрович
Компьютерное моделирование методом Монте-Карло физических процессов формирования и модификации многокомпонентных полупроводниковых структур

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net