СОДЕРЖАНИЕ
Введение.............................................................. 4
Глава 1. Эпитаксиальная и тонкопленочная технологии в
современной микроэлектронике........................................... 10
1.1. Эпитаксия и эпитаксиальные технологии...................... 10
1.2. Молекулярно-лучевая эпитаксия................................ 18
1.3. Тонкопленочная технология.................................... 23
1.4. Формирование наноструктур методом МЛЭ и перспективы их применения................................................. 26
1.5. Молекулярно-динамическое моделирование эпитаксиальных
процессов......................................................... 29
Заключение........................................................ 32
Глава 2. Алгоритм и программа молекулярно-динамического моделирования процесса роста наноструктур из атомного пучка 34
2.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия как частный случай процессов взаимодействия пучков материальных частиц с твердыми поверхностями.............................................. 34
2.2. Метод изотермической молекулярной динамики................... 36
2.3. Учет поля твердой поверхности................................ 45
2.4. Алгоритм программы для молекулярно-динамического моделирования роста наноструктур из атомного пучка......... 48
2.5. О программе моделирования.................................... 56
Глава 3. Результаты молекулярно-динамического моделирования
процессов взаимодействия атомных пучков с твердыми
поверхностями.......................................................... 65
2
3.1. Исследование роли основных параметров системы «леннард-
хотя проблема получения такого рода островков с заданными свойствами в заданной точке подложки к настоящему времени не решена. Остается не вполне ясной и природа формирования пирамидоподобных нанокристаллов. Существующие теоретические объяснения сводятся к определяющей роли внутренних напряжений, возникающих в результате геометрического несоответствия (на 4%) кристаллических решеток германия и кремния. В пользу такого объяснения свидетельствует тот факт, что при автоэпитаксии кремния островки не образуются. Однако указанное выше объяснение природы формирования пирамидоподобных нанокристаллов не является исчерпывающим.
С учетом перспектив перехода от микроэлектроники к наноэлектронике возникает необходимость более детального изучения механизмов и условий формирования наноструктур на твердых поверхностях. Одной из основных фундаментальных и прикладных задач исследования процессов формирования наноструктур на твердых поверхностях является проблема формирования заданных наноструктур, например пирамидоподобных нанокристаллов, на заданном участке подложки. Одним из подходов к решению данной проблемы может быть использование тех или иных масок. Однако гораздо более эффективным представляется использование узконаправленных пучков материальных частиц (атомных, молекулярных, ионных) наноразмерного сечения, отвечающего характерному размеру формирующихся наноструктур. Фактически речь идет о разработке новой нанотехнологии, прототипами которой являются МЛЭ и ТПТ.
Вместе с тем, хорошо известно, что даже современные установки для МЛЭ являются весьма сложными и дорогостоящими. В еще большой степени это касается экспериментального оборудования для получения и исследования наноструктур. В качестве примера достаточно отметить, что изучение германиевых пирамид на уровне атомного разрешения возможно только с помощью особых туннельных микроскопов, кантеливер которых находится
7
непосредственно в ростовой области. В нашей стране такие микроскопы, по-видимому, отсутствуют. С учетом отмеченного выше, к лабораторным и технологическим экспериментам на наноструктурах целесообразно переходить после предварительного проведения соответствующих компьютерных экспериментов. Примечательно, что методы компьютерного моделирования, прежде всего Монте-Карло и молекулярной динамики, гораздо более адекватны исследованию именно наноструктур, а не массивных фаз. В последнем случае приходится использовать периодические граничные условия, навязывающие системе более высокую степень упорядоченности.
В данной работе новая технология получения наноструктур, в том числе пирамидоподобных нанокристаллов, осуществлена на уровне компьютерного молекулярно-динамического эксперимента. Были изучены закономерности, механизмы и условия формирования малодефектных нанокристаллов правильной формы. Наиболее детально компьютерные эксперименты осуществлены для леннард-джонсовской модельной системы. Имеется ввиду, что как взаимодействие между атомами пучка, так и взаимодействие с атомами подложки описывалось двухпараметрическим парным потенциалом Леннард-Джонса. В завершающей части работы представлены результаты, отвечающие компьютерному моделированию формирования германиевых островков на поверхности кремния с использованием специфических коллективных потенциалов Терсоффа и Стиллинджера-Вебера, предложенных специально для элементов IV группы периодической системы. Использование леннард-джонсовской модели в качестве базовой обуславливается следующими соображениями: 1) стремлением выявить общие закономерности формирования наноструктур на твердых поверхностях, не являющиеся специфическими для системы германий-кремний; 2) переход к коллективным потенциалам увеличивает необходимое для расчетов время примерно на два порядка. В связи с этим, даже при использовании современных персональных компьютеров,
диапазон размеров наноструктур, описываемых коллективными потенциалами, является весьма ограниченным.
Вместе с тем, созданная в рамках данной диссертационной работы компьютерная программа является достаточно универсальной, т.е. имеет модульную структуру, открывающую возможность использования различных потенциалов межатомного взаимодействия, как парных, так и многочастичных. Разработанная программа для моделирования процесса роста наноструктур из атомного пучка воспроизводит следующую установку: из некоторого
источника (трубки) с определенной частотой испускается поток атомов заданной энергии. Подложка и источник располагаются в вакуумированном контейнере. Атомы, отражающиеся от подложки и покидающие заданную ростовую область, исключаются из рассмотрения. Наша компьютерная программа позволяет варьировать и, соответственно, исследовать роль ряда параметров моделируемой системы, к числу которых относятся энергия и диаметр пучка, температура и энергия подложки, число атомов, испускаемых за один импульс. Основной результат проведенных исследований сводится к выводу о возможности осуществления предлагаемой нанотехнологии.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю В.М. Самсонову, а также В.В. Дронникову, разработавшему ранее компьютерную программу для молекулярно-динамического моделирования эволюции наночастиц, являющуюся, в некоторой степени, прототипом программы, созданной автором. Использованная автором программа для нахождения радиальной функции распределения в наночастицах была разработана С.Д. Муравьевым. Автор также выражает признательность М.Б. Ляховой за консультации по вопросам, связанным с кристаллографией.
9
ГЛАВА 1. ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ И ТОНКОПЛЕНОЧНАЯ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
1.1. ЭПИТАКСИЯ И ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В технологии микроэлектроники процессы нанесения вещества на поверхность твердой фазы-подложки занимают весьма существенное, если не главное, место. Процессы нанесения относятся к ростовым процессам и подразделяются на две большие группы: процессы затвердевания
стеклообразных (аморфных) веществ и процессы кристаллизации [4-5]. Твердофазные взаимодействия целенаправленно используются в меньшей степени, нежели первые группы методов. Это, в основном, заключительные операции изготовления приборов: термокомпрессионное присоединение
выводов к интегральным схемам, герметизация корпусов и некоторые другие [6]. В последние годы появились сообщения о перспективности твердофазной эпитаксии [7-8]. Однако не меньшую важность представляют также самопроизвольно протекающие твердофазные взаимодействия на различных этапах изготовления приборов, которые могут привести к значительному изменению свойств последних.
Терминология, используемая в существующей литературе при описании процессов нанесения вещества, еще окончательно не установилась, и существуют некоторые неясные и противоречивые толкования одних и тех же понятий, явлений и процессов. Для того чтобы сделать более четким изложение материала, необходимо уточнить некоторые определения основных используемых терминов. Термин «срастание» (см. рис. 1) используется как характеристика общего процесса, который может быть разделен на процессы нарастания, происходящие на поверхности подложки, и выделения, происходящие в недрах кристаллической или стеклообразной матрицы [9].
10
Рис. 1. Классификация методов нанесения вещества
Согласно схеме, представленной на рис. 1, эпитаксией называется процесс ориентированного нарастания вещества на поверхности подложки. Термин «ориентированное нарастание» подразумевает, что растущая эпитаксиальная структура продолжает, в той или иной степени, структуру подложки, отвечающую данной кристаллографической грани. Процессы эпитаксии можно подразделить на простую (физическую) эпитаксию и хемоэпитаксию, сопровождающуюся химическими реакциями [10]. Физическая эпитаксия сводится к простой (физической) конденсации вещества на твердой поверхности. В свою очередь, методы физической эпитаксии подразделяются на статические и динамические. В последнем случае используется поток атомов или молекул (пучки материальных частиц). Динамические методы в зависимости от кинетической энергии потока материальных частиц разделяются на методы конденсации из молекулярных, ионных и плазменных пучков [11-13]. Можно также отметить механические методы, при которых используется нанесение вещества шелкографией (толстые пленки), пульверизацией и прочими способами.
Эпитаксию также подразделяют на газофазную, жидкофазную и твердофазную. Газофазные методы, включая методы, основывающиеся на реакционной конденсации, применяются наиболее широко, в том числе для
- Київ+380960830922