2.5. Основные результаты и выводы 78
2.6. Литература 81 Глава 3. Образование упорядоченных структур дислицида кобальта при ионном
синтезе 82
3.1. Особенности ионного синтеза при высоких плотностях тока ионного пучка 82
3.2. Ионный синтез упорядоченных структур на поверхности кремния 86
3.3. Фрактальный, вейвлет и Фурье анализы синтезированных упорядоченных
структур Со812 92
3.4. Основные результаты и выводы 99
3.5. Литература • 101
Заключение 102
Публикации по теме диссертации 103
4
Введение
Лктуальность проблемы
В настоящее время в микроэлектронике большое внимание уделяется упорядоченным, в том числе наноразмерным структурам. Это связано с перспективностью использования упорядоченных наноразмерных систем, например, для создания фотодетекторов, в том числе ИК-диапазона, при этом приборы с самыми лучшими характеристиками были получены на квантовых точках (КТ). Экспериментальные данные показывают, что величина фотопоглощения КТ в системе Бьве, по крайней мере, на порядок превышает известные значения для локальных центров в кремнии и на три порядка аналогичную величину для КТ в системе 1пЛя/ОаА$. Реальные успехи в получении пространственно-упорядоченных систем связаны с использованием эффектов самоорганизации наноструктур в гетероэпитаксиальных полупроводниковых системах. Именно на этих структурах были впервые продемонстрированы уникальные физические свойства, ожидавшиеся для идеальных КТ в течение многих лет.
Основными методами получения упорядоченных гетероструктур являются комплексные процессы основанные на молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и химическом осаждении в вакууме из газовой или жидкой фазы. Эти процессы являются дорогими, сложными в эксплуатации, и что самое важное - протекают в течение большого времени даже при реализации одиночных процессов. В массовом производстве эти методы практически мало эффективны. Также, в конечном итоге, образцы, полученные этими методами, являются дорогими и требующими особых условий эксплуатации. В связи с чем возникла необходимость получения квантоворазмерных и упорядоченных структур новыми, дешевыми, пригодными для массового производства методами. Одним из таких методов является ионный синтез.
Данная работа проводилась в рамках большой программы но получению и исследованию самоупорядоченных структур на основе ионно-синтезированных 81'-Ое и Со81г. Был накоплен большой объем информации по упорядоченным объектам па поверхности, при этом возникла проблема обработки и анализа этих результатов, что дало возможность целенаправленной постановки задачи данной работы.
Цель работы
Целью работы был анализ наноразмерных самоорганизованных структур 81-Се и полученных с помощью ионного синтеза. Основная задача данной работы -анализ поверхностей с упорядоченными и неупорядоченными структурами,
образовавшимися в результате ионного синтеза, новыми методиками, основанными на фрактальном расчете, вейвлет и Фурье преобразованиях. Эти методики позволяют получить не только данные по наличию выделенных направлений и симметрии объектов, но и дать количественную характеристику всей поверхности, /три этом фрактальный анализ и вейвлет анализ впервые применены для исследования упорядоченных структур. По результатам анализа ставились новые задачи для получения ионным синтезом новых структур с упорядоченными объектами на поверхности.* Также ставились задачи по дополнительным исследованиям новыми методиками, применяемыми на измерительных установках, например, анализ состава методом точечной оже-спектроскоиии с диаметром пучка - 14 нм на оже-спектрометре или применение фазового и емкостного режимов на атомно-силовом микроскопе.
Научная новизна
Большинство представленных в работе результатов являются совершенно новыми и аналогов в мировой литературе не имеют. Во-первых, это связано с тем, что постановка задачи отвечает наиболее современным требованиям развития
микроэлектроники и серьезно заявившей о себе наноэлектроники, а во-вторых - за счет использования, как наиболее свежих физических подходов и явлений, так и за счет применения новейших методов исследовалия. К числу пионерских результатов следует отнести:
1. Установлено, что применение фрактального и вейвлет анализов в
сочетании с Фурье-анализом дает возможность детального исследования самоорганизованных наноразмерных структур с возможностью выявления скрытых (недоступных для прямого визуального обнаружения) процессов упорядочения. При этом все три метода анализа дополняют друг друга. Они позволяют получать количественные данные по всей поверхности, такие как фрактальная размерность, направленность и размеры объектов образующих структуру, а также их вариации для каждой конкретной поверхности.
2. Установлено, что сформированные наноразмерные структуры могут
проявлять свойства размерного квантования. Это показано на наноразмерных структурах в системе Бі-Ое.
3. Обнаружено, чю яри определенных условиях формирования на
поверхности кремния образуются самоупорядочениые структуры. Для изображений
* Сами эксперименты по обнаружению и исследованию эффекта самоорганизации с образованием наноразмерных структур также проводились с участием автора.
6
данных поверхностей впервые проведен физико-математический анализ с использованием совсем недавно разработанных методов, т.к. фрактальный анализ и вейвлет анализ.
Практическая ценность
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты открывают возможности сознательного применения наиболее эффективных методов анализа поверхности. При этом применены новые методики анализа для структур с упорядоченными и неупорядоченными объектами на поверхности, такие как фрактальный анализ и вейвлет анализ.
В настоящее время накоплен большой объем результатов, связанных с упорядоченными структурами, в связи с чем возникает проблема анализа данных объектов. В основном для анализа этих структур применяется Фурье анализ, который не дает количественных характеристик исследуемых поверхностей. Новые, применяемые в данной работе, методы анализа позволяют дать количественную оценку всего изображения, в том числе характерные для каждой отдельно взятой поверхности, а также сгруппировать но общим признакам. Это дает возможность рекомендовать рассмотренные методы математического анализа в качестве стандартных методов анализа наноразмерных структур.
Положения, выносимые на защиту
1 Самоорганизованные наноразмерные структуры на кремнии, полученные с помощью ионной бомбардировки, могут быть эффективно проанализированы с помощью фрактального анализа, Фурье-трансформадии, вейвлет-анализа, которые дают коррелированные и взаимодополняющие результаты.
2 С помощью ионной бомбардировки возможно создание на поверхности монокристаплического кремния упорядоченных наноразмерных структур. Эффект проявляется при синтезе дисилицида кобальта и твёрдого раствора $ъ()е, а также может быть реализовал на яругах многокомпонентных и моноатомных полупроводниках.
3 Наноразмерные упорядоченные структуры, полученные с помощью ионной бомбардировки на кремнии (СоБ^г, втОе), проявляют свойства ианоразмерного квантования.
Апробация работы
Результаты работы регулярно публиковались в ведущих журналах Российской Федерации, а также в наиболее известных международных журналах, посвященных различным аспектам радиационной физики и технологии твердотельной
7
микроэлектроники.
Полученные б работе результаты были представлены и обсуждались в докладах (оригинальных) на международных, межреспубликанских конференциях, конгрессах и семинарах: 2-й и 3-й международной конференции “Ядерная и радиационная физика” (город Алма-Ата, 1999, 2001); 12-й, 13-й международных конференциях “Модификация твердых тел ионными пучками” (Канела, Бразилия, 2000; Кобэ, Япония, 2002); 13-й и 14-й международной конференции “Технология ионной имплантации” (Альнбах, Австрия, 2000; Таос, США, 2002); международных конференциях “Электроника и информатика” (Москва, МИЭТ, 2000, 2002); межреспубликанских конференциях “Радиационная физика твердого тела” (Севастополь, 1999. 2001, 2002); всероссийских семинарах “Физика ионной имплантации” (Нижний Новгород, 2000, 2002), школе-конференции молодых ученых «Современные проблемы радиационной физики твердого тела» (Томск, 2002).
Содержание работы
По Введении обоснована актуальность темы исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы. Сформулированы основные цели и задачи работы, представлены сведения о структуре и содержании работы. Приведены основные положения выносимые на защиту.
Глава 1 носит аналитический характер и посвяшена проблеме самоорганизации в полупроводниковых материалах. В главе описаны методы анализа, состав структур и анализ проявления ими квантово-размерных свойств, а также технологические методы создания квантово-размерных структур. Эта работа потребовала критического и тщательного сравнительного анализа с тем, чтобы на фоне стремительно развивающегося направления постоянно отслеживать преимущества используемого метода и сравнительную важность собственных результатов. В связи с тем, что в главе приводится критический анализ с выделением наиболее интересных направлений глава носит оригинальный характер.
Глава 2 посвящена экспериментальному исследованию квантово-размерных структур ББОе полученных с помощью ионной имплантации. Методами фрактального и Фурье анализов исследована взаимосвязь между фрактальной размерностью и степенью упорядоченности образовавшихся структур. Также представлены результаты анализа наноразмерных упорядоченных структур $ьОе методами атомно-силовой микроскопии, вторичной масс-спектроскопии, оже-спсктросконии и римановского рассеяния.
В Главе 3 приведены результаты фрактального, Фурье и вейвлет анализов
8
упорядоченных структур Со812 полученных ионным синтезом при высоких плотностях тока ионного пучка. Приведены результаты анализа упорядоченных структур Со$1г методами сканирующей туннельной микроскопии, вторичной масс-спектроскопии и оже-спектроскопии.
В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе.
9
Глава I. Обзор опубликованных материалов и результатов,
необходимых для проведения работ по теме диссертации
[А), А5, А8, А10, АП, А16]
Для проведения работ по анализу квантово-размерных структур и их созданию с помощью ионного синтеза, т.е. работ, не имеющих аналогов в мировой литературе, первоначально было необходимо провести работу по написанию аналитического обзора опубликованных результатов по созданию аналогичных структур другими методами. Эта работа потребовала критического и тщательного сравнительного анализа с тем, чтобы на фоне стремительно развивающегося направления постоянно отслеживать преимущества используемого метода и сравнительную важность собственных результатов. Поскольку в последующих частях работы и полученные результаты, и методы их анализа являются абсолютно новыми, мы считали необходимым все эти сведения вынести в отдельную главу, которая в свете изложенных выше причин представляется нам оригинальной.
1.1. Обзор физико-технологических результатов по созданию квантово-размерных структур
1.1.1. Технологические методы создании квантово-размерных структур
Глобальная тенденция уменьшения размеров элементов ИС сочетается в то же время с другими отчетливо наблюдаемыми тенденциями развития:
для кремниевой технологии резко увеличивается размер исходных пластин: в настоящее время уже реально используются пластины диаметром 300 мм;
планарная (т. е. “двумерная”) технология постепенно становится трехмерной (31)) и на первый план выходят задачи, становящиеся в некоторых странах предметом национальных программ, в частности, программа многоуровневой металлизации (США);
- все более актуальной становится программа создания и применения гетероструктур, сочетающих не только использование дополнительных к полупроводниковым, например, на кремниевой основе, материалов (проводники, диэлектрики), но и других полупроводников, например, Яі-Ое структур.
Выше перечисленные требования и тенденции развития заставляют обращать внимание на опыт и идеи, накопленные в ходе разработки других физико-
- Київ+380960830922