МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 6, с. 441-455
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 519.6;530.51
ПРОЦЕССЫ САМООРГАНИЗАЦИИ ПРИ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОМ ФОРМИРОВАНИИ НАНОСТРУКТУР В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ © 2014 г. Н. А. Аржанова1, М. А. Проказников1, А. В. Проказников2
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова 2Ярославский филиал Физико-технологического института Российской АН E-mail: prokaznikov@mail.ru Поступила в редакцию 24.02.2014 г.
Исследуется роль поверхностных процессов в формировании динамики электрохимических реакций кремния со фторсодержащими электролитами в ходе реакций порообразования в кремниевой матрице в технологиях наноструктурирования поверхности и объема. Показано, что закономерности обмена зарядами между средами через поверхность объясняют наблюдающиеся режимы анодирования: стабильные, колебательные и хаотические. Предложенный подход позволяет объяснить режим анодирования, связанный с синхронизованным изменением контуров стенок пор, а также с глобальными колебательными процессами в системе кремний/электролит, что позволяет конструировать трехмерные электронные системы.
DOI: 10.7868/S0544126914060027
ВВЕДЕНИЕ
Коллективные явления самоорганизации исследуются в стремительно развивающейся междисциплинарной области исследований, закономерности которой обладают достаточно широкой общностью [1, 2], охватывающей, в том числе, и широкий круг технологических и физических процессов современной электроники. Явления самоорганизации лежат в основе большого числа процессов, относящихся к различным областям, которые связаны с развитием материи в направлении возникновения в открытых, нелинейных системах новых свойств, обусловленных имеющимися нелинейностями в зависимостях динамических параметров. Сфера применения основных принципов и методов синергетики охватывает области многих, в том числе технических и гуманитарных наук [2]. В частности, самоорганизационные процессы лежат в основе как большого числа технологических манипуляций в современной нано- и микроэлектронике, так и фундаментальных физических явлений, которые служат основой при создании новых поколений современных электронных устройств. Исследование явлений самоорганизации в различных физических процессах ведется сравнительно давно. Экспериментально наблюдаемые явления самоорганизации чаще всего выражаются в синхронизации динамических параметров системы, образовании кластерных структур или появлении автоколебательных и автоволновых процессов. К настоящему времени построено большое число математи-
ческих моделей, с разной степенью адекватности объясняющих подобные явления. Процессы адсорбции и кластерообразования являются яркими представителями процессов самоорганизации и активно используются в технологических приложениях. Например, физическая адсорбция при математическом моделировании до настоящего времени детально не изучалась в качестве динамического процесса, а построенные математические модели не объясняют хаотического поведения параметров адсорбционной системы. При математическом моделировании процессов порообразования, рассматриваемых как пример кластерной системы, получены различные кластерные структуры, но в этих моделях не учитывается динамика поверхностных явлений. Представленная совокупность экспериментальных фактов из области физики взаимодействия поверхности с активными газовыми и жидкими средами к настоящему времени не находят исчерпывающего объяснения в рамках единой теории.
Принцип самоорганизации в настоящее время является одним из общих, базовых положений в объяснении фундаментальных аспектов современного мироустройства [1] и основных тенденций его развития. В частности, подобные вопросы общего характера возникают и при исследовании направления развития процессов трансформации структуры поверхности и объема твердых тел при их взаимодействии с химически активными средами, что находит свое применение при нанострук-турной модификации свойств поверхности и объ-
ема электронных систем. Эти вопросы касаются, в частности, характерного отклика системы на внешнее воздействие, выражающееся либо в формировании структур пониженной размерности с различной морфологией, либо наличия режима электрополировки, а также смены различных динамических режимов анодирования и др. Важным аспектом для нано- и микроэлектроники является понижение размерности пространства при химическом и электрохимическом воздействии активных сред на ряд твердотельных соединений. Этими соединениями являются вещества, обладающие как металлическими, так и полупроводниковыми свойствами. В подобных соединениях возможно протекание химических, либо электрохимических реакций, приводящих к формированию пористого пространства [3, 4]. Характерными особенностями этих процессов являются, во-первых, протекание реакций через поверхность раздела двух сред, во-вторых, изменение зарядовых состояний веществ, находящихся в контакте. Изменение зарядового состояния системы может быть, следовательно, своеобразным индикатором активации определенного рода процессов. Одной из технологически освоенных к настоящему времени систем такого рода является пористый кремний (ПК), различным аспектам формирования и использования которого посвящена многочисленная научная литература (в частности, обзоры [3—5]). Несмотря на громадное количество научной литературы, посвященной исследованию различных аспектов проблемы реакции системы на внешнее воздействие понижением размерности одного из компонентов сложной системы и развитием поверхности раздела, окончательного, общепринятого решения всех теоретических моментов этих явлений к настоящему времени не существует. Один из таких нерешенных моментов, незначительно разработанных к настоящему времени, — процесс синхронизации элементарных актов, составляющих процесс анодирования, в частности, кремния в растворах плавиковой кислоты. В работах [6—11] было продемонстрировано наличие режимов анодирования, сопровождающихся периодическими изменениями динамических параметров системы, в частности, тока и напряжения. Процессы самоорганизации, выражающиеся в периодическом изменении тока и напряжения, наблюдались в сенсорных системах на основе низкоразмерных систем, в частности, пористого кремния [12, 13]. Эти факты свидетельствуют о влиянии процессов, протекающих на границе раздела сред, на формирование совокупного отклика системы в ходе динамического изменения структуры фронта модификации твердотельной составляющей.
Достаточно важными для теоретических обобщений представляются отмеченные выше иссле-
дования физических свойств сенсорных структур на основе ПК, демонстрирующих те же закономерности в поведении динамических параметров, что и процесс анодирования кремния в растворах плавиковой кислоты [12, 13]. Это свидетельствует об общей природе протекающих в этих системах процессов, основой которых являются процессы, протекающие через поверхность твердого тела. Динамика обнаруженных явлений проявляет себя в классе процессов, возникающих при приложении электрического потенциала, а, следовательно, связанных с транспортом электрического заряда. Важно разделение системы на различные по свойствам и структуре составляющие, а также взаимодействие этих составляющих между собой с возможностью синхронизации и стохастизации динамических процессов в этой сложной системе. Отличительным свойством исследуемой ситуации является также различие и взаимосвязь глобальных и локальных процессов в сложной системе, во многом аналогично другим подобным системам [14].
Осцилляционные явления в сенсорных системах на основе ПК свидетельствуют, прежде всего, о вкладе адсорбционных явлений на поверхности подобных систем в формирование результирующей реакции сенсорного устройства [12, 13]. Эти процессы связаны с обменом зарядами между объемом полупроводника и зарядом на молекулах и ионах, адсорбированных на поверхности [12, 13]. Поведение подобных систем представляет интерес ввиду обнаруженной нетривиальности динамики протекающих процессов. В частности, осцилляци-онные явления были обнаружены в системах с адсорбцией СО на гранях Pt с различной симметрией [15]. Особенностью поведения подобных систем является наличие периодических орбит типа "утки" ("canard"), которые обладают притягивающими и отталкивающими свойствами для медленной компоненты [15] в быстро-медленных динамических сингулярно-возмущенных системах [16, 17].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ПО КОЛЕБАТЕЛЬНЫМ ПРОЦЕССАМ В ЯВЛЕНИЯХ НА ПОВЕРХНОСТИ
И СВОЙСТВА ПРИГРАНИЧНОГО СЛОЯ
В ходе управляемого посредством вольт-амперной характеристики (ВАХ) процесса формирования требуемой конфигурации пористого пространства отмечались динамические особенности поведения системы кремний-электролит в ходе процесса анодирования в растворах плавиковой кислоты. На рис. 1 представлены ВАХ реальных процессов анодирования кремния в растворе HF в режиме формирования пор для изготовления электролюминесцентных и сенсорных структур на ПК [18, 19]. Эти структуры, способы их изготов-
(а)
J, мА/см2 40
30 20
10
70 8 V, В
J, мА/см2 60
50 40 30 20 |-10
0
(б)
70 80 V, В
Рис. 1. Вольт-амперные характеристики процесса анодирования кремния для различных режимов: (а) — для образца (В5) в крайней правой точке 1 вблизи конца ВАХ анодирование проводилось длительностью 1 с; для образца (В2) в крайней правой точке вблизи конца ВАХ анодирование проводилось длительностью 2 с. Длительность дальнейшего анодирования для обоих образцов составляла 10 мин. Подсветка для процесса на (б) расположена ближе к поверхности анодируемого образца.
ления, люминесцентные свойства и особенности их работы в качестве газовых сенсоров подробно описаны в работах [12, 13]. При их изготовлении в ходе процесса анодирования предварительно в течение порядка 10 с снималась полностью ВАХ, изображенная на рис. 1а. Процесс анодирования производился в течение 1 с при нахождении системы в точке, отмеченной цифрой 1 на левом графике, после чего система переводилась в положение, отмеченное точкой 2 на левом графике и процесс формирования пор продолжался в течение 10 мин. Такая
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.