МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 37, № 3, с. 200-212
ТЕХНОЛОГИЯ МИКРО-И НАНОСТРУКТУР
УДК 621.382, 621.315
ФОРМИРОВАНИЕ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК А4В6 ПРИ ОБРАБОТКЕ В АРГОНОВОЙ ПЛАЗМЕ
© 2008 г. С. П. Зимин1, Е. С. Горлачев1, И. И. Амиров2, М. Н. Герке3
Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова 2Ярославский филиал Физико-технологического института Российской АН 3Владимирский государственный университет E-mail: zimin@uniyar.ac.ru Поступила в редакцию 26.09.2007 г.
Представлен способ создания микро- и наноструктур на поверхности эпитаксиальных пленок А4В6 на подложках Si(111) при обработке в аргоновой ВЧИ-плазме. Показана роль пронизывающих дислокаций и террас на поверхности в процессе формирования микро- и нановыступов. Определена зависимость параметров процесса распыления от величины ВЧ-смещения, длительности обработки. Установлено, что причиной самоформирования микровыступов является микромаскирование труднолетучими компонентами областей выхода дислокаций на поверхности пленки.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время большое внимание уделяется разработке методов создания микро- и наноструктур на основе различных материалов и их использованию в качестве активных элементов твердотельной электроники и оптоэлектроники. Методики формирования наноструктур на поверхности твердых тел обычно разделяются на две группы [1, 2]. К первой группе методов ("bottom-up" методы) относят молекулярно-лучевую гетероэпитаксию, газофазную эпитаксию, жид-кофазную эпитаксию, синтез коллоидных частиц, темплатный синтез и т.д., в которых формирование наноструктур происходит при особых условиях осаждения материала. Вторая группа (методы "top-down") использует технологические приемы, когда получение наноструктур осуществляется путем селективного удаления участков приповерхностного слоя. Такой подход включает в себя литографические методы, электрохимическое травление, лазерную абляцию, плазмохимиче-ское травление, ионно-плазменное распыление и т.д. Травление в плазме является перспективным методом формирования нанообъектов на поверхности. Примеры использования плазменной обработки для самоформирования масивов наноструктур (nanotips) на поверхности эпитаксиальных слоев GaN без использования каких-либо масок или затравок приведены в работах [1-3].
Полупроводниковые материалы А4В6, активно применяемые при производстве оптоэлек-тронных устройств ИК-диапазона [4], представляют особый интерес с точки зрения получения
структур пониженной размерности. Именно на этих материалах были впервые получены "атомарные" температурные зависимости ширины запрещенной зоны наночастиц [5]. Использование полупроводников А4В6, в частности халькогени-дов свинца PbTe, PbSe, PbS, позволяет осуществить переход к размерному квантованию при характерных размерах элементов 25-50 нм (для сравнения, для Si боровский радиус экситона ~5 нм) [5, 6]. Аномально высокая величина диэлектрической проницаемости (~103) халькогенидов свинца приводит к высокой степени локализации электронов и отсутствию флуктуаций потенциала в наноструктурах [7]. В настоящее время исследования по созданию наноструктурированных полупроводников А4В6 при помощи "top-down" методов практически отсутствуют. Можно указать лишь на работу [8], где демонстрируется возможность плазмохимического травления полупроводников А4В6 для формирования нанорельефа поверхности в виде канавок (grooves) с размерами ~400 нм.
Целью данной статьи является обобщение и систематизация экспериментальных данных авторов по созданию микро- и нановыступов при обработке эпитаксиальных пленок PbTe, PbSe, Pb1 _ xEuxSe в высокоплотной аргоновой плазме низкого давления, частично опубликованных в [9, 10 и др.]. В рамках представленной работы особое внимание уделяется роли структурных особенностей эпитаксиальных пленок А4В6 в процессе формирования модифицированного рельефа поверхности при обработке в аргоновой плазме и исследованию морфологии поверхности при из-
менении режимов обработки (энергии частиц, длительности процесса, материала электрода).
ЭКСПЕРИМЕНТ
Исследуемые эпитаксиальные пленки А4В6 выращивались методом молекулярно-лучевой эпи-таксии (MBE) авторами [11] в Швейцарском национальном институте технологий (ETH, Zurich). Пленки PbTe, PbSe, Pb1 _ xEuxSe (x = 0.06-0.16) были получены на подложках монокристаллического кремния ориентации (111) с буферным слоем CaF2 толщиной 2 нм. Толщина слоев А4В6 находилась в интервале от 1 до 5 мкм. Сравнительные исследования выполнялись на пленках А4В6, выращенных методом MBE на подложках BaF2(111).
Эксперименты по ионно-плазменному распылению эпитаксиальных пленок проводились в реакторе плотной плазмы, подробно описанном в [12]. Конструкция реактора представлена на рис. 1. С помощью ВЧ-генератора f = 13.56 МГц, W = 1кВт) высокочастотный индукционный (ВЧИ) разряд зажигали в разрядной камере (D) - кварцевом стакане диаметром 10 см и длиной 15 см. ВЧ-мощ-ность составляла 800 Вт, мощность ВЧ-смещения на алюминиевом электроде-подложкодержателе менялась в пределах от 0 до 500 Вт. В поле двух катушек плазма диффузно распространялась из разрядной (D) в реакционную (R) камеру. Откачка камеры осуществлялась при помощи турбомо-лекулярного насоса. Предельный остаточный вакуум составлял 2 x 10-6 торр. Использовалась химически инертная аргоновая плазма; расход Ar в основных экспериментах составлял 5 нсм3/мин, рабочее давление (P) - 0.07 Па. Преимуществами используемой ВЧИ-плазмы являлись низкое рабочее давление, высокая плотность потока ионов, независимое контролирование энергии ионов за счет изменения мощности ВЧ-смещения [13, 14]. В качестве накладной маски использовался монокристаллический кремний. Высота ступени на границе распыленной и нераспыленной областей контролировалась при помощи профилометра Talystep.
Изучение микрорельефа поверхности образцов проводилось с использованием методов атом-но-силовой микроскопии (ACM) на ACM SMENA и NTEGRA PRIMA (NT-MDT Co.), а также на Omicron AFM/STM. АСМ-измерения проводились ex situ в полуконтактном режиме, на воздухе. Использовались кремниевые кантилеверы NSG 11. Длина зонда составляла 10-15 мкм, угол радиуса острия - не более 22 град, характерный радиус острия - 10 нм.
К
О
о о
к
D
к
о-о о
к
R
Рис. 1. Схема реактора плазмы ВЧИ-разряда.
ХАРАКТЕРИСТИКА РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК РЬТе НА ПОДЛОЖКАХ СаР^КШ) ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ В АРГОНОВОЙ ВЧИ-ПЛАЗМЕ
Первые эксперименты по обработке поверхности пленок халькогенидов свинца в аргоновой плазме были выполнены на эпитаксиальных структурах я-РЬТе/СаГ^КШ) [9]. Особенностью эпитаксиальных структур А4В6/СаГ2/81(111) является присутствие на поверхности треугольных террас высотой до 2 нм и выходов вертикальных пронизывающих дислокаций, плотность которых обычно находится в диапазоне 1 х 107-5 х 108 см-2. Механизм формирования структурных неоднород-ностей описан в [15]. Пластическая релаксация механических напряжений в эпислоях А4В6(111), вызванных значительным (700%) несоответствием термических коэффициентов линейного расширения материалов пленки и подложки, происходит путем скольжения вдоль направлений (100) и образования террас на поверхности. Присутствие пронизывающих дислокаций в пленке вызвано несоответствием постоянных кристаллической решетки материалов (5.43 А для & и 6.50 А для РЬТе). Типичная АСМ-топография исходной поверхности эпитаксиальных пленок РЬТе/СаГ2/81(111) показана на рис. 2. На поверхности присутствовали ямки
нм
4000
3000
2000
1000
1000 2000
3000 4000 нм
Рис. 2. АСМ-изображение поверхности эпитаксиальной пленки РЬТе на подложке Сар2/81(111).
выхода дислокаций с латеральными размерами 250-300 нм (плотность 1 х 108 см-2) и характерные террасы высотой 1.5-2 нм (плотность выступающих вершин треугольных ступеней (апексов) составляет (2-3) х 109 см-2).
В ходе плазменной обработки происходило формирование ступени травления в РЬТе на границе с маской, селективное распыление поверхности пленок, приводящее к значительной модификации рельефа. Трехмерное АСМ-изображение поверхности эпислоя РЬТе на 81 после плазменной обработки при величине мощности ВЧ-смещения 400 Вт и времени обработки 30 с приведено на рис. 3а. На поверхности присутствовали крупные выступы субмикронных размеров (микровыступы) высотой 350-450 нм и полушириной 300-400 нм, с плотностью ~108 см-2. Толщина распыленного слоя, определенная из измерения
ступени травления, составила 450 нм; скорость распыления РЬТе оказалась аномально высокой и равнялась 15 нм/с. В верхней части всех микровыступов присутствовали ямки треугольной формы с латеральными размерами 250-300 нм. АСМ-изображение типичного выступа и его профиль показаны на рис. 36 и 3в. Крупные выступы были расположены на фоне однородного нанорельефа. Трехмерное АСМ-изображение мелких выступов (нановыступов) на поверхности РЬТе/Сар2/81(111) после плазменной обработки приведено на рис. 4. Высота наноструктур составляла 15-55 нм, полуширина выступов находилась в интервале 40-85 нм, их плотность равнялась (2-3) х 109 см-2.
Сравнение величин плотностей микро- и нановыступов с параметрами структурных особенностей пленок РЬТе приведено в таблице. Строгое соответствие плотности дислокаций в исходной
0
Параметры пленок РЬТе
№ Примесь Толщина, мкм Плотность дислокаций, см-2 Плотность микровыступов, см-2 Плотность нановыступов, см-2
1 - 5.0 2 х 107 2 х 107 2 х 109
2 - 4.5 4 х 107 4 х 107 3 х 109
3 - 4.3 7 х 107 7 х 107 3 х 109
4 Ы 3.2 1 х 108 1 х 108 2 х 109
нм 600
4002000
26 26
(б)
нм
450400350300250200150 -100 50
I
нм 400
350
300
250
200
150
100
50
(в)
28.0
25.5 мкм
29.0
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 мкм
Рис. 3. (а) - трехмерное АСМ-изображение поверхности пленки PbTe/CaF2/Si(111) после обработки в плазме (исходное состояние показано на рис. 2); (б) - АСМ-топография характерного микровыступа на поверхности пленки; (в) - про-филограмма выступа.
пленке и микровыступов после травления, а также присутствие на вершинах выступов ямок выхода дислокаций позволяют утверждать, что крупные выс
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.