<<
>>

10.1. Аморфные нанометровые пленки

  Аксиомой современной полупроводниковой технологии является неоспоримое преимущество монокристаллических материалов над поликристаллическими и, тем более, аморфными. Аморфное состояние принципиально неустойчиво, неуправляемая кристаллизация может привести к потере однородности материала, к разрушению созданного из него прибора.
Однако в природе имеется пример исключительно стабильного аморфного вещества - это обсидиан (вулканическое стекло), основой которого является двуокись кремния. Особые квантовые свойства валентных связей кремния определяют его склонность к образованию аморфных структур. Металлы в аморфном состоянии получить значительно труднее, лишь в последнее время с помощью сверхбыстрой закалки получены аморфные металлы с уникальными магнитными, антикоррозионными и другими свойствами.

Монокристалл оказался таким удобным для современной технологии потому, что царящий в нем идеальный порядок создает однородную среду и как бы имитирует вакуум, но при переходе к нанотехнологии жесткий внутренний порядок кристалла вносит слишком серьезные ограничения в технологию. Хаос аморфного диэлектрика может являться более благоприятной средой для формирования приборов на основе нанотехнологии.

Одним из способов формирования аморфных структур является применение ионных пучков с энергией порядка 100 эВ и более. Такие ионы могут создавать любые структурные связи, пробивая химические барьеры. При не слишком мощных потоках ионов их избыточная энергия рассеивается растущей твердой структурой очень быстро, за пикосекунды (триллионные доли секунды), так что сама структура может оставаться холодной. В то же время атомы, соединяясь в твердое вещество и успев образовать связи с близлежащими соседями не успевают создать дальний порядок, что является идеальным условием для создания аморфного вещества.

Ускоренный ион быстро останавливается, ударившись о подложку и теряет кинетическую энергию, что равносильно охлаждению частицы.

Чем выше была первоначальная энергия частицы, тем сильнее она охлаждается, остановившись. Поэтому формирование твердотельной пленки из потока ускоренных ионов эквивалентно быстрому закаливанию - в обоих случаях в твердом теле не успевает произойти кристаллизация и возникает аморфная структура. Следует отметить, что при ионном синтезе пленок скорость закаливания может быть доведена почти до теоретического предела, который в триллионы раз выше, чем при традиционной тепловой закалке.

В принципе аморфное вещество любого состава может быть получено из ускоренных ионных пучков, если возникающая структура достаточно устойчива при температуре подложки. Необходимо также предотвратить последующую медленную перестройку образовавшейся структуры, зафиксировать аморфное состояние. Особыми достоинствами в этом смысле обладает углерод, т.к. он обладает высочайшими энергетическими барьерами, которые надо преодолеть для внутренней перестройки главных валентных состояний, и может образовывать связи почти со всеми элементами Периодической системы, т.к. является родоначальником центральной четвертой группы.

При конденсации твердой фазы углерода из потока ускоренных ионов достаточно высокой энергии на подложке формируется аморфное вещество со многими свойствами алмаза: высокой твердостью, прозрачностью, высоким коэффициентом преломления, химической стойкостью, низким коэффициентом трения и т.д. Такое вещество получило название "алмазоподобного углерода" (АПУ), в английской версии "diamond-like carbon" (DLC). (К настоящему времени число публикаций по АПУ достигло нескольких тысяч).

Надо сказать, что АПУ это не одно вещество, а целое множество структур на основе углерода. Благодаря своей аморфной структуре АПУ позволяет формировать исключительно однородные, гладкие и беспористые пленки толщиной от 10 нм. Синтез истинно алмазных пленок требует относительно высоких температур (выше 800° С) и предъявляет специальные требования к подложкам, в то время как синтез алмазоподобных пленок (АПП) производится при комнатной температуре и практически на любую поверхность.

Вводя в поток ускоренных атомов углерода различные добавки удается создавать аморфные пленки с уникальными свойствами. Например - пленки с эластичностью пластмассы, электропроводностью металла и твердостью корунда или диэлектрик с теплопроводностью меди.

Развитием технологии АПП является технология "алмазоподобных нанокомпозитов" (АПН), в английской версии "diamond-like nanocomposites" (DLN). Ионы аргона с энергией 50 - 100 кэВ (примерно миллиард градусов по температурной шкале) простреливают пары кремнийорганических соединений и разбивают тяжелые молекулы на легкие заряженные радикалы, которые адсорбируются на твердой подложке и те же самые ионы аргона прошивают их, образуя сплошную пленку толщиной один атом. Слой за слоем формируется алмазоподобная структура, пронизанная кварцеподобными ниточками атомного диаметра. В такой структуре графит образоваться не может и структура оказывается удивительно стойкой к воздействию температуры. В некотором диапазоне температур (примерно от 650 ° до 850° К) она трансформируется в материал еще более похожий на алмаз.

Образование таких структур не имеет объяснения с точки зрения классической теории конденсации, опирающейся на идею миграции молекул по поверхности в поисках энергетически выгодного места локализации, поэтому предложен следующий физический механизм образования пленок. Подлетевшая к кристаллу молекула ударяется о него и, если не попадает в энергетически выгодное для локализации место, отскакивает и вновь и вновь повторяет свою попытку. Вероятность попасть в нужное место составляет примерно одну миллионную долю процента, а время каждого соударения порядка одной стомиллиардной доли секунды. При этом каждая молекула имеет примерно секунду времени и множество молекул, которые в каждый момент находятся в состоянии столкновения с подложкой, образуют некую промежуточную фазу перехода от чистого хаоса исходного газа к строгому порядку кристалла.

Причем локальное равновесие на границе ионного потока , на исчезающе тонкой границе порядка и хаоса, может радикально отличаться от обычного объемного равновесия.

В результате в принципе возможно получение твердых тел, состав и структура которых не соответствуют или даже находятся в противоречии с классической термодинамикой.

Переплетающиеся "атомные нити" алмаза и кварца взаимно стабилизируют друг друга и формируют практически абсолютно однородный аморфный композит. Такой толщины уже достаточно, чтобы на несколько минут защитить поверхность металла от воздействия очень сильной кислоты. Плазма формируется в полузакрытом плазмотроне, где ионизированные частицы собираются электрическим полем и, как обычно, ускоряются в направлении подложки. Исходное вещество, к примеру тяжелая кремнийорганическая жидкость, проходит целый ряд каскадов первоначальной генерации плазмы, в которую входят различные заряженные радикалы, в том числе с углеродом и кремнием. Управляя электрическим полем, можно по разному ускорять радикалы разного типа и направлять их на подложку для выращивания алмазоподобной пленки.

Управляя процессами разделения и ускорения ионов, нетрудно добиться того, что разные углеродные и кремниевые компоненты формируют на подложке независимые и произвольным образом переплетенные друг с другом сетки с ячейками атомных масштабов. Одна сеть, например, состоит из углеродных нитей, в которых соседние атомы в основном соединены друг с другом, как в кристалле алмаза, а свободные углеродные связи стабилизированы водородом. Другую сетку образуют атомы кремния и кислорода, соединенные один с другим, как в стекле из плавленого кварца. В эту структуру может быть вплетена третья сетка - из аморфного металла. Каждая из сеток выполняет свою функцию: углерод придает всей структуре твердость и прочность, кремний - эластичность и прочность соединения с подложкой, металл - уникальные электронные свойства.

В целом структура, которая многократно тверже инструментальной стали, обладает эластичностью полимера, а ее устойчивость к высоким температурам возрастает на многие сотни градусов. Подобные АПН пленки можно наносить на самые различные материалы - от металлов до пластмасс и биополимеров, они могут защищать интегральные микросхемы от воздействия плазмы, температуры, заряженных частиц; осуществлять механическую и химическую защиту солнечных батарей, аккумуляторов, различных датчиков, телевизионной техники, жестких магнитных дисков и т.д. Уникальные свойства АПН пленок побуждают исследователей двигаться необычным путем - пытаться получать пленки все большей толщины для использования их в обычной и макроэлектронике. Если в конце 70-х годов удавалось получать АПН пленки толщиной порядка 8 - 10 нм, в начале 80-х - не толще 200 - 250 нм, то сейчас удается получать пленки толщиной до сотни микрон. Мечтой технологов является возможность получения объемных АПН структур, с одной стороны и выращивания сверхрешеток из многих десятков чередующихся слоев алмазоподобного диэлектрика и алмазоподобного металла с толщиной 2 - 5 нм каждый, между которыми нет границ.

<< | >>
Источник: В. И. Марголин. Основы нанотехнологии. Учебное пособие. 2004

Еще по теме 10.1. Аморфные нанометровые пленки:

  1. Имеет ли журналист право снимать на пленку должностных лиц или иных государственных и муниципальных служащих «при исполнении»? Должен ли он спрашивать на это их разрешение?
  2. ПЛАНАРНЫЕ ПЛЕНКИ
  3. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ
  4. СЕРЕБРО ИЗ ОТРАБОТАННОЙ ФОТОГРАФИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ
  5. Глава 2. Использование нанотехнологий в пищевой промышленности
  6. Кристаллизация объемно-аморфизирующихся сплавов
  7. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ
  8. Конструкционные и функциональные материалы
  9. ПРЕДИСЛОВИЕ
  10. РАЗДЕЛ 3 АМОРФНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
  11. Свойства аморфных металлических систем
  12. Получение аморфных материалов
  13. Методы получения фуллеренов, нанотрубок
  14. РАЗДЕЛ 8 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРНЫХ ПЛЕНОК, ПОКРЫТИЙ
  15. Формирование нанокристаллических пленок
  16. Особенности формирования нанокристаллических покрытий
  17. Потенциальные возможности применение углеродных нанотрубок
  18. Введение
  19. Глава V. Раздел 3. Методы и технологии получения нанодисперсных частиц и наноразмерных пленок.
  20. 10.1. Аморфные нанометровые пленки