Устройство для получения силицена

Полезная модель относится к области получения эпитаксиальных тонкопленочных материалов в вакууме и может быть использована для производства кремнийсодержащих логических компонентов приборов наноэлектроники, композитных материалов для реального сектора экономики.
В последние годы широко изучаются двумерные материалы, которые имеют потенциал заменить кремний в устройствах микроэлектроники. Одним из таких материалов является графен - монослой атомов углерода, расположенных в узлах шестиугольных ячеек. За последние 15 лет он уже достаточно хорошо изучен как теоретически, так и экспериментально, известно большое количество методов производства как чистого графена, так и устройств на его основе.
Кремниевым подобием графена является силицен - материал, имеющий такую же кристаллическую структуру, но состоящий из атомов кремния. В последнее время начали появляться теоретические работы [1], показывающие схожесть этих материалов: Дираковский конус электронных состояний в К точке зоны Бриллюэна, перенос заряда осуществляется безмассовыми фермионами. Однако, вследствие нестабильности монослоя атомов кремния, успешных способов производства и устройств для получения силицена, на текущий момент, известно крайне мало.
2
2
S
Eu
s
Gd
Gd
s
s
-8
-8
-8
-8
Известен способ получения эпитаксиальных слоев силицена, интеркалированного европием [2] и гадолинием [3]. Способ [2] основан на стабилизации требуемой фазы EuSiпутем ее эпитаксиального роста на предварительно сформированном на Si(001) или Si(111) буферном слое SrSi. Способ заключается в осаждении методом молекулярно-лучевой эпитаксии атомарного потока стронция с давлением Psr=(0.5÷3)⋅10 торр на предварительно очищенную и нагретую до T=500±20°C поверхность подложки кремния до формирования пленки дисилицида стронция, а затем в осаждении атомарного потока европия с давлением P=(0.5÷10)⋅10 торр на подложку при температуре T=430÷550°C до формирования пленки дисилицида европия толщиной не более 8 нм. Способ [3] основан на осаждении атомарного потока гадолиния с давлением P (от 0.1 до менее 1)×10торр или P (от более 1 до 10)×10торр на предварительно очищенную поверхность подложки Si(111), нагретую до T=350°С ÷ менее 400°С или T=более 400÷450°С, до формирования пленки дисилицида гадолиния толщиной не более 7 нм.
Недостатком известных устройств является высокая стоимость получения конечного материала за счет применения сложного технологического процесса с использованием редкоземельных металлов. Кроме того, материал, сформированный подобным образом, имеет периодическую структуру, разделенную редкоземельными металлами, а не отдельный монослой силицена.
3
-9
Известно устройство для реализации способа [4, 5] изготовления силиценовых слоев на подложке кристаллического бета-нитрида кремния. В известном устройстве за счет нагретой до 100-350°С подложки, в качестве которой используется термически очищенная в вакууме пластина кристаллического кремния Si(111), на поверхности которой термическим способом (при температуре 700-800°С и экспозиции в аммиаке (NH) от 10 до 250 Ленгмюр) выращен слой нитрида кремния, осуществляется рост силицена методом молекулярно-лучевой эпитаксии в вакууме не меньше, чем 1×10 мбар. Преимущество данного устройства заключается в использовании метода молекулярно-лучевой эпитаксии для нанесения атомов кремния, формирующих силицен. Этот способ достаточно прост в использовании и позволяет контролировать количество нанесенного материала в широких диапазонах. Благодаря этому, в устройстве, реализующем известный способ, продемонстрировано формирование именно монослойного силицена.
Недостатком известного устройства является использование в процессе подготовки подложки токсичных (аммиак) веществ, а толщина и качество кристаллической структуры получаемого силицена остается нераскрытыми.
1-x
x
-5
Известно устройство, представленное в виде конкретного примера, подтверждающего работоспособность заявленного в патенте [6] способа напыления в вакууме структур для приборов электронной техники, способа регулирования концентрации легирующих примесей при выращивании таких структур и резистивного источника паров напыляемого материала и легирующей примеси для реализации указанного способа регулирования. В предлагаемом устройстве используется вакуумная камера, в которой получение кремний-германиевых структур происходит за счет испарения резистивно нагреваемых пластин, выполненных из кремния, и введения молекул, содержащих германий, в поток паров напыляемого материала, конденсируемых на подложку, в получении потока паров одновременно участвуют первая пластина, выполненная из кремния, температуру нагрева которой поддерживают на уровне величины, задающей высокую скорость роста напыляемой структуры, например, при температуре в интервале 1380-1430°С, и вторая пластина, выполненная из сплава кремния с германием (SiGe) с содержанием германия, например в интервале 4-8% (максимальная концентрация германия - в исходных источниках, полученных вытягиванием из расплава), причем температуру нагрева второй пластины поддерживают на уровне температуры расплавления участка рабочей поверхности этой пластины и выращивают при этом при давлении не более 10 Па на подложке эпитаксиальную структуру напыляемого кремния, регулируя концентрацию германия в структуре, соответственно от 30 до 70% в зависимости от содержания германия в материале второй пластины.
-5
Недостатком известного устройства является низкая производительность используемой системы откачки, за счет выбора средств откачки, которые позволяют достигнуть вакуум только на уровне 10 Па. Работа известного устройства при таком уровне вакуума не обеспечивает отсутствие дополнительных загрязнителей (углерод, кислород) в нанесенном покрытии. Кроме того, отсутствует возможность контролировать толщину сформированного покрытия с высокой точностью, что необходимо для формирования двумерной упорядоченной структуры, которой является силицен.
Известно устройство, представленное в виде резистивного испарительного блока, подтверждающего работоспособность заявленного в патенте [7] способа настройки эпитаксиального выращивания в вакууме легированных слоев кремния. Испарительный резистивный блок представляет собой вакуумную камеру с закрепленной внутри подложкой кремния, двумя источниками - кремния и легирующего элемента, а также имеет подвижный тепловой экран, расположенный между этими двумя источниками. Для роста легированных слоев кремния источник атомов кремния разогревается до температур 1350-1400°С, температура источника легирующих атомов определяется положением теплового экрана и варьируется в пределах 250-1350°С, температура кремниевой подложки поддерживается в диапазоне 400-500°С.
Недостатком известного устройства является его ориентированность на нанесение толстых слоев легированного кремния, за счет отсутствия в вакуумной камере средств контроля толщины наносимых покрытий, отсутствие которых приводит к вариации толщины наносимого слоя. В конечном итоге вариация толщины наносимого слоя не формирует условия для роста упорядоченной двумерной структуры, которой является силицен.
-7
Известно устройство, представленное в виде конкретного примера, подтверждающего работоспособность заявленного в патенте [8] способа формирования эпитаксиального массива монокристаллических наноостровков кремния на сапфировой подложке в вакууме, принятое в качестве прототипа. Прототип включает в себя вакуумную камеру, имеющую систему откачки и контроля давления, источник кремния, имеющий источник питания для регулирования температуры источника, нагреватель подложки и регулируемый источник питания нагревателя. Работа известного устройства осуществляется следующим образом. В вакуумной камере УВН-83П-I создается вакуум не более 7⋅10 торр. Сапфировая подложка размещается в камере на танталовом нагревателе и предварительно очищается от поверхностных загрязнений путем отжига в вакууме до 1200°С. Затем, через расположенный в вакуумной камере источник кремния пропускают электрический ток, что приводит к испарению с него атомов кремния, которые осаждаются на сапфировой подложке, нагретой до 550-700°С. При длительности напыления от 5 с до 2 мин получалось покрытие из наноостровков кремния с диаметром основания от 4 до 20 нм и высотой от 2 до 20 нм.
-7
Недостатком прототипа является низкая точность определения толщины нанесенного покрытия за счет использования эмпирической формулы для оценки толщины покрытия, чего недостаточно для формирования двумерной упорядоченной монослойной структуры, которой является силицен. Кроме того, используемая в прототипе система откачки не обеспечивает сверхвысоковакуумные условия в вакуумной камере, за счет выбора средств откачки, которые позволяют достигнуть вакуума только на уровне 10 Торр. Тем самым, не обеспечивается достаточная чистота покрытия, что приводит к окислению кремниевого покрытия и силицена в частности.
Заявленная полезная модель свободна от этих недостатков.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение транспортных характеристик (подвижности носителей заряда) получаемого силицена за счет улучшения кристаллической структуры на единице площади (итоговое качество кристаллической структуры определяется количеством разноориентированных доменов силицена на единице площади).
Указанный технический результат достигается за счет использования монокристаллической подложки вольфрама с нанесенным на нее монокристаллическим слоем серебра для облегчения процесса упорядочивания слоя атомов кремния, а также наличия кварцевых микровесов для повышения точности определения количества напыленного кремния.
Сущность заявленной полезной модели поясняется фигурой, на которой приведена схема ее устройства. Устройство для получения силицена представляет собой вакуумную камеру 1, к корпусу которой посредством фланцевых соединений 2 присоединены система откачки и контроля давления 3, источник кремния 4, выполненный с возможностью подсоединения через кабель к источнику питания 5, кварцевые микровесы 6, выполненные с возможностью подсоединения к блоку управления 7, нагревательный элемент 8, выполненный с возможностью подключения через кабель к источнику питания 9. На нагревательном элементе закреплена монокристаллическая вольфрамовая подложка с нанесенным на ее поверхность слоем монокристаллического серебра 10. Кварцевые микровесы 6 и нагревательный элемент 8 закреплены внутри камеры 1 на одинаковом расстоянии от источника кремния 4 и симметрично относительно его оси.
Устройство работает следующим образом.
-8
-10
После установки монокристаллической вольфрамовой подложки с предварительно нанесенным монокристаллическим слоем серебра 10 на нагревательный элемент 8, вакуумная камера 1 герметизируется и включается система откачки и контроля давления 3. При достижении давления в камере 1 уровня вакуума от 10 до 10 мбар при помощи системы откачки и контроля вакуума 3, с источника питания 9 подается ток на нагревательный элемент 8 с закрепленной на его поверхности монокристаллической вольфрамовой подложкой с предварительно нанесенным монокристаллическим слоем серебра 10. При достижении монокристаллической вольфрамовой подложкой с предварительно нанесенным монокристаллическим слоем серебра 10 определенной температуры (в диапазоне от 200 до 300°С) включается источник кремния 4, скорость нанесения которого настраивается источником питания 5 (в диапазоне от 0.01 до 0.02 нм/мин). Контроль скорости потока кремния от источника 4 проводится при помощи блока управления кварцевыми микровесами 7. Скорость нанесения покрытия на кварцевые микровесы 6 и на монокристаллическую вольфрамовую подложку с предварительно нанесенным монокристаллическим слоем серебра 10 одинакова, поскольку они расположены на одном уровне и симметрично относительно оси источника кремния 4. После нанесения одного монослоя кремния на поверхность вольфрамовой подложки с предварительно нанесенным монокристаллическим слоем серебра 10 источник кремния 4 выключается. По прошествии 5-15 мин источник питания 9 выключается и нагреватель 8 охлаждается до комнатной температуры. Силицен формируется за счет миграции атомов кремния на поверхности нагретой монокристаллической вольфрамовой подложки с предварительно нанесенным монокристаллическим слоем серебра 10, а кристаллическая ориентация силицена задается структурными параметрами слоя серебра. Полученный в результате работы устройства силицен, сформировавшийся на поверхности вольфрамовой подложки с предварительно нанесенным монокристаллическим слоем серебра 10, используется вместе с монокристаллической вольфрамовой подложкой и монокристаллическим слоем серебра или снимается с монокристаллической вольфрамовой подложки химическим методом.
Заявленная полезная модель была апробирована в ресурсном центре «Физические методы исследования поверхности» Научного парка и лаборатории «Электроника поверхности» кафедры Электроники твердого тела Физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ).
Конкретные примеры реализации приведены ниже:
Пример 1.
-8
-10
Устройство для получения силицена, в котором в качестве вакуумной камеры 1 использовалась подготовительная камера модуля фотоэлектронной спектроскопии научно-исследовательской станции «платформа Нанолаб» с имеющейся системой откачки и контроля вакуума 2. В течение всего времени вакуум поддерживался на уровне 10 - 10мбар.
В качестве нагревателя 8 использовалось устройство нагрева образцов данного модуля, на котором сверху была размещена подложка, выполненная из монокристаллического вольфрама с кристаллографическими индексами (110) в виде прямоугольной пластины размером 10*10*2 мм. На подложку предварительно методом физического осаждения был нанесен монокристаллический слой серебра с кристаллографическими индексами (111) толщиной 5 нм.
Работа устройства апробировалась следующим образом. Нагреватель 8 подключался к регулируемому источнику питания 9 и нагревался до температуры 200°С. Контроль температуры осуществлялся с помощью однолучевого инфракрасного пирометра Keller MSR PZ20 AF02 и термопары, смонтированной непосредственно у подложки. Затем включался источник кремния 4, скорость нанесения которого настраивается источником питания 5 (в диапазоне от 0.01 до 0.02 нм/мин). Контроль скорости потока кремния от источника 4 проводится при помощи блока управления кварцевыми микровесами 7. После нанесения одного монослоя кремния на поверхность монокристаллической вольфрамовой подложки с нанесенным на ее поверхность монокристаллическим слоем серебра 10 источник кремния 4 выключался. По прошествии 5 минут источник питания 9 выключался и нагреватель 8 охлаждался естественным образом до комнатной температуры.
После окончания работы устройства, с нагревательного элемента 8 снималась вольфрамовая подложка с нанесенным монокристаллическим слоем серебра 10 и сформировавшимся на его поверхности силиценом и помещалась в аналитическую камеру фотоэлектронного спектрометра. По результатам анализа, проведенного методами ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии и дифракции медленных электронов, было подтверждено формирование на поверхности подложки с предварительно нанесенным монокристаллическим слоем серебра 10 однослойного структурированного силицена.
Пример 2.
Устройство для получения силицена, отличающееся от примера 1 тем, что вольфрамовая подложка с нанесенным монокристаллическим слоем серебра 10 выполнена в виде слоя монокристаллического слоя серебра с кристаллографическими индексами (111) толщиной 300 нм на монокристаллической подложке вольфрама с кристаллографическими индексами (110), а время работы нагревательного элемента 8 после нанесения монослоя кремния составляло 15 минут.
-9
Работа устройства апробировалась в той же последовательности действий, как и в приведенном примере 1. После достижения в вакуумной камере 1 вакуума порядка 1*10мбар, нагреватель 8 подключался к источнику питания 9 и нагревал подложку с предварительно нанесенным монокристаллическим слоем серебра 10 до температуры 200°С. Затем включался источник кремния 4, скорость нанесения которого настраивается источником питания 5 (в диапазоне от 0.01 до 0.02 нм/мин). После нанесения одного монослоя кремния на поверхность монокристаллической вольфрамовой подложки с нанесенным на ее поверхность монокристаллическим слоем серебра 10 источник кремния 4 выключался. Через 15 минут после выключения источника кремния 4 источник питания нагревателя 7 выключался, и устройство охлаждалось до комнатной температуры.
После этого подложка с нанесенным на ее поверхность монокристаллическим слоем серебра 10 снималась с нагревателя 8, и проводился анализ ее поверхности. По результатам анализа, проведенного методами ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии и дифракции медленных электронов, было подтверждено формирование на поверхности монокристаллической подложки вольфрама с нанесенным на ее поверхность монокристаллическим слоем серебра 10 структурированного силицена с большим количеством доменов ориентированных в одном направлении.
Приведенные выше примеры подтверждают достижение технического результата и позволяют использовать заявленное устройство в технологическом цикле производства кремнийсодержащих логических компонентах приборов наноэлектроники (таких, например, как полевой транзистор, ячейка магнитной памяти), а также широкого класса композитных материалов на основе силицена для реального сектора экономики.
Список использованной литературы
1. А.Е. Галашев, и др. - Структура и устойчивость дефектного силицена на подложках (001) Ag и (111) Ag: компьютерный эксперимент // Физика твердого тела. - 2017. - Т. 59. - №6. - С. 1218-1227.
2. Патент RU 2663041 C1.
3. Патент RU 2710570 C1.
4. Патент ЕР 2867391.
5. Патент WO 2014/002123.
6. Патент RU 2511279 C1.
7. Патент RU 2699949 C1.
8. Патент RU 2600505 C1 (прототип).