Подготовка поверхности монокристаллического кремния для синтеза наноструктур на его поверхности

Сер. 4. 2008. Вып. 4

ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

УДК 546.28-121+54.057

Е. Г. Земцова, П. Е. Морозов, А. Ю. Арбенин, В. Е. Гайшун, В. М. Смирнов

ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ДЛЯ СИНТЕЗА НАНОСТРУКТУР НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ*)

В данной работе рассматриваются особенности подготовки поверхности кремния, используемого для осуществления воспроизводимого синтеза наноструктур. В работе использовали монокристаллический пластины кремния марки КД 57,5, предварительно отполированные механически до 14 класса чистоты. Ориентация поверхности - {100}. Размер образца 1 х 1 см. Анализ топографии исходной поверхности кремния проводился методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Все измерения по аттестации микротопографии исследуемых образцов проводились с использованием микроскопов Solver PROM компании «НТ-МДТ» на кафедре электроники твердого тела в лаборатории физической электроники.

Поскольку размеры кластеров в формируемых наноструктурах составляют ~ 1 нм (как по ширине, так и по высоте), то принципиально знать разрешение используемых атомно-силовых микроскопов. Калибровка атомно-силового микроскопа позволила сделать вывод, что разрешение по высоте - не хуже 0,1 нм.

Микротопография исходной поверхности кремния. На рис. 1 представлена микротопография исходной поверхности кремния без какой-либо предварительной обработки. Измерения проводились на различных кремниевых пластинках в разных местах и различных по площади участках. Анализ полученных данных свидетельствует о следующем:

• средняя шероховатость исходных поверхностей кремния в пределах площади 11 мкм2 превосходит 1 нм;

• встречаются густо расположенные гряды дефектов с высотой неровностей более 20 нм и шириной ^ 0,1 мкм.

Такая шероховатость поверхности кремния, используемого для синтеза, нас не удовлетворяет, поэтому была проведена работа по дополнительной подготовке поверхности.

Пластины подготавливались к синтезу путем обезжиривания кипячением в растворителе (изопропиловый спирт) в течение 3-5 мин. Затем проводили травление в тра-вителях СР-8 (смесь HNO3 и HF) и затем пластинки промывались 1-3 мин в деионизованной воде, сушились на фильтровальной бумаге. После такой подготовки пластины переносились в чашки Петри.

Примеры микротопографии поверхностей кремния после такой обработке представлены на рис. 2. Видно, что хотя такое травление и приводит к меньшей шероховатости с размерами ~ 1,2—1,0 нм по высоте и шириной от 50 до 75 нм, но такая подготовка

*) Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 07-03-00301 и № 08-03-90003.

© Е. Г. Земцова, П. Е. Морозов, А. Ю. Арбенин, В. Е. Гайшун, В. М. Смирнов, 2008

пт 1,2 -

0

а)

450

пт 0

б)

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Р1апе, пт

Рис. 1. Топография исходной поверхности кремния:

а) АСМ-микротопография поверхности в трехмерном виде (3D); б) профиль линейного сканирования

поверхности не годится для стандартизации поверхности. Травление в этих кислотах было исключено из процесса очистки исходных поверхностей.

Микротопография поверхности кремния после газофазного процесса «стандартизации» поверхности. Газофазный процесс «стандартизации» проводят на основе реакции взаимодействия исходной очищенной поверхности кремния (обезжиренной в растворителе изопропиловом спирте) с парами ССЦ. Реакцию проводили при трех температурах (250, 420, 550 °С) на газофазной установке, описанной в [1]. Пластины кремния обрабатывали парами СС14 в токе осушенного аргона в течении часа

0

а)

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 цш

б)

Ріапе, цш

і

120 -600

в)

(ІШ

0

0

Рис. 2. Топография поверхности кремния после обработки в кислотах:

а) АСМ-микротопография поверхности в двухмерном виде

пш

оо

o'

40

o'

о"

<N

o'

а)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

nm

б)

Plane, nm

nm 1,20 450

)

450

кремния

300

150

0 0 после обработки

в газовой фазе

Рис. 3. Топография поверхности при Т = 250 С:

а) АСМ-микротопография в двухмерном виде

nm

а)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

б)

0,5 1,0 1,5

Plane, ^m

0

0

Рис. 4. Топография поверхности кремния после обработки в газовой фазе при T = 400 С:

а) АСМ-микротопография в двухмерном виде

в газовой фазе, при этом протекала реакция между функциональной группой (OH) кремния и молекулой CCI4. При этом происходит частичное удаление поверхностных атомов кремния, которые находятся в выступах и неровностях поверхности.

После удаления избытка CCI4 потоком сухого аргона проводили обработке полученного продукта парами воды, причем поверхностная хлор-группа замещается на гидроксильную группу. После прекращения подачи H2O осуществляется удаление избытка H2O потоком сухого аргона.

С помощью AFM была исследована микротопография кремниевых подложек, прошедших процесс «стандартизации» при температурах T = 250, 400, 550 °С. Анализ полученных данных показывает, что

- процесс «стандартизации» при T = 250 С, рис. 3, не приводит к изменению рельефа поверхности кремния по сравнению с кремнием обработанным растворами кислот;

- процесс «стандартизации» при T = 400 С привел к поверхности кремния практически нулевой шероховатости, рис. 4.

Следует отметить, что процесс «стандартизации» при T = 550 С приводит к возникновению заметных «ямок травления» с размерами до 2 мкм и более.

Вывод. Таким образом, очевидно, что рост температуры обработки исходной поверхности кремния выше 400 С приводит к увеличению дефектных участков поверхности. На основании полученных данных по стандартизации поверхности кремния выбрана методика подготовки, включающую химическую обработку поверхности четыреххлористым углеродом при температуре 400 С.

Summary

Zemtsova E. G., Morozov P. E., Gaishun V. E,Arbenin A. Y., Smirnov V. M. Single-crystal silicon surface preparation for nanostructure synthesis on its surface.

The process of standardization of silicon surface utilized in the synthesis of nano structures, with a minimal size of 1 nm order is studied. The conditions of silicon surface standardization with the level of roughness of 0.5 nm the order are found with the aid of atomic- power microscopy.

Key words: silicon, nanostructures, synthesis, surface.

Литература

1. Смирнов В. М. Структурирование на наноуровне - путь к конструированию новых твердых веществ и материалов // Журн. общей хим. 2002. Т. 72. Вып. 4. С. 633-652.

2. Алёхин А. П. Физико-химические основы субмикронной технологии. М. 1996.

Принято к публикации 29 августа 2008 г.