Аппарат для получения микронных и наноразмерных монокристаллов топологических изоляторов методом физического осаждения из газовой фазы (PVD)

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к устройствам для получения наноструктур методом физического осаждения из газовой фазы (PVD), а более конкретно, субмикронных и наноразмерных монокристаллов топологических изоляторов (далее ТИ), Наноструктуры, изготовленные с помощью данной полезной модели перспективны для создания элементной базы сверхпроводящей наноэлектроники и спинтроники, в том числе устройств для квантовых вычислений, например, майорановских кубитов.
Известны различные способы изготовления субмикронных джозефсоновских структур, в основе которых лежат технологии послойного напыления тонких пленок сверхпроводников, барьеров и функциональных слоев на диэлектрическую подложку и формирования их топологии методами плазменного или химического травления и электронной или фотолитографии. Джозефсоновские структуры, в свою очередь разделяются на два основных типа: сэндвичевые и планарные, что обусловлено способами их изготовления. Нерешенной на сегодняшний день проблемой является уменьшение гибридных джозефсоновских структур до субмикронного уровня для их интеграции в электрические цепи с высокой плотностью упаковки активных элементов.
Ключевым моментом при создании гибридных джозефсоновских контактов с использованием единичных нанопластин в качестве элемента слабой связи является технология получения нанопластин заданной толщины и субмикронных латеральных размеров.
В настоящее время существует три основных способа создания микро- и наноразмерных монокристаллов топологических изоляторов для использования их в различных субмикронных иланарных гибридных структурах, в т.ч. джозефсоновских: 1) эксфолиация - отделение нескольких слоев от монокристалла, выращенного, например, методами Чохральского или Бриджмена; 2) молекулярно-лучевая эпитаксия (МВЕ); 3) метод физического осаждения из газовой фазы (PVD); 4) химического осаждения из газовой фазы CVD.
Широкое применение для получения микро- и наноразмерных монокристаллов получил процесс физического (PVD) осаждения. В отличие от метода эксфолиации он позволяет контролировать толщину и латеральные размеры монокристаллических нанопластин, а также не требует сложного высоковакуумного оборудования, необходимого для МВЕ. Метод PVD практичен, прост, гибок и подходит для получения монокристаллических нанопластин ТИ заданной толщины. В рамках настоящей полезной модели разработана конструкция аппарата (установки) для получения субмикронных монокристаллических нанопластин топологических изоляторов. Основной особенностью полезной модели является наличие индивидуального индукционного нагрева образца и источников материала ТИ, что позволяет гибко управлять режимом осаждения, а именно своевременно изменять температуру одного или нескольких источников и температуру образца в пределах 100-700°С.
Уровень техники
Известно устройтво для получения субмикронных монокристаллических нанопластин топологических изоляторов, выбранный в качестве наиболее близкого аналога (прототипа), описание которого представлено в патенте [1].
2
3
В приведенных патентах и статье описано устройство для получения монокристаллических пластин BiTeтолщиной несколько десятков нанометров методом химического осаждения из газовой фазы. Недостатком конструкции установки, описанной в патенте [2], является использование внешней однозонной печи с резистивным нагревом, при котором наиболее высокую температуру (до 900°С) в реакторе имеют стенки кварцевой трубки реактора, что негативно сказывается на качестве кристаллов (стехиометрия, содержание примесей), из-за неконтролируемого оседания на подложке атомов примесей и материала ТИ, летящих со стенок нагретой кварцевой трубы реактора. Также в данных патенте и статье [3, 4] отсутствует индивидуальное управление температурами источников вещества ТИ и образца. Описанный в данной заявке аппарат (установка) лишен таких недостатков.
Раскрытие полезной модели
2
3
2
3
2
3-x
x
Технической задачей настоящей полезной модели является усовершенствование конструкции устройств, предназначенных для осаждения монокристаллов ТИ микронных и субмикронных размеров различных соединений (например, BiTe, BiSe BiTeSe и др.) методом физического осаждения из газовой фазы.
Технический результат, достигаемый в заявленной полезной модели, заключается в улучшении качества (стехиометрии, чистоты, минимизация примесей) монокристаллов, получаемых методами физического и химического осаждения из газовой фазы (PVD/CVD),
Технический результат при осуществлении данной полезной модели достигается тем, что для получения микро- и наноразмерных монокристаллов ТИ используется аппарат, позволяющий проводить осаждение с независимым контролируемым нагревом держателя источника с исходным веществом и держателя образца с подложкой с помощью индукционных нагревателей. Индукционный нагрев позволяет точно контролировать и поддерживать температурный режим, необходимый для роста монокристаллов и многослойных гетероструктур. Примеси, способные ухудшить свойства монокристаллов и гетероструктур, такие как атомы кислорода, углерода и органические вещества и др., оседающие на стенках кварцевой трубы реактора не будут десорбироваться со стенок и участвовать в формировании кристаллов на подложке, т.к. индукционный нагрев локально воздействует только на держатели.
Конструкция описываемой полезной модели позволяет изменять расстояние между держателем источника и держателем образца с точностью ~ 1 мм. С учетом диффузионного характера движения атомов испаряемого вещества в газе-носителе изменяется концентрация и температурное распределение атомов испаряемого вещества в области держателя образца. Такое решение позволяет плавно регулировать поток и энергию атомов испаряемого вещества, осаждающихся на поверхность подложки, что влияет на режим осаждения.
Кроме того, конструкция полезной модели допускает установку держателя образца с возможностью изменения угла между нормалью к поверхности подложки и осью кварцевой трубки-реактора. Такое техническое решение позволяет управлять потоком атомов испаряемого вещества вблизи подложки на держателе образца.
Также конструкция описываемой полезной модели допускает возможность установки нескольких держателей источников для разных исходных материалов с независимым нагревом и температурным контролем. Так может быть реализован режим осаждения материалов, образующихся из исходных веществ с различными температурами плавления. В частности, возможно установить на одном полом стальном стержне два или более держателей материала последовательно. Для индивидуального контроля температуры в каждом из держателей устанавливаются термопары, а нагрев осуществляется отдельными индукционными нагревателями.
Конструкция полезной модели позволяет установить отдельный индукционный нагреватель с сетчатым или пористым сердечником для предварительного нагрева газа-носителя. Данное решение позволяет более точно контролировать температурный режим осаждения, т.к. включение потока газа-носителя, во-первых, приводит к существенному снижению температуры держателя источника и повышению температуру держателя образца, а во-вторых, при диффузном движении молекул кинетическая энергия молекул и атомов испаряемого вещества постепенно сравнивается с кинетической энергией молекул газа-носителя.
Конструкция данной полезной модели позволяет осуществлять управление такими параметрами режима осаждения, как температуры держателя источника и держателя образца, температура газа носителя и поток газа носителя, в автоматическом режиме с помощью компьютера по заранее заданной программе, что повышает повторяемость параметров получаемых монокристаллов.
Конструкция описываемой полезной модели допускает установку натекателя с автоматическим управлением, что позволяет резко изменять поток газа носителя. Такое конструктивное решение может быть использовано для резкого изменения состава испаряемого вещества и получения гетероструктур. Например, изначально производится испарение вещества А с держателя 1 при постоянном потоке газа, что приводит к росту кристаллов А на подложке. Затем поток газа выключается, что практически прекращает перенос испаряемого вещества к подложке, и включается нагрев держателя 2 с веществом В до необходимой температуры. Поток газа включается, что приводит к переносу атомов вещества В на подложку, что приводит к росту многослойных гетероструктур из веществ А и В.
Краткое описание чертежей
2
2
2
2
2
2
Сущность полезной модели поясняется чертежами, графиками и микрофотографиями полученных микро- и наноструктур, где на фиг. 1 представлен общий вид аппарата, на фиг. 2 - принципиальная схема аппарата для получения субмикронных кристаллов топологических изоляторов; на фиг. 3 - конструкция сборки из кварцевой трубы, держателей и индукционных нагревателей, являющейся составной частью аппарата; на фиг. 4 -микрофотография, полученная с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и энергодисперсионный рентгеновский анализ (EDX) состава пленки BiTeSe; на фиг. 5 - SEM фотография и EDX анализ состава отдельного ультратонкого монокристалла BiTeSe топологического изолятора.; на фиг. 6 - Рентге11оструктурный анализ (XRD) отдельного ультратонкого монокристалла BiTeSe топологического изолятора.
Обозначения на чертежах:
2
1 - Баллон с инертным газом-носителем (Ar, N);
2 - Газовый редуктор высокого давления;
3 - Форвакуумный насос для откачки;
4 - Вакуумные переходники;
5 - Станина;
6 - Блоки питания с преобразователями напряжения;
7 - Контроллеры температуры;
8 - Кварцевая труба реактора;
9 - Водоохлаждаемые катушки индукционных нагревателей;
10 - Натекатель;
11 - Вакуумметр;
12 - Вакуумный вентиль;
13 - Держатель образца;
14 - Вакуумные переходники;
15 - Полые стальные стержни;
16 - Вакуумные фланцы;
17 - Вакуум-плотные электрические разъемы;
18 - Термопары;
19 - Подложка;
20 - Тигель;
21 - Исходное вещество;
22 - Держатель источника. Осуществление полезной модели
Конструкционные решения и сущность заявляемого полезной модели представлены на фиг. 1-6.
Изображенная на фиг. 1 конструкция аппарата для получения микро- и наноразмерных монокристаллов ТИ методом физического осаждения из газовой фазы (PVD) включает станину (5), на которой установлены кварцевая труба реактора (основной элемент) (8), форвакуумный насос (3) и контроллеры температуры (7). Блоки питания (6) включают в себя мощные источники постоянного напряжения и преобразователи "постоянное напряжение - переменное напряжение" с резонансной частотой индукционных нагревателей (9). Индукционные нагреватели (9) расположены непосредственно на кварцевой трубе реактора (8). Слева располагается баллон с инертным газом (1), к нему подключен редуктор высокого давления (2), все вакуумные части установки связаны вакуум-плотными соединениями (4).
2
3
2
3
2
3-x
x
2
Изображенный на фиг. 2 схематичный вид установки в разрезе показывает кварцевую трубу реактора (8), в которой установлен держатель источника (22) с испаряемым веществом (21) (например, Bi, Те, Se и их соединения BiTe, BiSe, BiTeSe), расположенном в тигле (20), и держатель образца (13) с подложкой (19) (Si, SiO, сапфир). Индукционные нагреватели (9) расположены снаружи кварцевой трубы реактора (8) и нагревают держатели (13) и (22). Положение держателей (13) и (22) регулируется с помощью полых стержней (15), которые закрепляются в вакуумных фланцах (16). Вывод проводов термопар через стержни (15) обеспечивается вакуум-плотными электрическими разъемами (17). Герметичное соединение кварцевой трубы реактора (8) с прочими частями вакуумной системы обеспечивается посредством переходников (14). Напуск газа осуществляется со стороны держателя источника через натекатель. Вакуумная откачка производится со стороны держателя образца. Такая конструкция обеспечивает простоту замены исходного материала (21) и подложек (19). При замене исходного материала и подложек стержни (15) извлекаются через вакуумные фланцы (16).
Основным элементом аппарата является сборка, состоящая из держателя испаряемого вещества (13), держателя подложки (22) и индукционных нагревателей (9), схематическое изображение которой приведено на фиг. 2. Держатели (13) и (22) и нагреватели (9) могут перемещаться вдоль оси кварцевой трубы реактора (8), что позволяет прецизионно изменять расстояние между держателями (13) и (22), а также позиционировать их внутри катушек индукторов (9), Для более эффективного индукционного нагрева держатели (13) и (22) изготавливаются из материала с высокой магнитной проницаемостью и. (например, из никеля или стали). Тигель (20) изготовлен из вещества, не взаимодействующего с исходным веществом (21).
При индукционном нагреве требуемую высокую температуру имеют только держатели (13) и (22), что положительно сказывается на чистоте получаемых кристаллов, т.к. поток загрязняющих примесей со стенок кварцевой трубы реактора (8) практически отсутствует.
Для подачи резонансного переменного напряжения на индукционные нагреватели используются источники напряжения (6) совмещенные с преобразователями постоянного напряжения (12-48 В) на переменное. Нагрев осуществляется продольным переменным магнитным полем внутри соленоида (катушки индукционного нагревателя), по которому протекает переменный ток. Таким образом, температура держателей может контролироваться в пределах 100-900°С. Глубина проникновения переменного электромагнитного поля в держатель, а соответственно, и выделяемая мощность зависят от частоты и магнитных свойств материала держателей (13) и (22).
Описание работы устройства
Получения микро- и наноразмерных монокристаллов включает следующие этапы:
Шаг 1, Производят очистку подложек, на которые будет осуществляться осаждение монокристаллов ТИ. Для удаления загрязнений подложки подвергаются ультразвуковой очистке поочередно в ацетоне, изопропиловом спирте и дистиллированной воде (10 мин.), затем их сушат.
Шаг 2. Исходный материал помещают в тигель на держателе источника.
Шаг 3. Подложку помещают на соответствующий держатель образцов, расположенный в 5-15 см держателя источника (в зависимости от нужного режима осаждения).
Шаг 4, Перед проведением синтеза производится продувка трубы реактора сверх чистым инертным газом для удаления остатков атмосферного воздуха. Затем производится откачка вакуумной системы до базового вакуума.
Шаг 5. Держателя источника нагревается до 400-700°С, и держатель образца - до 200-500°С.
Шаг 6. После установления постоянной температуры держателей, в кварцевую трубу реактора подается сверхчистый инертный газ-носитель, в результате создается постоянный поток газа при установившемся давлении около 100 торр. На подложке начинается рост кристаллов.
Шаг 7. Выключение нагрева держателей, которые охлаждаются естественным образом.
2
2
Физическое осаждение из газовой фазы проводили, используя в качестве исходного распыляемого материала порошок поликристаллического ТИ BiTeSe.
На фиг. 3 и фиг. 4 представлены SEM-фотографии и EDX-анализ
2
2
2
2
2
3
2
3
2
3-x
x
результатов двух осаждений. В таблице 1 указаны типичные параметры режимов осаждения, от которых зависят химический состав и морфология кристаллов. В случае образца №1 (фиг. 3) получена сплошная пленка из кристаллов топологического изолятора BiTeSe. Образец №2 (фиг. 4) состоит из одиночных монокристаллов ТИ BiTeSe с субмикронными латеральными размерами и толщинами ок. 10-20 нм. Монокристалличность подтверждается естественной огранкой кристаллов (фиг. 4) и данными рентгеноструктурного анализа (фиг. 5). Путем варьирования параметров, приведенных в таблице 1, можно подобрать режимы получения монокристаллов широкого класса соединений ТИ (например, BiTe, BiSe, BiTeSeи др.).
Список литературы
1. Патент CN №10103400760А 11.20.2013 г. Ли Ханьдун и др. «Метод и устройство для роста монокристаллических пленок селенида висмута на кремниевой подложке».
2. Патент CN №10497903 В 06.04.2018 г. Пэн Хайлинь, Го Юньфан, Лю Чжунфань «Способ изготовления и применения комбинированной гибкой прозрачной проводящей тонкой пленки топологический изолятор/графен».
2
3
3. Synthesis of BiTe Single Crystals with Lateral Size up to Tens of Micrometers by Vapor Transport and Its Potential for Thermoelectric Applications Cheol-Min Hyun, Jeong-Hun Choi, Seung Won Lee, Seung-Young Seo, Myoung-Jae Lee, Se-Hun Kwon, and Ji-Hoon Aim Crystal Growth & Design 2019 19 (4), 2024-2029 DOI: 10.1021/acs.cgd.8b01931]
4. Патент CN №108461382A 08.08.2018 г. Чжан Рукан, Ян Хуэй «Способ реализации допирования атомами меди наноматериала топологического изолятора селенида висмута».