Микро- и нанотехнологии пленочных гетерокомпозиций

№ 1370

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра технологии материалов электроники

Г.Д. Кузнецов
С.Б. Симакин
Д.Н. Демченкова

Микрои нанотехнологии
пленочных
гетерокомпозиций

Курс лекций

Рекомендовано редакционноиздательским
советом университета

Москва   Издательский Дом МИСиС
2008

УДК 539.21 
 
К89 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. Ю.В. Осипов 

Кузнецов Г.Д., Симакин С.Б., Демченкова Д.Н. 
К89  
Микро- и нанотехнологии пленочных гетерокомпозиций: 
Курс лекций. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2008. – 191 с. 

В курсе лекций рассматриваются принципы построения, организации и 
функционирования наноразмерных гетерокомпозиций, физико-химические 
основы метода Ленгмюра – Блоджетт, ионно-плазменного получения пленок 
аморфного гидрогенизированного кремния, проблемы деградации параметров пленочных структур. Анализируются эффекты размерного квантования в 
полупроводниковых наноструктурах, закономерности ионно-плазменного 
получения пленок нитридов металлов и карбида кремния, а также формирования топологии микросхем с применением неразрушающих методов контроля. Обсуждаются и анализируются особенности технологии молекулярнопучковой и МОС-гидридной эпитаксии полупроводниковых соединений. Излагаются основы синтеза сверхрешеток алмазоподобных широкозонных материалов и структурно-ориентационного изоморфизма. 
Приводятся примеры создания микро- и наноразмерных приборов микросистемной техники с использованием ионных процессов. 
Содержание курса лекций соответствует программе. 
Предназначен для студентов (бакалавров и магистров), обучающихся по 
направлениям 210100 «Электроника и микроэлектроника», 210600 «Нанотехнология», 210601 «Нанотехнология в электронике» и по специальности 
210602 «Наноматериалы». 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

Оглавление 

Предисловие..............................................................................................5 
Тема 1. Принципы построения наноразмерных гетероструктур .........6 
1.1. Введение в индустрию наносистем..........................................6 
1.2. Принципы организации и функционирования  
наноструктур ...................................................................................15 
1.3. Эффекты размерного квантования в полупроводниковых 
наноструктурах................................................................................20 
Контрольные вопросы ....................................................................24 
Тема 2. Молекулярно-пучковая технология создания 
полупроводниковых наноструктур.......................................................25 
2.1. Физико-химические принципы  молекулярно-пучковой 
эпитаксии.........................................................................................25 
2.2. Технология молекулярно-пучковой эпитаксии.....................31 
2.3. Кинетика и термодинамика в описании процесса роста  
при молекулярно-пучковой эпитаксии .........................................37 
Контрольные вопросы ....................................................................48 
Тема 3. Синтез сверхрешеток алмазоподобных широкозонных 
материалов...............................................................................................50 
3.1. Вероятностно-статистический подход  к синтезу  
материалов.......................................................................................50 
3.2. Неравновесный термодинамический подход........................56 
3.3. Экспериментальные результаты  по синтезу  
алмазоподобных материалов .........................................................61 
3.4. Структурно-ориентационный изоморфизм   
в алмазоподобных материалах.......................................................70 
Контрольные вопросы ....................................................................76 
Тема 4. Получение пленочных материалов с использованием 
химических соединений.........................................................................77 
4.1. Основы метода Ленгмюра – Блоджетт...................................77 
4.2. Технология получения наноразмерных пленок методом 
Ленгмюра – Блоджетт.....................................................................84 
4.3. Основы плазмохимической технологии получения пленок 
гидрогенизированного кремния ....................................................91 
4.4. Свойства пленок и пленочных гетероструктур на основе 
аморфного гидрогенизированного кремния...............................101 
4.5. Деградация параметров пленочных структур на основе 
аморфного кремния и пути ее уменьшения................................108 

4.6. Физико-химические основы эпитаксии из 
металлоорганических соединений (МОС)..................................114 
4.7. МОС-гидридная технология получения пленочных 
гетерокомпозиций.........................................................................120 
Контрольные вопросы ..................................................................128 
Тема 5. Микро- и нанотехнологии получения и травления 
многокомпонентных  пленочных гетерокомпозиций .......................130 
5.1. Формирование пленок нитридов  ионно-лучевым 
распылением..................................................................................130 
5.2. Получение пленок карбида кремния и его твердых  
растворов .......................................................................................138 
5.3. Ионно-плазменное травление нитридов элементов  
третьей группы..............................................................................145 
5.4. Наноразмерное ионно-лучевое травление 
остросфокусированным ионным пучком ...................................153 
5.5. Электронно-эмиссионный контроль процесса ионнолучевого травления.......................................................................157 
5.6. Изготовление микрообъектов...............................................165 
Контрольные вопросы ..................................................................171 
Тема 6. Наносистемы и приборы на их основе..................................173 
6.1. Полупроводниковые лазеры с квантовыми точками..........173 
6.2. Микро- и наноразмерные мембраны для приборов 
микросистемной техники.............................................................177 
6.3. Получение сенсорных устройств на основе оксидов .........184 
Контрольные вопросы ..................................................................190 
Библиографический список.................................................................190 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Основным направлением развития электроники являются высокотехнологические процессы получения микро- и наноразмерных устройств, относящихся к области наноиндустрии или индустрии наносистем. 
В основе направления «наноиндустрия» лежит использование новых процессов, основанных на применении потоков частиц и излучений (атомных, ионных, электронных, плазменных) для формирования и обработки пленочных гетерокомпозиций с получением ранее 
неизвестных свойств и функциональных возможностей материальных систем при переходе к микро- и наномасштабам. 
Основными проблемами, рассматриваемыми в курсе лекций, являются анализ принципов построения наноразмерных гетероструктур, включая эффекты размерного квантования в полупроводниковых наноструктурах, физико-химические основы молекулярнопучковой, МОС-гидридной эпитаксии и получение пленок органических соединений. Важной проблемой является также анализ возможностей неравновесного синтеза уникальных полупроводниковых соединений, твердых растворов и получение на их основе микро- и наноразмерных устройств микросистемной техники. 
В курс лекций включены разделы по практическому изготовлению приборов с использованием процессов корпускулярного воздействия на получаемые материалы. 
Курс лекций подготовлен по рекомендации горно-металлургической 
секции РАЕН. 
Авторы признательны проф. Ю.М. Таирову, проф. В.В. Лучинину, 
проф. Б.Н. Климову, проф. С.И. Рембезе за предоставленную возможность использования опубликованных ими материалов для создания настоящего лекционного курса. 

Тема 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ 
НАНОРАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР 

1.1. Введение в индустрию наносистем 

В социально-экономических приоритетах государства особое место должно занимать развитие наукоемких отраслей производства с 
высоким уровнем добавленной стоимости. Для лидеров мировой 
экономики на современном этапе таким направлением, безусловно, 
является нанотехнология. 
В настоящем курсе дается краткое изложение системного подхода 
к индустрии наносистем, как приоритетному направлению развития 
науки и техники, фактору, определяющему повышение роли высоких 
технологий в экономике государства, стимулирующему решение социально значимой для России задачи: «сохранение человеческого 
капитала» – носителя генетического, культурного и технологического наследий. 

Методологические основы индустрии 
наносистем 

В основе научно-технического прорыва на наноуровне, форсируемого промышленно развитыми странами, лежит использование 
новых, ранее неизвестных свойств и функциональных возможностей 
материальных систем при переходе к наномасштабам, определяемым 
особенностями процессов переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации при наноструктурировании. 
Обратимся к важнейшему фактору – геометрическому размеру и 
приставке «нано», входящей в ряд основных, наиболее часто используемых в официальных документах понятий: нанотехнология, наноматериалы, наносистемы. 
Первоначально обратим внимание на исходные смысловые значения наиболее часто употребляемых приставок, идентифицирующих 
характеристические и геометрические размеры изучаемых объектов: 
микро- (от греч. mikros – малый); нано- (от греч. nannos – карлик). 
Применительно к индустрии наносистем границы геометрического фактора в отношении возникновения новых нетрадиционных 
свойств, не присущих макро- и микросистемам, формально определены от единиц до 100 нм. Однако вполне очевидно, что некоторый 
характеристический размер, идентифицирующий изучаемый объект 

по геометрическим параметрам (толщина пленки, диаметр кластера 
или нанотрубки), должен рассматриваться не просто как абсолютная 
величина, а в отношении к определенным фундаментальным параметрам материалов, имеющим аналогичную метрическую размерность. Особенно сложно определить границы геометрического фактора применительно к биоорганическим объектам, обладающим многообразием связей и конформаций. Поэтому приставка «нано», скорее, особое обобщенное отражение объектов исследований, прогнозируемых явлений, эффектов и способов их описания, чем просто 
характеристика протяженности базового структурного элемента. 
Необходимость данного замечания обусловлена следующим. К 
сожалению, термины «наноматериалы» и «нанотехнологии» стали 
настолько модными и экономически привлекательными, что многим 
традиционным разработкам атомно-молекулярного уровня была необоснованно присвоена приставка «нано». Наряду с определенной 
конъюнктурой это, безусловно, связано и с тем, что, как отмечалось в 
предисловии редактора русского перевода к одной из первых в России иностранных книг по нанотехнологии, «нигде не проводится 
систематизация объектов и процессов нанотехнологии». 
Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или 
самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых 
обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, проявляющихся в виде квантово-размерных, синергетически-кооперативных, 
«гигантских» эффектов и других явлений и процессов, связанных с 
проявлением наномасштабных факторов. 
Наноматериалы – вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или 
неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими 
характеристическими размерами и особым проявлением физического 
и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных 
элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем 
совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов. 
Нанотехнология – совокупность методов и способов синтеза, 
сборки, структуро- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, на

правленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, 
обусловленными проявлением наномасштабных факторов. 
Нанодиагностика – совокупность специализированных методов 
исследований, направленных на изучение структурных, морфологотопологических, механических, электрофизических, оптических, 
биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ 
наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью. 
Наносистемотехника – совокупность методов моделирования, 
проектирования и конструирования изделий различного функционального назначения, в том числе наноматериалов, микро- и наносистем 
с 
широким 
использованием 
квантово-размерных, 
кооперативно-синергетических, «гигантских» эффектов и других явлений и процессов, проявляющихся в материальных объектах с нанометрическими характеристическими размерами элементов. 
Наряду с определением ранее указанных понятий, основой которых, в первую очередь, является естественно-научный базис, сделаем 
попытку представить широко используемые в литературе термины, 
вызывающие неоднозначное их восприятие. 
Нанонаука – система знаний, основанная на описании, объяснении и предсказании свойств материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами или систем более высокого 
метрического уровня, упорядоченных или самоупорядоченных на 
основе наноразмерных элементов. 
Нанотехника – машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, технико-экономическими параметрами и функциональными возможностями. 

Фундаментальные основы индустрии 
наносистем 

В основе системы знаний об объекте исследований, безусловно, 
лежит анализ его вещественно-материального базиса, структурного 
упорядочения и устойчивости, пространственно-временной организации, а также количественное и качественное проявление традиционных и ранее неизвестных свойств в зависимости от условий синтеза и функционирования. 

При анализе рассматривается совокупность ранее представленных 
понятий (наноматериалы, нанотехнология, нанодиагностика, наносистемотехника) и предпринимается попытка выделения комплекса их 
функциональных особенностей, отражающих облик индустрии наносистем (табл. 1.1). 

Таблица 1.1 

Характеристика индустрии наносистем 

Направление развития 
Функциональные особенности 

Наноматериалы 

0-мерные: квантовые точки 
Легкость 

1-мерные: квантовые нити, нанотрубки, нановолокна, линейные полимеры 

Прочность, стойкость, эластичность 

2-мерные: квантовые ямы, сверхрешетки, 
пленки Ленгмюра – Блоджетт, биомембраны

Биосовместимость, селективность, 
энергоемкость 

3-мерные: нанокомпозиты, фуллерены, фуллероиды, астралены, мицеллы, биоорганические полимеры 

Память 

Нанотехнология 

Атомно-молекулярное наслаивание 
Наноточность, нанолокализация 

Атомно-молекулярная сборка и самосборка 
Нанопозиционирование 

Атомно-молекулярное модифицирование и 
удаление 

Наноизбирательность, нанокатализ 

Атомно-молекулярная селекция 
Самоформирование 

Неравновесный синтез 
Самоорганизация 

Нанодиагностика 

Атомно-зондовая микроскопия 
Наноточность, наночувствительность

Электронная микроскопия и спектроскопия 
Наноколичество 

Масс-спектрометрия 
» 

Оптическая спектроскопия 
» 

Дифрактометрия 
» 

Эллипсометрия 
» 

Электрофорез 
» 

Хроматография 
» 

Парамагнитный резонанс 
» 

Наносистемотехника 

Кооперативность 
Наномасштабирование 

Избирательность 
Полиморфизм 

Квантовые размерные эффекты 
То же 

Распределенность 
Синергетические эффекты 

Интеграция синтеза и функционирования 
«Гигантские» эффекты, ассоциативные эффекты, неравновесные процессы 

Наиболее характерными проявлениями наномира, даже по сравнению с традиционными объектами с микроскопическими характеристическими размерами, следует признать: 
– появление нетрадиционных видов симметрии и особых видов 
сопряжения границ раздела, конформаций с динамически перестраиваемой структурой; 
– доминирование явлений самоупорядочения и самоорганизации, 
отражающих проявление эффектов матричного копирования и особенностей синтеза в условиях, далеких от равновесных, над процессами искусственного упорядочения; 
– высокую «полевую» (электрическую, магнитную) активность и 
«каталитическую» (химическую) избирательность поверхности ансамблей на основе наночастиц, включая интегрированные композиции неорганической и органической природы; 
– особый характер протекания процессов передачи энергии, заряда и конформационных изменений, отличающихся низким энергопотреблением, высокой скоростью и носящих признаки кооперативного 
синергетического процесса. 
Следует предположить, что причинами появления вышеуказанных особенностей в условиях наномира являются: 
– изменение отношения площади поверхности к объему при переходе к наноразмерным системам; 
– энергетическая, полевая и «вещественная» неравновесность поверхности, охватывающая значительные объемы наночастиц; 
– усиление роли различных видов размерных эффектов вследствие значительной площади границ раздела в нанокомпозициях; 
– проявление в условиях больших коллективов энергетически активных наночастиц нетрадиционных механизмов упорядочения, переноса энергии и заряда; 
– малые характеристические размеры частиц и особый характер 
их упорядочения, обеспечивающие энергетическую и пространственную доступность транспорта заряда, энергии и конформационных 
изменений. 
Все ранее сказанное позволило предложить ряд постулатов, определяющих характерные признаки и направления развития наноматериалов, нанотехнологий и наносистем (табл. 1.2). 
Таким образом, фундаментальным базисом индустрии наносистем 
являются новые ранее неизвестные свойства материалов и композиций, возникающие при переходе к объектам, представляющим собой 
интеграцию искусственно или естественно упорядоченных наноси

стем. Это обусловлено особым проявлением в нанокомпозициях и ансамблях субмолекулярных комплексов кооперативно-синергетических 
явлений и процессов, квантово-размерных и «гигантских» эффектов. 

Таблица 1.2 

Основные постулаты индустрии наносистем 

Наноматериалы 
Нанотехнологии 
Наносистемы 

Макро- и микрообъекты – 
интеграция искусственно 
или естественно упорядоченных (самоупорядоченных) наносистем 

Наноточность, 
наноизбирательность и самоорганизация 
в 
условиях 
синтеза макро- и микрообъектов 

Макросистемные свойства – проявление кооперативного взаимодействия 
и избирательности границ раздела наносистем 

Переход от макрокристаллов к композициям 
нанокристаллов и субмолекулярным комплексам; 
от искусственно упорядоченных систем к самоупорядоченным; от статического упорядочения 
к динамическому (неравновесному) 

Переход от микро- к 
наноточности (нанолокализации, 
нанопозиционированию, наноизбирательности); от организации к самоформированию, самосборке (самоорганизации); от квазиравновесных процессов к 
неравновесным 

Переход от микро- к 
наномасштабированию; 
от классических размерных эффектов к квантовым; от изолированных 
консервативных систем к 
открытым 
кооперативным 

В настоящее время в качестве фундаментальных проблем наноиндустрии можно выделить следующие направления исследований: 
– малые ансамбли молекул, межмолекулярные взаимодействия и 
молекулярная динамика; 
– размерные и функциональные свойства наночастиц, конформации, межфазные границы; 
– наномасштабирование и квантово-размерные эффекты; 
– неравновесные процессы и синергетические явления в наноструктурированных материалах; 
– теории матричного синтеза, сборки, самосборки и молекулярного узнавания для веществ органической и неорганической природы. 
В качестве одного из возможных подходов к формированию концепции развития индустрии наносистем в России с учетом приоритетных направлений развития науки, технологий и техники может 
быть предложена матричная модель, отражающая ключевые направления развития индустрии наносистем (наноматериалы, нанотехнологии, нанодиагностика, наносистемотехника) через детализацию и 
установление взаимовлияния уникальных специфических свойств и 
особенностей, проявляющихся при переходе к наномасштабам. 

Данная матричная форма может быть использована для прогнозирования критических направлений развития индустрии наносистем с 
целью повышения результативности исследований и разработок, а 
также интеграции и координации работ в научной и производственной сферах. 

Научно-производственный базис индустрии 
наносистем 

Индустрия наносистем – интегрированный комплекс, включающий оборудование; материалы; программные средства; систему знаний; технологическую, метрологическую, информационную, организационно-экономическую культуру и кадровый потенциал, обеспечивающие производство наукоемкой продукции, основанной на использовании новых нетрадиционных свойств материалов и систем 
при переходе к наномасштабам. 
В табл. 1.3 представлен перечень наиболее актуальных научнотехнических проектов, определяющих среднесрочные перспективы 
индустрии наносистем в рамках ранее рассмотренных направлений 
ее развития (см. табл. 1.1). 

Таблица 1.3 

Перечень научно-технических проектов в области индустрии наносистем 

Направление 
Проект 

Наноматериалы 
Нанокомпозиционные материалы со специальными механическими свойствами для сверхпрочных, сверхэластичных, сверхлегких конструкций 
Нанокомпозиционные и нанодисперсные материалы для высокоэффективной сепарации и избирательного катализа 
Нанокомпозиционные материалы с особой устойчивостью к
экстремальным факторам для термически-, химически- и радиационностойких конструкций 
Нанокомпозиционные материалы, обладающие «интеллектуальными» свойствами, включая адаптивность, ассоциативность, память 
Наноструктуры и нанокомпозиции для электронных и фотонных информационных систем 
Нанокомпозиционные биоорганические материалы для медицины и биотехнологии 
Специальные нанокомпозиционные материалы с низкой эффективной отражающей или сверхвысокой поглощающей способностью в СВЧ и оптическом диапазонах длин волн 
Специальные нанодисперсные материалы с максимально эффективным энерговыделением, в том числе импульсным