Введение к работе
Актуальность работы
Современный этап развития материалов электронной техники характеризуется резкой интенсификацией научно-практической деятельности в области технологии широкозошшх нитридов (MemN) и особенно нитридов алюминия и галлия (A1N и GaN), что вызвано рядом их уникальных свойств, представляющих несомненный интерес для опто- и СВЧ-электрокики, микросистемной техники.
Для нитрида алюминия характерна большая ширина запрещенной зоны (6,2 эВ), высокие температура Дебая (950 К) и теплопроводность (3,2 Вт/см-К), а также скорость распространения акустических волн 6-103 м/с и практически идеальные кристаллохимическая и термомеханическая совместимости с карбидом кремния (SIC) и нитридом галлия.
Нитрид алюминия технологически совместим также с базовыми материалами электронной техники - кремнием (Si) и сапфиром (АЬОз), что представляет несомненный интерес для такой быстроразвивающейся области как микросистемная техника, при создании чувствительных (например, сенсоров ультрафиолетового (УФ) излучения) и исполнительных элементов (например, актюаторов на основе пьезоэффекта). Характерно, что создаваемые на основе A1N приборы, использующие его изолирующие, пьезоэлектрические, оптические свойства могут быть предназначены для экстремальных условий эксплуатации.
Широта применения нитрида алюминия определяет многообразие требований к его структурно-морфологическим, электрофизическим и оптическим параметрам, что непосредственно связано с технологией получения данного материала. Наибольшее развитие в настоящее время получили методы ионно-гошменного и газофазного осаждения (CVD) слоев нитрида алюминия. Известны также работы по выращиванию AIN методом сублимации, а также получению сверхтонких слоев методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Имеющиеся в России устойчивые экономические ограничения на разработку и приобретение оборудования для получения слоев AIN методом CVD и МЛЭ, а так же наличие в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" значительной технологической культуры в области получения карбида кремния методом сублимации, а в последнее время и методом ионно-химического осаждения (ЙХО), определили основное направление исследований данной диссертационной работы.
Представленная работа является целенаправленным исследованием процессов структуро- и формообразования A1N в широком диапазоне вариаций условий синтеза, направленным на разработку технологии и исследование свойств нитрида алюминия в связи с условиями получения и возможного применения. Плакируемыми основными областями применения синтезируемого материала в настоящей работе являются: микроэлектромеханика (первичные преобразователи давления и ускорения), оптоэлектроника (первичные преобразователи "жесткого" УФ), экстремальная электроника на основе композиции "SiC-AIN" (высокотемпературные радиационно-стойкие транзисторы), атомно-зондовая диагностика (микрозонды на основе нитевидных кристаллов A1N для атомно-силовой микроскопии (АСМ)), что, безусловно, определяет конкретные требования к структурно-морфологическим, оптическим и электрофизическим свойствам базового материала.
Настоящая работа является составной частью научно-исследовательских работ выполняющихся на кафедре "Микроэлектроники" и в центре "Микротехнологии и диагностики" Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ". Тематика диссертационной работы соответствует "Перечню критических технологий федерального уровня" (подразделы: "Материалы для микро-и наноэлектроники", "Микросистемная техника и микросенсорика"), "Перечню технологий двойного назначения федерального уровня" (подразделы: "Б.5.1.00 -материалы для электроники и микроэлектроники", Б.2.7.00 - базовые технологии производства микро- и наноэлектроники, Б.4.6.00 - датчики и датчиковые системы). Отдельные этапы исследований выполнялись в соответствии с: Государственным оборонным заказом (план НИОКР на 1999 г., КЦП ФППИ, утвержденная Министром обороны РФ 23.01.99.), ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники гражданского назначения" на 1996-2000 г. (подпрограмма "Технологии, машины и производства будущего"), планами работ Федерального фонда развития электронной техники на 1999-2000 гг. и в рамках Межвузовской научно-технической подпрограммы "Производственные технологии" (раздел "Электроника").
Дель работы
Исследование структурно-морфологических особенностей роста нитрида алюминия при разработке процессов его получения методами сублимации и ионно-химического осаждения для элементной базы микроэлектромеханики, оптоэлектроники и экстремальной электроники.
Задачи диссертационной работы
-
Разработка физико-технологических основ получения нитрида алюминия методом сублимации при пониженных температурах по механизму "пар-жидкость-твердое" (ГГЖТ).
-
Исследование структуры, габитуса и морфологии поверхности нитрида алюминия в зависимости от условий получения методами сублимации и ионно-химического осаждения.
-
Исследование структурно-ориентациошюго изоморфизма и состава переходных слоев в системе AIN-SiC в связи с условиями получения.
-
Разработка технологии получения слоев нитрида алюминия с заданными структурно-морфологическими характеристиками для датчиков "жесткого" УФ, изолирующих, "жертвенных" и "стоп"-слоев для усилительных элементов и микромеханических преобразователей с экстремальными условиями эксплуатации, а также нитевидных кристаллов A1N для микрозондов сверхвысокого пространственного разрешения приборов атомно-силовой микроскопии.
Научная новизна работы заключается в том, что в результате комплексных исследований процессов структуро- и формообразования перспективного широкозонного материала - нитрида алюминия было осуществлено моделирование условий роста A1N, а также экспериментально определены базовые технологические параметры, обеспечивающие синтез A1N с заданными структурой, габитусом и морфологией поверхности, что позволило разработать обоснованные научно-технические решения при получении AEN методами сублимации и ИХО в
зависимости от планируемого функционально-технологического назначения материала.
К наиболее оригинальным впервые полученным научным результатам, представленным в диссертационной работе, относятся следующие:
-показано, что рост нитрида алюминия методом сублимации может быть реализован при относительно низких температурах (1100-1350 С), благодаря обеспечению процесса роста по механизму ПЖТ и эффективным параметром управления габитусом и морфологией поверхности растущего кристалла является соотношение между давлениями азота и алюминия, находящихся в зоне роста в атомарном состоянии, причем, для перехода от роста эпитаксиальных слоев к получению нитевидных кристаллов A1N необходимо обеспечить изменение этого параметра от 1/100 до 1/1000;
-установлено, что для нитевидных кристаллов нитрида алюминия, полученных методом сублимации, зависимость скорости роста от их диаметра подчиняется параболическому закону, что, в рамках ранее развитых представлений, является свидетельством о реализации процесса по механизму ПЖТ;
-установлено, что при взаимной гетероэпитаксии нитрида алюминия и карбида кремния методом сублимации на подложках с базовой ориентацией (0001), в условиях высоких пересыщений, наблюдается различие в ростовой устойчивости кристаллической структуры, проявляющееся в образовании на подложках 6H-SiC -нитрида алюминия политипа 2Н, а на подложках 2H-A1N - карбида кремния политипа ЗС;
- установлено, что при гетероэпитаксии нитрида алюминия на карбидокремниевые подложки методом сублимации в квазизамкнутом объеме имеет место образование протяженных переходных слоев переменного состава в системе AlN-SiC, что связано с подрастворением поверхности SiC подложки в растворе расплаве, образующемся на поверхности роста при реализации процесса осаждения A1N на SiC по механизму ПЖТ;
-установлено, что при использовании метода ИХО рост нитрида алюминия на кремниевой подложке происходит в условиях избыточного содержания на поверхности алюминия и для получения структурно-упорядоченных слоев A1N стехиометрического состава необходимо обеспечить реализацию процесса при относительно высоких температурах не менее 950 С, при которых в условиях ИХО устанавливается динамическое равновесие, определяемое десорбцией избыточного компонента с поверхности твердой фазы и активацией поверхностной подвижности адсорбированных частиц;
-показано, что существует устойчивая корреляция между положением края собственного оптического поглощения слоев нитрида алюминия и технологическими условиями синтеза, проявляющаяся в смещении края собственного оптического поглощения в коротковолновую область спектра при переходе от неравновесного ИХО к сублимационному способу получения A1N.
Научные положения выносимые на зашиту
1. Экспериментально и теоретически показано, что рост нитрида алюминия методом сублимашш в атмосфере азота в широком интервале температур происходит по механизму "пар-жидкость-гвердое", где функцию жидкой фазы выполняет расплав
алюминия насыщенный азотом, а доминирующим фактором определяющим габитус, морфологию поверхности и структуру нитрида алюминия, является отношение давлений базовых компонентов - алюминия к азоту в атомарном состоянии, причем, увеличение данного отношения в пользу алюминия стимулирует последовательный переход от эпятаксиального роста слоев к образованию пластинчатых и нитевидных кристаллов A1N.
2. Экспериментально установлено, что при реализации процессов гетероэпитаксии в системе SiC-AIN методом сублимации в квазиравновесных условиях имеет место устойчивый ростовой структуряо-ориентационный изоморфизм, проявляющийся в наследовании кристаллической структуры и ориентации подложки, в то время как при гетероэпитаксии, в условиях высоких пересыщений, на подложках-затравких SiC и A1N с базовой ориентацией (0001) для нитрида алюминия доминирует структура вюрцита, а при осаждении карбида кремния преимущественно образуется структура сфалерита.
Практическая ценность работы заключается в разработке научно-обоснованных технических решений в области аппаратурно-методического базиса для реализации процессов получения перспективного широкозонного материала - нитрида алюминия с заданными структурой, габитусом и морфологией поверхности методами сублимации и ИХО на инородных подложках (SiC, Si, А120з) с целью практического использования A1N при создании первичных преобразователей УФ излучения, давления и ускорения, а также микрозондов для атомно-силовой микроскошш сверхвысокого пространственного разрешения.
К результатам имеющим наибольшую практическую ценность следует отнести:
-разработку аппаратуры и способа низкотемпературного (1100-1350 С) выращивания нитрида алюминия методом сублимации, включая получение эпитаксиальньк слоев A1N на подложках карбида кремния и сапфира и нитевидных кристаллов с соотношением геометрических размеров 1/100 микронного диаметра (заявка на патент России);
-оптимизацию условий получения нитрида алюминия методом ИХО с целью получения слоев с заданной структурой и минимально развитой морфологией поверхности на подложках Si, А1203 и SiC для практического использования в качестве фоточувствительных слоев в датчиках "жесткого" УФ излучения, изолирующих, "жертвенных" и "стоп"-слоев в микромеханических преобразователях давления, ускорения, изолирующих слоев в высокотемпературных радиационно-стойких транзисторных структурах на основе композиции SiC-AlN-SiC(Al203);
разработку конструкции, технологии и организации мелкосерийного производства первичных преобразователей "жесткого" УФ излучения ()^,^=210 нм), устойчивых к воздействию радиации (флюенс нейтронов более 1015 нейтр/см2), на основе композиции "A1N/A12CV (положительное решение от 31.03.99 по заявке № 99105813/28(006554) от 03.03.98. на патент России "Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения");
использование нитевидных кристаллов нитрида алюминия с естественной ростовой огранкой, полученных методом сублимации, в качестве высокоразрешающих зондов для сверхлокальной высокоразрешающей диагностики
поверхности твердого тела в отечественном приборе атомно-силовой микроскопии СКАН-8.
Результаты работы использованы в научно-учебно-производственном комплексе центра "Микротехнологии и диагностики" Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета при реализации следующих НИОКР: 5975/ЦМИД-81 (шифр "Ведро") - выполняется в соответствии с Государственным оборонным заказом; 5976/ЦМИД-82 (шифр "Деление") - выполняется по договору с Секцией прикладных проблем при Президиуме РАН; 5968/ЦМИД-80 (шифр "Карбид-К-ЛЭТИ") - выполняется в соответствии с планом работ Федерального фонда развития электронной техники; ТМБ/ЦМИД-59 проект "Интегрированные кластерные технологические микросистемы и микроинструмент" - выполняется в рамках ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники гражданского назначения" подпрограмма "Технологии, машины и производство будущего";
Результаты работы использованы в Центре технологий микроэлектроники Минобразования РФ при реализации проекта - ЦТМ-ГБ-2000-1 "Разработка микроэлектромеханических приборов на основе композиции "карбид кремния -нитрид алюминия" для экстремальных условий эксплуатации", выполняемого з рамках Межвузовской научно-технической программы "Производственные технологии", раздел "Электроника" и проекта ЦТМ-ГБ-9801, выполняемого в рамках Федеральной целевой научно-технической программы "Исследования я разработки по приоритетным направлениям науки и техники гражданского назначения" подпрограмма "Технологии, машины и производство будущего".
Результаты работы использованы в ЭНПО "Специализированные электронные системы" (г. Москва) при сравнительном исследовании радиационной стойкости материалов электронной техники и микроприборов (датчиков "жесткого" УФ излучения) на их основе.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, семинарах и школах: "Двенадцатой Международной конференции по росту кристаллов" (Иерусалим, Израиль, 1998 г.), "Тринадцатой Европейской конференции по твердотельным датчикам" Eurosensors ХШ (Гаага, Нидерланды, 1999 г.), "Втором и третьем международном семинаре "Полупроводниковый карбид кремния и родственные материалы" (Новгород, 1997 г. и 2000 г), "Пятой общероссийской конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Геленджик, 1998 г.), "Научной молодежной школе по твердотельным датчикам" (Санкт-Петербург, 1998 г.), 2-ой Научной молодежной школе "Поверхность и границы раздела структур микро- и наноэлектроники" (Санкт-Петербург, 1999 г.), "Всероссийской молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике" (Санкт-Петербург, 1999 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 2 статьи, 11 тезисов докладов на международных и российских симпозиумах, конференциях и школах. Получено положительное решение по заявке на патент России.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 120 наименований,. Основная часть работы изложена на 128 странипах машинописного текста. Работа содержит 55 рисунков и 8 таблиц.
