Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы синтеза и применения эпитаксиальных нитевидных кристаллов (обзор литературы) . 9
1.1 Современное состояние исследований процессов роста НК 9
1.2 Влияние технологических факторов процесса синтеза на ростовые параметры НК 19
1.3 Использование НК для реализации функциональных элементов микро- и наноэлектроники . 29
1.3.1 Применение НК в качестве элементной базы изделий микро-и наноэлектроники 29
1.3.2 Применение НК в оптических устройствах .33
1.3.3 Применение НК в фотоэлектрических элементах 35
1.3.4 Применение НК в качестве чувствительных элементов сенсоров 38
1.4 Формулировка цели работы и постановка задач исследования 41
2 Установка, материалы и методики проведения экспериментов 43
2.1 Установка синтеза НК Si 43
2.1.1 Система получения и очистки водорода .43
2.1.2 Формирование парогазовой смеси для получения НК Si и Ge .46
2.2 Методики подготовки подложек для выращивания НК .51
2.2.1 Методики нанесения катализатора и сплавление его с кремниевой подложкой .51
2.2.2 Установление температурных зон в реакторе 53
2.3 Подготовка образцов для оптической, растровой электронной и электронно-зондовой микроскопии 55
3 Закономерности эпитаксиального роста нитевидных кристаллов кремния 60
3.1 Закономерности влияния природы и размера частиц катализатора наскорость роста нитевидных кристаллов 60
3.2 Влияние линейного натяжения трехфазного контакта пар-жидкая капля-кристалл на процесс квазиодномерного роста нанокристаллов Si .66
3.3 Критические параметры роста НК Si по схеме паржидкая каплякристалл 73
4 Методы формирования систем эпитаксиальных нитевидных кристаллов кремния с учетом их геометрического признака .. 82
4.1 Способ получения индивидуальных НК полупроводников Постоянного диаметра 82
4.2 Способ получения регулярных систем наноразмерных НК Si 86
4.3 Разработка лабораторного регламента получения матриц эпитаксиальных НК Si, применительно к изготовлению тестового устройства охлаждения кристаллов микросхем 89
4.3.1 Разработка лабораторного регламента получения матриц эпитаксиальных НК Si 89
4.3.2 Применение систем эпитаксиальных нитевидных кристаллов Si в устройствах охлаждения микросхем 98
Основные результаты работы 106
Список литературы .
- Использование НК для реализации функциональных элементов микро- и наноэлектроники
- Формирование парогазовой смеси для получения НК Si и Ge
- Влияние линейного натяжения трехфазного контакта пар-жидкая капля-кристалл на процесс квазиодномерного роста нанокристаллов Si
- Разработка лабораторного регламента получения матриц эпитаксиальных НК Si, применительно к изготовлению тестового устройства охлаждения кристаллов микросхем
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Нитевидные кристаллы (НК) полупроводниковых материалов, получаемые эпитаксиальным синтезом по схеме пар жидкая капля кристалл, обладают нано-, микроскопическими размерами и квазиодномерной кристаллической структурой, что определяет их специфические физические свойства. Задание необходимой морфологии и структуры эпитаксиальных НК, а также топологии размещения на подложке осуществляется путем управления технологическими параметрами их синтеза. Благодаря уже достигнутой степени контроля над различными технологическими параметрами процесса роста НК могут рассматриваться как перспективные объекты для реализации электронных схем нового поколения, текстурирования поверхностей полупроводников и как функциональные материалы микро- и наноприборов.
Однако, чтобы достичь реального интереса промышленности необходимо решить ряд технических задач и, прежде всего, задачу управляемого синтеза систем эпитаксиальных нитевидных микро- и нанокристаллов, в частности Si. Необходимо обеспечить требуемое качество эпитаксиальных кристаллов и их воспроизводимость, обеспечить контроль ростовых параметров НК, таких как место зарождения, направление и форма роста, обеспечить совместимость при интеграции с кремниевыми технологиями, разработать технологические регламенты. Существующие технологические проблемы обусловлены как неразработанностью специфического механизма роста НК, так и отсутствием методов работы со сверхмалыми объектами субмикро- и наноразмерного масштаба. Поэтому актуальными фундаментальными задачами являются понимание закономерностей роста микро- и нано-НК полупроводников, что наиболее важно для оптимизации расположения кристаллов на подложке, направления роста, морфологии и кристаллической структуры. Решение этих задач требует получения новых знаний об условиях, при которых происходит предпочтительное формирование одномерных кристаллов, и о ростовых механизмах. Ключевыми составляющими здесь являются детальные исследования физических и химических процессов, сопровождающих рост эпитаксиальных НК.
Настоящая работа посвящена исследованию закономерностей роста эпи-таксиальных нитевидных микро- и нанокристаллов Si и направлена на разра-3
ботку лабораторного технологического регламента изготовления матриц НК Si применительно к изготовлению тестового устройства охлаждения кристаллов микросхем.
Диссертационная работа выполнялась в «Воронежском государственном техническом университете» по приоритетному направлению науки и техники "03 Индустрия наносистем и материалы" в рамках Федеральных целевых программ "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.", "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 гг.", "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.", Аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2011 гг.)", по госконтрактам ГК №02.444.11.7321, 02.552.12.7009, №16.552.11.7048, №02.740.11.0830, АВЦП №6504 и по госзаданиям Минобрнауки (темы Г3 1.10.09, 1.10.11, 075813).
Цель работы и задачи исследования
Цель работы: разработать физические и технологические основы получения систем эпитаксиальных нитевидных кристаллов кремния, а также продемонстрировать возможности реализации систем НК применительно к изготовлению устройств охлаждения кристаллов микросхем.
В соответствии с указанной целью поставлены и решены следующие основные задачи:
-
Установить критические параметры роста нитевидных микро- и нано-кристаллов Si по схеме пар жидкая капля кристалл.
-
Установить влияние природы и размера частиц катализатора, линейного натяжения границы трехфазного контакта и свободной поверхностной энергии жидкой фазы на рост НК Si.
-
Разработать способы получения регулярных систем наноразмерных НК Si и выращивания НК полупроводников постоянного диаметра.
4. Разработать лабораторный технологический регламент изготовления
матриц НК применительно к изготовлению тестового устройства охлаждения
кристаллов микросхем.
Объект исследования
Объектом исследования являлись одиночные НК Si, их массивы и системы, выращиваемые методом газофазной эпитаксии в открытой хлоридно-4
водородной системе с участием каталитических частиц различных металлов. Результаты отдельных экспериментов по выращиванию НК Si проверялись на НК Ge.
Предмет исследования
Предметом исследования являлись физические основы процессов роста нитевидных микро- и нанокристаллов Si, технологические параметры и условия синтеза, влияющие на рост НК, способы управляемого выращивания и возможности применения систем НК в устройствах охлаждения кристаллов микросхем.
Научная новизна работы:
-
Разработана методика управления величиной краевого угла смачивания капли катализатора на вершине эпитаксиальных НК кремния, позволяющая при использовании двухкомпонентного эвтектического сплава Ме-Si выращивать кристаллы постоянного диаметра.
-
Показано, что при выращивании эпитаксиальных НК Si с уменьшением размера частиц металла-катализатора равновесная растворимость конденсированной фазы в нем понижается.
-
Показано, что максимальный критический радиус НК определяется соотношением капиллярных и гравитационных сил, действующих на каплю катализатора в процессе роста кристалла, а минимальный возможный радиус НК обусловлен влиянием линейного натяжения границы трехфазного контакта пар-жидкость-кристалл на условия равновесия нанокапли катализатора.
Теоретическая и практическая значимость работы:
-
Установлены критические параметры роста нитевидных микро- и нано-кристаллов Si по схеме пар жидкая капля кристалл и определены термодинамические критерии разбиения капли катализатора на вершине НК, а также предельные значения радиуса НК Si, при превышении которых рост кристаллов отсутствует.
-
Установлен эффект изменения равновесной растворимости конденсированной фазы Si в мелкодисперсных частицах металла-растворителя с изменением их размера, природа которого связана с понижением энергии, обусловленной локализацией единичного атома вещества на поверхности жидкости ограниченного объема.
-
Разработан и защищен патентом РФ (№2236224 от 20.10.2008 г.) способ получения регулярных систем наноразмерных НК Si.
-
Разработан и защищен патентом РФ (№2456230 от 02.12.2009 г.) способ получения эпитаксиальных НК полупроводников постоянного диаметра.
-
Разработан лабораторный технологический регламент получения систем эпитаксиальных НК Si применительно к изготовлению тестового устройства отвода теплоты от кристаллов микросхем (полезная модель РФ № 127961 от 02.10.2012).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты, показывающие влияние природы и размера частиц катализатора, линейного натяжения границы трехфазного контакта, свободной поверхностной энергии жидкой фазы на рост НК и составляющие физическую основу формирования систем эпитаксиальных НК Si.
-
Способы получения регулярных систем наноразмерных НК Si и эпитак-сиальных НК полупроводников постоянного диаметра.
3. Лабораторный технологический регламент процесса получения систем
эпитаксиальных НК Si применительно к изготовлению тестовых устройств ох
лаждения кристаллов микросхем.
Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается комплексным использованием широко известных, часто применяемых и доказавших свою надежность и достоверность экспериментальных методов исследований. Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается согласием полученных экспериментальных данных с теоретически предсказанными характеристиками. Выводы, полученные в результате данной работы, согласуются с результатами работ других авторов.
Личный вклад автора
В диссертации изложены результаты, полученные автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор лично выдвигал идеи, предлагал пути решения поставленных задач, проводил основные эксперименты, обрабатывал и обобщал экспериментальные результаты, проводил физическое моделирование. Совместно с соавторами определял постановку задач исследований, разрабатывал методики, осуществлял модернизацию лабораторного оборудования
для газофазного синтеза НК, осуществлял написание статей. Вклад коллег отражен в совместных публикациях.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности В соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя теоретическое и экспериментальное изучение физической природы эпитаксиального роста НК Si в зависимости от материала катализатора, температуры и давления, а так же разработку экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии получения эпитаксиальных НК кремния с воспроизводимыми свойствами. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 1 и 6 паспорта специальности.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы, ее положения и выводы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на следующих научных конференциях и симпозиумах: VI, VII, VIII, IX Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро - и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006, 2007, 2008, 2009); Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс-конференция «Электроника-2006» (Зеленоград, 2006); 4-я Российская конференция с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний 2007» (Москва, 2007); Международный форум по нанотехнологиям «Rusnanotech», РОС-НАНО (Москва, 2008); V, VI Международный семинар «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2008, 2009); III Воронежский промышленный форум «Инновации и инвестиции» (Воронеж, 2010); Второй семинар по проблемам химического осаждения из газовой фазы (Новосибирск, 2011).
Публикации Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 26 работах, из них 8 – в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы 123 страницы. Работа содержит 70 рисунков и список цитируемой литературы из 154 названий.
Использование НК для реализации функциональных элементов микро- и наноэлектроники
Обзор литературных источников показывает, что в работах различных авторов исследуются закономерности роста нитевидных микро- и нанокристаллов практически всех полупроводниковых материалов, большинства металлов и многих диэлектриков: это и однокомпонентные полупроводники Si [1-6], Ge [7-9]; сложные полупроводники групп III-V GaN [10-14], GaP [15] GaAs [16-22], InAs [23-27] InN [28-31] InSb [32-33] InP [34, 26]; полупроводники группы II-VI FeS2 [35] ZnO [36-40]; металлы Ag [41], Au [42, 43], Bi [44]; тройные соединения InGaAs [45], GaAsP [46], GeSbTe [47], Ge1Sb2Te4 [48], а также диэлектрики [49] и магнитные материалы Mn5Ge3 [51]. Из обозреваемых литературных источников можно видеть, что НК различных материалов имеют как общие закономерности роста, так и специфические, присущие отдельным материалам функциональные характеристики. Например, в условиях высокого пересыщения капли-катализатора наноразмерные НК GaAs формируются в гексагональной решетке вюрцитной фазы, а в обычных условиях - в кубической решетке сфалеритной фазы, при этом переход от одной фазы к другой в кристалле осуществляется по механизму двойникования [51-54].
Анализ литературы показывает, что абсолютное большинство работ по исследованию процессов роста НК опубликованы зарубежными авторами. Их работы в основном посвящены описанию технологических результатов выращивания НК и изучению их свойств. При этом физико-химические ростовые процессы, зачастую, рассматриваются в работах поверхностно, многие технологические аспекты роста остаются не до конца выясненными, а, иногда, спорными. Например, различными авторами недооценивается роль капли-катализатора на вершине НК, не рассматриваются равновесные процессы на границе раздела трех фаз, практически не учитывается влияние линейного натяжения, энергетический вклад которого для нанообъектов может составлять до 10 % от величины их поверхностной энергии, недостаточно полно анализируется термодинамика процесса роста НК и т.д.
Известно, что одной из основных кристаллографических характеристик НК является кристаллографическая ориентация оси роста. В работах [5, 6, 16, 23, 38] было установлено, что наноразмерные НК Si, GaAs и некоторых других материалов с изменением диаметра кристалла изменяют предпочтительное направление роста. В работах Шмидта В. с сотр. [55] рассматривается механизм изменения доминирующего направления роста нанокристаллов Si с 111 на 110 при переходе от НК с диаметрами 20-40 нм к НК с диаметрами 5-20 нм. Для направлений 111 и 110 определены зависимости свободной энергии f, приходящейся на единицу длины периметра смачивания капли-катализатора НК, от диаметра d кристалла: f = Azcrs+acrlsd (1)
Смена преимущественного направления роста, по мнению авторов, связана с тем, что с уменьшением диаметра НК относительный вклад поверхностной энергии боковой поверхности кристалла в суммарную свободную энергию кристаллической поверхности для направления роста 110 растет быстрее, чем для направления 111 . При больших диаметрах f111 (d) /110 (d) преобладает направление роста 111 . При некоторой критической величине диаметра dс свободные поверхностные энергии НК 111 и 110 становятся равными. При d dс, наоборот, f110 (d) /111 (d), и НК начинают расти в направлении 110 . Численные значения параметров, определяющие критический диаметр смены направления роста, приведены в таблице 1. поверхности НК и увеличением, вследствие этого, поверхностной энергии Si в области границы раздела трех фаз (рис. 2). При этом новому направлению роста 211 соответствуют боковые плоскости огранения НК (111), которые характеризуются атомарной гладкостью и минимальной пассивацией водородом.
Формирование парогазовой смеси для получения НК Si и Ge
Для проведения экспериментов по росту НК кремния использовалась хлоридно-водородная химическая система [56, 137, 138]. Выращивание НК осуществлялось на газофазной эпитаксиальной установке проточного типа, отдельные узлы и блоки которой были модифицированы под решение поставленных задач. Установка включает систему подготовки и подачи реакционной газовой смеси (систему получения и очистки водорода, газовую разводку), а также печь с горизонтально расположенным кварцевым реактором. Блок-схема доработанной установки представлена на рис. 23. Наноразмерные нити кремния получали также на электронно-лучевой установке ВАК-501 (рис. 24).
Система получения и очистки водорода Источником водорода служили два электролизных генератора «ЦветХром-16» с производительностью 15,6 л/ч (рис. 25). В состав генератора водорода входила система очистки и осушки, позволяющая получать водород с влажностью менее 0,1% (объем.), что соответствует точке росы 248 К. В качестве фильтров для очистки газа использовался силикагель марки КСКГ, температура регенерации которого составляет 393-413 К.
Водород, предварительно осушенный фильтрами с силикагелем, пропускали через баллон с палладиевым катализатором для удаления примеси свободного кислорода, присутствие которого обусловлено электролизным методом получения газа. В баллоне с катализатором (рис. 25) осуществлялось каталитическое гидрирование кислорода в присутствии палладия. Для повышения эффективности работы катализатора осуществляли его нагрев до температуры 373-393 К с помощью спирального ГВ1 и ГВ2 – Генераторы водорода «ЦветХром 16»; Схема устройства фильтра с палладиевым катализатором резистивного нагревателя, обмотанного вокруг баллона. Тепловая и электрическая изоляция баллона с катализатором обеспечивалась асбестовой тканью и термобумагой.
После палладиевого катализатора водород поступал на фильтр тонкой очистки, где он осушался в баллонах с цеолитом марки NaA до влажности менее 0,01 % объем. (точка росы 228 К). Периодическую регенерацию цеолита проводили в течении 4 часов при температуре 573 К.
Для доведения содержания паров воды в водороде соответствующих точке росы 203 К и менее использовали азотную ловушку, схема конструкции которой представлена на рис. 27. Конструкция азотной ловушки позволяет обеспечить ее непрерывную работу в течение 4-х недель без перезаправки жидким азотом.
Для непрерывного контроля влажности используемого водорода применялся гигрометр ИВА-8 (Зеленоград).
Рост НК Si и Ge осуществлялся с помощью осаждения из газовой фазы кремния и германия. Осаждение обеспечивалось подачей в реакционную зону парогазовой смеси, содержащей SiCl4 при выращивании НК Si и GeCl4 при выращивании НК Ge. Смесь получали путем пропускания водорода над поверхностью жидкого источника, через пары SiCl4 и GeCl4 соответственно. Схема обогащения водорода SiCl4 или GeCl4 приведена на рис. 28.
При обогащении водорода смесью содержащей SiCl4 или GeCl4, молярные концентрации тетрахлорида кремния и тетрахлорида германия в растворе не соответствует их концентрации в парогазовой смеси. Расчет и задание концентрации SiCl4 и GeCl4 в газовой фазе осуществляли с учетом зависимости давления их насыщенных паров от температуры, при которой идет обогащение.
Рассчитанные зависимости давления насыщенных паров компонентов газовой смеси от температуры раствора показаны на рис. 29. При температуре водорода 293 К давление насыщенных паров SiCl4 более чем в 2 раза превышает давление насыщенных паров GeCl4. Это означает, что для создания одинаковой концентрации количество Н2 пропускаемое через барботер с GeCl4 должно быть в два раза больше, чем если мы используем SiCLt. Среднеквадратичная погрешность вычисления кривых на графиках составила 2 %. а
Используемые методики проведения экспериментов включают в себя нанесение на подложку металлов-катализаторов различными способами и сплавление их с подложкой; расчет концентрации реагентов в газовой фазе и определение оптимальных режимов нагрева образцов.
Методики нанесения катализатора и сплавление его с кремниевой подложкой В качестве металлов катализаторов роста НК использовались мелкодисперсные частицы Au, Pt, Cu, Ni, Sn и Ti. Нанесение частиц металла на поверхность кремниевой пластины проводилось двумя методами. Первый – напыление тонкой пленки металла на подложку с последующим нагревом и разбиением на отдельные капли. Второй – механическое нанесение готовых частиц катализатора на подложку.
В первом методе толщину металлической пленки контролировали по величине удельного поверхностного сопротивления. На рис. 31 приведен график зависимости толщины пленки напыляемой платины от поверхностного сопротивления. Толщина пленки задавалась 5, 10 и 20 нм. Разбиение пленки на островки металла проводили путем отжига в течение 5-20 мин при температуре 1300-1600 К в высокотемпературной печи Naberterm (Германия), показанной на рис. 32. Поскольку пленка платины термодинамически неустойчива, она под действием поверхностного натяжения хаотично разбивается на отдельные капли.
Размерный диапазон островков металла может быть довольно широким, и составляет от 100 нм до нескольких микрон. Средний размер островков определяется толщиной пленки металла и температурой отжига. С повышением температуры увеличивается средний и наибольший размер частиц, а также уменьшается их поверхностная плотность на подложке. На рис. 33 а, б показана типичная картина разбиения платиновой пленки на островки при различных температурах отжига.
Влияние линейного натяжения трехфазного контакта пар-жидкая капля-кристалл на процесс квазиодномерного роста нанокристаллов Si
Для установления закономерностей влияния природы и размера частиц катализатора на скорость роста НК были определены зависимости скорости роста монокристаллов от их поперечных размеров с использованием различных металлов-катализаторов. Полученные результаты показаны на рис. 41, и 42. Для металлов-катализаторов Аи, Си и Ni были определены зависимости скорости роста нитевидных кристаллов Si и Ge от их радиусов. Из графиков (рис. 41) видно, что с уменьшением радиуса Si и Ge НК их скорость роста возрастает, что наблюдается для различных металлов-катализаторов Аи, Си, Ni. Для НК Si так же получены подобные кривые и с использованием в качестве металлов-катализаторов Ag и Sn (рис. 42а). Наиболее существенное изменение скорости роста с изменением радиуса НК наблюдается для кристаллов с поперечными размерами г 3 мкм.
Разные скорости роста НК Si с использованием различных катализаторов обусловлены многими факторами, однако характер их изменения с уменьшением размера частиц катализатора схожий, и, по-видимому, определяется соотношениями физико-химических параметров процесса кристаллизации по ПЖК-механизму. Мы полагаем, что зависимость v(r) связана с изменением растворимости кремния в каплях катализатора. Изменение растворимости может быть вызвано искривлением внешней поверхности капель металла-катализатора при уменьшении их размеров.
О снижении растворимости Si в жидких каплях металла катализатора косвенно может свидетельствовать экспериментальная зависимость отношения радиуса капли к радиусу НК (R/r) от поперечного размера кристалла (рис. 42б). Как видно из рис. 42, отношение R/r при уменьшении
Зависимость отношения радиуса капли металла-растворителя и радиуса НК от поперечного размера кристалла для систем: (1) Au-Si, (2) Cu-Si, (3) Ag-Si и (4) Sn-Si радиуса НК несколько уменьшается, что связано со снижением концентраций компонентов кристаллизуемой фазы в капле металла-растворителя.
Рассмотрим переход вещества из твердой фазы в жидкую при контакте жидкости в высокодисперсном состоянии с крупными частицами твердого вещества. Для этого сначала определим разность химических потенциалов капли и кристалла для неискривленных жидкой и твердой фаз, которая равна приращению свободной энергии системы при растворении [146, 147]: Здесь C/C0 - относительное пересыщение на межфазной границе кристалл/жидкость, где С - концентрация кремния в расплаве при температуре Т (отношение числа атомов Si к объему капли), С0 - равновесная концентрация кремния в расплаве вблизи плоской межфазной границы кристалл/жидкость. Уравнение для химического потенциала искривленной жидкой фазы, имеющей поверхность сферической формы, имеет вид: Q R &=/ +р, (8) где aL - поверхностное натяжение жидкой фазы, Q - удельный объем, занимаемый одним атомом в расплаве, R - радиус кривизны капли расплава. Предполагается, что поверхностная энергия aL не зависит от изменения концентрации вещества в двухкомпонентном сплаве. Разность химических потенциалов искривленной жидкой фазы и неискривленной твердой фазы равна цт - //„ = kT\n= +— L 5 С0 Л . () Условием термодинамического равновесия фаз является равенство химических потенциалов juL=jis. Тогда из выражения (9) получим
Выражение (11) показывает, что с уменьшением размера (R) катализатора растворимость твердой фазы в нем понижается. Растворимость вещества зависит не только от размеров частиц растворителя, но и от поверхностного натяжения жидкости aL и удельного объема Q, занимаемого атомами в жидкой фазе. Влияние размера частиц растворителя на растворимость тем выше, чем больше поверхностное натяжение и меньше число атомов в единице объема. В крупной капле жидкой фазы ( «1) растворимость будет соответствовать равновесной растворимости для массивных образцов (С С0).
На основе вышеизложенного можно объяснить экспериментально наблюдаемое возрастание скорости роста НК с уменьшением их поперечных размеров. С уменьшением диаметра НК в соответствии с (11) уменьшается равновесная растворимость кремния в жидком расплаве, а следовательно, увеличивается пересыщение в каплях. Поскольку скорость роста НК пропорциональна пересыщению, то с уменьшением диаметра НК их скорость роста увеличивается. Таким образом увеличение скорости роста определяется отклонением равновесной концентрации металла в жидкой капле-расплаве с увеличением кривизны поверхности и зависит от природы катализатора (aL) и кристаллизуемого материала (Q).
На рис. 43 приведены кривые зависимости относительного изменения равновесной концентрации катализатора в капле-расплаве с уменьшением размера частиц катализатора рассчитанные по формуле (11). Видно, что чем большее значение aL имеет катализатор роста, тем раньше начинается существенное отклонение скорости роста при уменьшении размера частиц катализатора.
На рис. 44 представлена корреляция скорости роста НК Si и максимальной растворимости кремния в металле-катализаторе при температуре роста. Чем большую равновесную концентрацию в кремнии имеет катализатор, тем ниже скорость роста НК.
Таким образом, показано, что при выращивании НК с уменьшением размера частиц катализатора равновесная растворимость твердой фазы в нем понижается. Изменение равновесной концентрации кристаллизуемого вещества в микрокаплях катализатора обусловливает зависимость изменение скорости роста НК от природы используемого металла и поперечных размеров кристалла.
Как отмечалось выше, при рассмотрении процессов роста нитевидных нанокристаллов возникают размерные эффекты, обусловленные избыточной поверхностной энергией нанообъектов. При этом значительно повышается роль влияния линейного натяжения искривленной границы раздела трех фаз пар-жидкость-кристалл на свободную энергию и механическое равновесие наноразмерной капли агента-растворителя в процессе роста квазиодномерных нанокристаллических структур.
Разработка лабораторного регламента получения матриц эпитаксиальных НК Si, применительно к изготовлению тестового устройства охлаждения кристаллов микросхем
Особая форма НК кремния, характеризующаяся высоким аспектным отношением длины к диаметру, позволяет использовать их в качестве охладителей (радиаторов охлаждения) для создания устройств отвода теплоты от кристаллов микросхем, выделяющих при работе тепловую энергию. Предложенное устройство отвода теплоты от кристаллов кремниевых полупроводниковых микросхем, содержащее радиатор охлаждения, жидкостный теплоноситель (вода), входной и выходной штуцеры, отличается тем, что радиатор охлаждения выполнен системой кремниевых нитевидных монокристаллов на кристалле микросхемы, причем НК являются монолитной конструкцией с кристаллом микросхемы.
Технический результат – снижение общего термического сопротивления контакта кристалл-охладитель достигается тем, что радиатор охлаждения выполняется системой кремниевых НК на кристалле микросхемы, создавая монолитную конструкцию с кристаллом микросхемы, образуя развитую поверхность теплообмена и обеспечивая отсутствие термического сопротивления контакта между радиатором охлаждения и кристаллом микросхемы. Отсутствие переходного термического сопротивления кристалл (микросхемы) – охладитель (система НК) в такой конструкции устройства охлаждения существенно увеличивает эффективность отвода тепла теплоносителем.
Общий вид схемы устройства представлен на рис. 65, где изображен кристалл микросхемы на подложке и крышка корпуса с разрезом. Кристалл микросхемы 1 с НК 2 располагается на подложке 3, обеспечивающей механический и электрический интерфейс, и плотно прижимается крышкой 4, которая служит для герметичности конструкции и распределения теплоносителя. На рисунке 66 показаны макеты охладителей кристаллов микросхем с регулярной системой НК в качестве микроканалов охлаждения. Рис. 65 – Конструкция теплообменника с радиаторным охладителем в виде системы НК и крышкой с разрезом
Устройство охлаждения работает следующим образом. Кристалл микросхемы 1, плотно соприкасается с подложкой 3 и нагревается. Кристалл микросхемы передает выделяемую тепловую энергию нитевидным монокристаллам 2, расположенным на верхней части кристалла микросхемы. Через входной штуцер 5 на крышке 4 подается охладитель, направление потока которого обеспечивается с помощью перегородок. Проходя через НК 2, охладитель нагревается и проникает в выходную часть. Выход охладителя осуществляется через штуцер 6. НК 2, имеющие развитую поверхность теплообмена, обеспечивают охлаждение кристалла микросхемы 1 как за счет конвекции, так и за счет теплопроводности.
Способ изготовления матриц НК Si для устройства отвода теплоты от кристаллов кремниевых полупроводниковых микросхем осуществляется согласно лабораторному технологическому регламенту (Приложение А). Результат выращивания приведен на рис. 67.
Анализ морфологии НК осуществляли методами оптической и растровой микроскопии. Геометрические размеры выращенных кристаллов следующие: диаметр 80±3 мкм, длина до 1 мм, конусность не более 10 %.
Испытания проводились при различных расходах жидкости, при этом ключевыми параметрами для регистрации был перепад давления и градиент температуры на исследуемом теплообменнике. В качестве аналога сравнения теплогидравлических характеристик, были проведены испытания пористого медного теплоохладителя с ребром 4мм. Результаты испытаний представлены в виде сравнительных графиков зависимостей температурного напора и перепада давления теплоносителя от его расхода для матрицы НК кремния и медного пористого охладителя (рис. 68). Из графика видно, что охладители на основе матрицы НК показывают лучшие характеристики отвода тепла от подогреваемой подложки, чем радиатор на основе пористой меди. При этом устройства на основе матриц НК характеризуются малым перепадом давления даже при больших расходах теплоохладителя. Меньшее тепловое сопротивление теплоохладителя на основе матриц НК, очевидно, является следствием практического отсутствия теплового переходного сопротивления между корпусом (кристалл микросхемы) и охладителем (НК), а также наличия малого теплового сопротивления охладитель (НК) – теплоноситель (вода).
Известно, что тепловое сопротивление на любой границе является функцией площади контакта, степени неровности контактирующих поверхностей, нагрузки, приложенной между поверхностями и теплопроводности материала, заполняющего небольшие зазоры на границе раздела кристалл-охладитель. Граница кристалл микросхемы – НК, в отличие от границы кристалл микросхемы - пористая медь, имеет лишена неровностей контактирующих поверхностей, нагрузки, приложенной между поверхностями и характеризуется отсутствием зазоров на границе кристалл-охладитель (отсутствие материала заполняющего зазоры). При этом граница охладитель – водная среда (теплоноситель) имеет в случае массива цилиндрических НК меньшее гидродинамическое сопротивление, чем граница пористая медь - вода. Все это определяет высокую эффективность отвода теплоты в устройствах на основе матриц НК Si.
Поэтому для повышения эффективности охлаждения микроэлектронных устройств (максимального теплоотвода при минимальном гидравлическом сопротивлении), можно рекомендовать применение базовых кристаллов микросхем, тыльная поверхность которых структурирована игольчатыми системами из нитевидных монокристаллов, которые, в свою очередь, образуют систему коллекторов для подачи и отвода водного теплоносителя, представленные на рис. 69 и 70. Эффективность работы устройства охлаждения при использовании матриц НК по температурному напору на 60% превышает эффективность пористых Cu радиаторов, а по перепаду давления – на 200%.
Разработанное устройство охлаждения обеспечивает эффективный отвод теплоты от нагреваемого в процессе работы базового кристалла и позволяет создавать эффективные встроенные элементы охлаждения полупроводниковых кристаллов микросхем.
