 |
Результаты практического применения
|
|
|
|
Кафедра физики низкоразмерных структур
Кропачев Олег Владиславович
| Получение атомарно-чистой поверхности германия методом ионного травления |
КУРСОВАЯ РАБОТА
По основной образовательной программе подготовки бакалавров
по направлению. 11.03.04 – Электроника и наноэлектроника
| Студент гр. Б8315 __________________ (подпись) | |
| Руководитель доктор ф.-м. н. _____________ Д. В. Грузнев | |
| Регистрационный № ________ ___________ ___________________ подпись И.О.Фамилия «_____» ___________________ 2016г. | Оценка _________________________ ____________ ___________________ подпись И.О.Фамилия «_____» ________________ 2016г. |
г. Владивосток
Содержание
· Введение
· Скол
· Прогрев
· Химическая обработка
· Ионное распыление
· Результаты практического применения
· Заключение
· Список литературы
Введение
Для того чтобы контролируемо создавать уникальные наноструктуры нам необходимо соблюдение определённых условий. Одно из важнейших таких условий является отсутствие посторонних элементов в камере. И если вещества, содержащиеся в воздухе, мы убираем с помощью вакуума, то те, что находятся на поверхности подложки, с которой мы собираемся работать не так просто.
Есть множество методов очистки подложки. Наиболее часто используемые из них:
- Скол
- Прогрев
- Химическая обработка
- Ионное распыление
К сожалению, не существует универсальной процедуры очистки. Для каждого материала требуется индивидуальная методика с определёнными параметрами или даже комбинация нескольких методик.
Для эксперимента нам необходимо получить атомарно-чистую поверхность германия с широкими террасами. В данной работе будут рассмотрены выше перечисленные способы её получения выбран самый оптимальный, позволяющий получить результат близкий к идеальному.
|
|
|
Скол
Скол (рис.1) - это, пожалуй, самый прямой и самый очевидный способ получения свежей чистой поверхности. Он применим к таким хрупким материалам, кК оксиды, галоиды щелочных металлов, элементарные полупроводники и сложные полупроводники. Типичное приспособление для скола включает в себя брусочек материала образца с пропиленными зарубками и клин, управляемый извне камеры механически, электрически или с помощь магнита.
Поверхности, получаемые сколом, естественно, чистые, а в случае сложных полупроводников чаще всего и стехиометрические. Следует однако и некоторые недостатки метода. Во-первых, скол годится для хрупких материалов. Во-вторых, сколотая поверхность в общем случае может и не обладать равновесной структурой. В-третьих, сколотая поверхность неплоская и характеризуется высокой плотностью ступеней. Более того, плотность ступеней может сильно меняться для разных сколов, что отражается в случайном разбросе свойств получаемых сколом поверхностей. Что автоматически становится для нас не приемлемым.
|
Прогрев
Поверхности некоторых кристаллов могут быть очищены простым прогревом (рис. 2) с помощью пропускания электрического тока через образец, электронной бомбардировки или лазерного отжига. Основное требование состоит в том, чтобы адсорбированные примеси и/или поверхностные оксиды испарялись при температурах ниже точки плавления исследуемого материала. Это выполняется для вольфрама и аналогичных тугоплавких металлов, а также для Si. Однако даже для этих материалов тепловая обработка имеет следующие недостатки. Отжиг может приводить к перераспределению примесей в объеме образца или даже к их сегрегации на поверхность. Некоторые примеси (например, углерод) могут образовывать очень прочные соединения с материалом образца и, следовательно, с трудом могут быть полностью удалены с поверхности.
|
|
|
К сожалению, из-за особенностей строения попытка очистить поверхность германия прогревом привет к порче образца.
|
Химическая обработка
Для облегчения термической очистки иногда применяется химическая обработка (рис. 3) поверхности образца как снаружи (ex situ), так и внутри (in situ) вакуумной камеры. Предварительная химическая обработка eх situ заключается в образовании относительно тонкого защитного слоя, который может быть удален in situ прогревом при невысоких температурах. Примером может служить процедура RCA обработки пластин Si, разработанная В. Керном (во время его работы в компании RCA (Radio Corporation of America), откуда собственно и произошло название процедуры.
Химическая обработка in situ, как правило, следующая. Активный газ напускается в вакуумную камеру при низких давлениях (обычно, около 
Торр или ниже), и после чего проводится отжиг образца в этой газовой среде. Газ реагирует с примесями на поверхности с образованием летучих или слабо связанных с поверхностью соединений. Например, чтобы освободиться от углерода, вольфрам отжигают в кислороде при 1400-1500 0С. В результате такой обработки С переходит в СО, который может быть затем удален с поверхности W прогревом в вакууме при 2000°С.
Данный способ так же не подходит по причине дороговизны и нарушению вакуума.
|
Ионное распыление
Убрать поверхностные загрязнения можно, если распылить их вместе с верхним слоем образца. Это можно сделать с помощью бомбардировки поверхности ионами инертных газов (рис. 5). Чаще всего для этой цели используются ионы аргона.
Для того чтобы получить пучок ионов, газ напускается через натекательный вентиль либо внутрь ионной пушки, либо во всю сверхвысоковакуумную камеру целиком. Ионизация атомов газа проводится электронным ударом в ионизаторе ионной пушки. Электроны излучаются с катода. Полученные ионы вытягиваются из ионизатора, ускоряются до желаемой энергии и направляются на образец. Значения, которые принимает энергия, обычно находится в пределах от 0,5 до 5 кэВ.
|
|
|
Данный способ очень интересен тем что позволяет получить не только чистую но и достаточно ровную поверхность в отличие от скола.
|
На рисунке 5 изображена схематическая диаграмма, показывающая устройство обычной ионной пушки для очистки образца. Такая пушка может также применятся для профилирования образцов по глубине, вторичной масс-спектроскопии и спектроскопии ионного рассеяния. 
|
Для реализации данного метода необходимо выполнить следующие этапы:
1. Пластинку германия закрепляют в специальном держателе и помещают в камеру.
2. В камере создается вакуум не менее 5* Торр
3. Образец нагревают прямым током до 650 0С и поддерживают эту температуру в течении 30 секунд, затем оставляют остывать
4. На образец направляют поток ионов аргона с энергией 0,8 кэВ
5. Образец снова нагревают до 650 0С и поддерживают эту температуру в течении 30 секунд и оставляют остывать.
6. Бомбардировку и нагрев повторяют ещё раз, затем образец осматривают с помощью дифракции медленных электронов и сканирующей туннельной микроскопии.
7. Если поверхность образца недостаточно чистая то процедуру повторяют до приемлемого результата.
Проверить полученный результат мы можем с помощью дифракции медленных электронов (ДМЭ) и сканирующей туннельной микроскопии (СТМ).
Дифракция электронов широко используется для исследования структуры поверхности. Информация о структуре поверхности обычно получают, анализируя электроны упруго рассеянные кристаллом. Интенсивность дифракционных пучков содержит информацию о расположении атомов внутри элементарной ячейки. Распределение дифракционных пучков в пространстве дает информацию о решетке кристалла. Решетка прямо определяется из картины дифракции, так как эта картина однозначно связана с обратной решеткой кристалла.
Метод ДМЭ даёт информацию о двумерной структуре образца. Картина с ДМЭ при энергии электронов 90 эВ для германия(111)с(2x8) представлена на рисунке 6.
|
Принцип работы СТМ: очень острая игла микроскопа помещается настолько близко к исследуемой поверхности, что волновые функции наиболее близкого атома иглы и атомов поверхности образца перекрываются. Это условие выполняется при величине промежутка игла-образец ~5—10 Å. Если приложить напряжение V между иглой и образцом, то через промежуток потечет туннельный ток. Сканируя иглой вдоль поверхности, можно получить картину топографии поверхности.
|
|
|
Результаты практического применения
Изображение картины ДМЭ образца при энергии электронов 87эВ:
Изображение совпадет с теоретическими данными и результатами предыдущих исследований поверхности германия.
Далее образец был исследован с помощью СТМ при напряжении -0,4В и силе тока 0,2 нА. Разрешения полученного изображения282x205 Å.
На наблюдаемой картине можно заметить отсутствие посторонних атомов на поверхности образца. Значит, очистка прошла успешно.
Изображение поверхности разрешением 1000x1000 Å полученное при напряжении +1,5 В и силе тока 0,3 нА.
На данном изображении наблюдаются широкие террасы необходимые для последующих экспериментов. Следовательно, необходимого результата по очистке поверхности германия мы достигли.
Заключение
На данный момент не существует универсальной процедуры очистки поверхности до атомарно-чистого состояния. Для каждого материала требуется индивидуальная методика с определенными параметрами. Конкретно для германия необходима система процедур для создания поверхности образца с необходимыми условиями.
Из всех методов получения чистой поверхности был выбран именно ионное распыление по причине получения результатов близких к идеальным.
Ионное распыление – очень эффективный метод очистки. Однако он имеет побочный эффект: ионная бомбардировка разрушает структуру поверхности. Поэтому после такой процедуры необходим отжиг подложки. Таким образом мы восстановим кристаллическую структуру поверхности и удалим атомы аргона, внедренные в объем и адсорбированные на поверхности.
И в результате мы получим качественную поверхность необходимую для проведения экспериментов в будущем.
Список литературы
1. Hafiz M. Sohail, R.I.G. Uhrberg. Electronic and atomic structures of a Sn induced 3√3 x3√3 superstructure on the Ag/Ge(111)√3x√3 surface// Surface Science 644 (2016) 29–33
2. http://studopedia.info/8-55756.html
3. Noboru Takeuchi, A. Selloni, and E. Tosatti. Do We Know the True Structure of Ge(lll)c(2 x 8)?// PHYSICAL REVIEW LETTERS – 27.07.1992 – Vol. 69, № 4
4. Noboru Takeuchi, A. Selloni, and E. Tosatti. Atomic dynamics and structure of the Ge(111)c(2 X 8) surface// PHYSICAL REVIEW B – 15.04. 1995-II –Vol. 51, no.16
5. http://www.mitsubishicorp.com/
6. Введение в физику поверхности /К. Оура, В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин, А.В. Зотов, М. Катаяма. – М.: Издательство ‹‹Наука››, 2005. – п.2.4.4. с.55
|
|
|
7. Heiney P.A., J Phys. Chem. Solids, 53, 1333 (1992)
8. Введение в физику поверхности /К. Оура, В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин, А.В. Зотов, М. Катаяма. – М.: Издательство ‹‹Наука››, 2005. – п.7.5.3. с.223
9. http://dssp.petrsu.ru/~IVK/julja/razdel3/tema2/3.htm
10. E. S. Hirschorn, D. S. Lin, F. M. Leibsle, A. Samsavar, T.-C. Chiang. Charge transfer and asymmetry on Ge(111)-c(2x8) studied by scanning tunneling microscopy// PHYSICAL REVIEW B - 15.07. 1991-I –Vol. 44, no. 3
|
|
|
