eng
Выпуск #2/2007
Г.Павлов.
Технологическое оборудование для формирования наноуглеродных слоев
Технологическое оборудование для формирования наноуглеродных слоев
Просмотры: 2342
Разработка технологий и технологического оборудования для проведения исследований и производства приборов с использованием наноуглеродных материалов (углеродные нанотрубки, нановолокна, алмазные и алмазоподобные пленки, фуллерены, графеновые слои и др.) является одним из приоритетных направлений развития научно-технологического комплекса России.
Методы создания наноуглеродных материалов могут быть разделены на два основных типа:
— испарение или лазерная абляция углерода в электродуговом разряде;
— химическое осаждение из газовой фазы (Chemical Vapor Deposition: CVD), когда наноуглеродные слои создаются путем разложения углеводородов.
В любом из этих методов применяют катализаторы. Для роста углеродных нанотрубок в качестве катализаторов используются никель, железо, кобальт и другие переходные металлы, для роста алмазных и алмазоподобных пленок – нанокристаллы алмазов либо другие "затравки". Вид катализатора и размеры его частиц существенно влияют на условия протекания реакции и свойства полученных слоев.
В настоящее время на рынке предлагаются в основном порошкообразные наноуглеродные материалы. Углеродные нанотрубки (УНТ) создаются при использовании CVD-процессов, которые позволяют осуществить их рост в области размещения катализатора.
Наиболее распространен термический CVD-метод, в котором разложение исходного газа и нагрев подложки проводятся в печах (муфельных, зеркальных и др.). В зависимости от используемого углеродосодержащего вещества и катализатора рост УНТ происходит при температурах от 700 до 1000 0С. Интенсивно развивается CVD-метод с использованием горячей нити (Hot Filament или Hot-Wire), когда газовую смесь приводят в прямой контакт с нитью, нагретой до 2000 0С, где и происходит разложение углеводородов. Излучение нити поднимает температуру подложки до 700–800 0С.
Методы плазменно-стимулированного осаждения (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) наноуглеродных пленок, когда на подложку с нанесенной пленкой катализатора поступает поток возбужденного низкотемпературной плазмой углеродосодержащего газа, позволяют понизить температуру роста УНТ до 550–700 0С. Имеются сообщения о возможности роста УНТ при более низких (вплоть до комнатных) температурах, однако при этом отмечается ухудшение качества наноуглеродных слоев.
В России в основном ведутся исследования на экспериментальных установках с размерами подложки в пределах одного дюйма и относительно высокими температурами роста УНТ (550–1000 0С). Отсутствие единого подхода, объединяющего требования к оборудованию, технологии и приборам, не позволяет продвинуться дальше регистрации тех или иных эффектов.
Как считают эксперты, в плане ускорения создания приборов и интегральных схем на основе наноуглеродных материалов ситуация существенно изменится, если будет разработан комплект технологического оборудования с воспроизводимой технологией создания функциональных наноуглеродных интегральных структур с субмикронными топологическими размерами.
Комплект, по мнению специалистов, должен включать оборудование для следующих процессов:
• формирования каталитических слоев;
• выращивания углеродных нанотрубок с заданной геометрией;
• осаждения легированных алмазных и алмазоподобных пленок;
• селективного сухого травления слоев, в том числе каталитических и наноуглеродных.
При разработке оборудования необходимо учитывать не только особенности технологических процессов, но и требования технологий изготовления конкретных приборов и изделий. Особенно жесткие условия выдвигает технология производства интегральных схем с топологическими размерами менее 100 нм. В число критических параметров процесса входят:
• привносимая дефектность в виде механических частиц и радиационных нарушений в структурах;
• температура и время воздействия;
• площадь и однородность обработки.
Следует отметить, что, несмотря на большое количество публикаций, посвященных получению, экспериментальному и теоретическому исследованию свойств и механизмов роста наноуглеродных слоев, понимание этих процессов носит пока лишь качественный характер. Поэтому и требования к технологическому оборудованию для получения каталитических и наноуглеродных слоев, а также их сухому травлению, находятся в стадии формирования и будут уточняться по мере реализации этапов его разработки.
На первом этапе разработки экспериментального оборудования и исследования процессов осаждения и травления наноуглеродных слоев уже накоплен значительный опыт, который необходимо развивать и реализовать на втором этапе.
Второй этап включает разработку и мелкосерийное производство опытных технологических установок для пластин диаметром 100-150 мм, которые могут использоваться в вузах, научно-исследовательских институтах, нанотехнологических центрах и на малых предприятиях.
На основе накопленного опыта по созданию оборудования и отработке технологических процессов возможна реализация третьего этапа – разработка и производство промышленного технологического оборудования и его использование совместно с промышленными технологиями на предприятиях.
Очевидно, что такая поэтапная разработка промышленного технологического оборудования с максимальным привлечением всего имеющегося научно-технического потенциала в области формирования наноуглеродных слоев является целесообразной и необходимой, в том числе и потому, что возможность закупок аналогичного зарубежного оборудования будет, вероятно, ограничиваться не только высокими ценами, но и некоторыми соображениями стратегического характера.
— испарение или лазерная абляция углерода в электродуговом разряде;
— химическое осаждение из газовой фазы (Chemical Vapor Deposition: CVD), когда наноуглеродные слои создаются путем разложения углеводородов.
В любом из этих методов применяют катализаторы. Для роста углеродных нанотрубок в качестве катализаторов используются никель, железо, кобальт и другие переходные металлы, для роста алмазных и алмазоподобных пленок – нанокристаллы алмазов либо другие "затравки". Вид катализатора и размеры его частиц существенно влияют на условия протекания реакции и свойства полученных слоев.
В настоящее время на рынке предлагаются в основном порошкообразные наноуглеродные материалы. Углеродные нанотрубки (УНТ) создаются при использовании CVD-процессов, которые позволяют осуществить их рост в области размещения катализатора.
Наиболее распространен термический CVD-метод, в котором разложение исходного газа и нагрев подложки проводятся в печах (муфельных, зеркальных и др.). В зависимости от используемого углеродосодержащего вещества и катализатора рост УНТ происходит при температурах от 700 до 1000 0С. Интенсивно развивается CVD-метод с использованием горячей нити (Hot Filament или Hot-Wire), когда газовую смесь приводят в прямой контакт с нитью, нагретой до 2000 0С, где и происходит разложение углеводородов. Излучение нити поднимает температуру подложки до 700–800 0С.
Методы плазменно-стимулированного осаждения (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) наноуглеродных пленок, когда на подложку с нанесенной пленкой катализатора поступает поток возбужденного низкотемпературной плазмой углеродосодержащего газа, позволяют понизить температуру роста УНТ до 550–700 0С. Имеются сообщения о возможности роста УНТ при более низких (вплоть до комнатных) температурах, однако при этом отмечается ухудшение качества наноуглеродных слоев.
В России в основном ведутся исследования на экспериментальных установках с размерами подложки в пределах одного дюйма и относительно высокими температурами роста УНТ (550–1000 0С). Отсутствие единого подхода, объединяющего требования к оборудованию, технологии и приборам, не позволяет продвинуться дальше регистрации тех или иных эффектов.
Как считают эксперты, в плане ускорения создания приборов и интегральных схем на основе наноуглеродных материалов ситуация существенно изменится, если будет разработан комплект технологического оборудования с воспроизводимой технологией создания функциональных наноуглеродных интегральных структур с субмикронными топологическими размерами.
Комплект, по мнению специалистов, должен включать оборудование для следующих процессов:
• формирования каталитических слоев;
• выращивания углеродных нанотрубок с заданной геометрией;
• осаждения легированных алмазных и алмазоподобных пленок;
• селективного сухого травления слоев, в том числе каталитических и наноуглеродных.
При разработке оборудования необходимо учитывать не только особенности технологических процессов, но и требования технологий изготовления конкретных приборов и изделий. Особенно жесткие условия выдвигает технология производства интегральных схем с топологическими размерами менее 100 нм. В число критических параметров процесса входят:
• привносимая дефектность в виде механических частиц и радиационных нарушений в структурах;
• температура и время воздействия;
• площадь и однородность обработки.
Следует отметить, что, несмотря на большое количество публикаций, посвященных получению, экспериментальному и теоретическому исследованию свойств и механизмов роста наноуглеродных слоев, понимание этих процессов носит пока лишь качественный характер. Поэтому и требования к технологическому оборудованию для получения каталитических и наноуглеродных слоев, а также их сухому травлению, находятся в стадии формирования и будут уточняться по мере реализации этапов его разработки.
На первом этапе разработки экспериментального оборудования и исследования процессов осаждения и травления наноуглеродных слоев уже накоплен значительный опыт, который необходимо развивать и реализовать на втором этапе.
Второй этап включает разработку и мелкосерийное производство опытных технологических установок для пластин диаметром 100-150 мм, которые могут использоваться в вузах, научно-исследовательских институтах, нанотехнологических центрах и на малых предприятиях.
На основе накопленного опыта по созданию оборудования и отработке технологических процессов возможна реализация третьего этапа – разработка и производство промышленного технологического оборудования и его использование совместно с промышленными технологиями на предприятиях.
Очевидно, что такая поэтапная разработка промышленного технологического оборудования с максимальным привлечением всего имеющегося научно-технического потенциала в области формирования наноуглеродных слоев является целесообразной и необходимой, в том числе и потому, что возможность закупок аналогичного зарубежного оборудования будет, вероятно, ограничиваться не только высокими ценами, но и некоторыми соображениями стратегического характера.
Отзывы читателей
