Разработка основ создания устройств микроэлектроники.

Разработка основ создания устройств микроэлектроники.

В области разработки научных основ эпитаксиальных технологий получения полупроводниковых многослойных структур в Институте физики полупроводников впервые проведены in situ на высокоразрешающем электронном микроскопе (ВРЭМ) исследования трансформации атомной структуры ядра дислокации Франка в кремнии при электронном облучении. Сравнение экспериментальных ВРЭМ-изображений с теоретическими позволило построить атомную модель ядра дислокации Франка на разных стадиях облучения. Главным элементом модели являются междоузельные атомы, которые формируют чередующиеся двойные пятизвенные и одинарные восьмизвенные цепочки в плоскости (111). Такая конфигурация является метастабильной и при дальнейшем облучении трансформируется в микродвойник, примыкающий к ядру дислокации Франка.

В Институте физики полупроводников после нескольких лет напряженных исследований устойчиво заработала технология выращивания эпитаксиальных пленок Si на пористом кремнии, получившая название "МЛЭ КНПК-технология". Она позволяет получать исключительно высокое качество пленок - ни электронная микроскопия, ни рентгеновская топография не выявили дислокаций. Разработанная технология предназначена для производства быстродействующих радиационностойких СБИС (сверх-больших интегральных схем) на базе структур "кремний-на-изоляторе" и позволяет приступить к работам по созданию монолитных оптоэлектронных интегральных схем с оптической связью посредством светоизлучающего пористого кремния.
Структура "кремний/пористый кремний/подложка", представленная в виде поперечного среза на верхнем рисунке, действует как рентгеновский интерферометр на отражение. На рисунке внизу приведены рентгеновские спектры отражения (004) от структур с эпитаксиальной пленкой (кривая 2) и без нее (кривая 1). В то время как полуширина и форма основного рефлекса (004) не изменились, что свидетельствует о сравнимом качестве пленки и подложки, пик отражения от пористого слоя, отмеченный стрелками, переместился из одного углового интервала в другой, не накладываясь при этом на основной пик и позволяя тем самым эффективно интерферировать пучкам, отраженным от пленки и подложки - эффект интерферометра на эпитаксиальной полупроводниковой системе, наблюдаемый впервые.
В том же Институте предложены принципиально новые групповые технологии нанолитографии и создания нано- и атомноразмерных объектов, в которых литографический рисунок и отделение одних областей твердого тела от других производится с помощью управляемых сверхтонких (до 1 нм) хрупких трещин, контролируемо вводимых в заданный слой гетероструктур. Впервые получены идеальноровные окна-щели шириной 1 нм без изменений по всей длине окна (250 мкм) в GaAs слое-маске; получены окна сложной формы с атомно резкими краями; изготовлен планарный туннельный диод полупроводник-вакуум-полупроводник с туннельным промежутком меньше 3 нм.
Полученные результаты не имеют аналогов в мире и не достижимы ни одной из известных сегодня технологий.
В Институте неорганической химии совместно с Институтом физики полупроводников для целей нанолитографии разработаны технология получения пленок резиста "Винил-Т8" толщиной 50-100нм, позволяющий получать сплошные линии, способ проявления в них скрытого изображения. В слое резиста толщиной 70нм получены сплошные линии шириной до 20нм.

В Институте сенсорной микроэлектроники изучено влияние примеси германия на кинетику кристаллизации пленок аморфного кремния. На рисунке (А) представлено влияние примеси германия при температуре 550^o С. Штриховые линии соответствуют пленкам кремния с германием, введены ионной имплантацией. Наличие германия приводит к замедлению кинетики кристаллизации аморфной пленки кремния (3,4), в том числе и для случая стимуляции зародышеобразования быстрым термическим отжигом при 700^o С, 5 мин (1,2). Замедление процесса зародышеобразования интерпретируется появлением локальных деформаций при введении примеси германия, которые изменяют параметры фазового перехода.
Анализ ориентации отдельных зародышей в аморфной матрице показал одинаковую ориентацию (110) - различных зародышей (рисунок В), что обуславливает результирующую резко выделенную ориентацию пленок поликремния и свидетельствует в пользу предложенного механизма ориентируемости формируемых зародышей в аксиальном полемеханических напряжений пленки a-Si.
Теоретически получены деформационные поправки к свободной энергии формируемых кристаллических зародышей в напряженной аморфной пленке кремния (выражение С). Показано, что локальные напряжения вокруг зародыша приводят к замедлению зародышеобразования (второе слагаемое, 11,4 эВ/атом), а интегральные напряжения в пленке замедляют или ускоряют зародышеобразование в зависимости от знака исходных напряжений (первое слагаемое, 0,27мэВ/кбар/атом).
Методом сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии, не имеющей аналогов в странах СНГ, в ИФП было изучено поведение моноатомных ступеней на поверхности кремния (111), содержащей точки выхода дислокаций из кристалла. Впервые было обнаружено значительное (10³) увеличение линейного натяжения атомных ступеней в неравновесных термодинамических условиях. Большое значение линейного натяжения объясняется существованием различной вероятности атомов встроиться в ступень со стороны верхней и нижней террасы в условиях динамического движения ступеней. В рамках аналогий с бесконечной струной в однородной среде была оценена энергия взаимодействия между атомными ступенями и дислокациями, выходящими на поверхность. Полученные данные позволяют объяснить ряд противоречивых явлений, наблюдаемых на поверхности кристаллов, а также указывают на существование сильной диффузии атомов вдоль cтупеней.
Сотрудниками институтов Сенсорной микроэлектроники и Физики полупроводников впервые был предложен и разработан метод создания высокоомных слоев на сильнолегированном кремнии путем гидрогенизации в плазме водорода. Суть метода состоит в том, что взаимодействие атомарного водорода с легирующей примесью приводит к уменьшению концентрации электрически активной примеси. С использованием данного метода лучены структуры с блокированной прыжковой проводимостью по примесной зоне, на базе которых были изготовлены двухрядные матрицы фоточувствительных элементов ИК- диапазона (до 18мкм). Технологические решения защищены охранными документами.
В ИСМЭ разработан и исследован новый тип сенсоров метана на основе оксидных материалов с протонной проводимостью, обеспечивающих однозначность определения метана в диапазоне концентраций от 0 до 100об.%.
Разработан макет медицинского тепловизора на основе гибридного матричного модуля размерностью 128x128 элементов. В состав прибора входят фоточувствительная матрица 128x128 МДП-структур на арсениде индия, матричный охлаждаемый кремниевый мультиплексор 128x128, электронный канал считывания сигнала и ввода в ПЭВМ класса 488DX. Температурное разрешение прибора порядка 0,05^o С при частоте опроса 10 кадров в секунду.
Приборные параметры соответствуют лучшим разработкам современного мирового уровня в области тепловизионной техники, фоточувствительная матрица на основе МДП-структур из арсенида индия аналогов в мире не имеет. Институтом физики им. Л.В. Киренского в кристаллах a-Fe₂O₃:Ga, легированных Yb и Eu, обнаружено поляризационно-зависимое изменение магнитных свойств. Эффект проявляется как фотоиндуцированное метастабильное изменение параметров антиферро- магнитного резонанса и наблюдается при температурах ниже 70К для Eu и ниже 130К для Yb.
В результате исследования температурных и угловых параметров магнитного резонанса, а также кинетики индуцированных изменений установлено, что возникающие изменения магнитного состояния связаны с перестройкой фотоцентров, cодержащих редкоземельные ионы, в зависимости от поляризации оптического излучения. Фоточувствительным центром является комплекс из кислородной вакансии и двухвалентного иона редкой земли, который при облучении с поляризацией, параллельной магнитному полю, превращается в сильно анизотропный центр, состоящий из F-центра, обменно-связанного с трехвалентным ионом редкой земли.
В Институте физики полупроводников методами эллипсометрии и ИК-спектроскопии выполнено исследование адсорбции газов, сопровождающейся образованием донорно-акцепторной связи, на системах 2- и 3-мерных организованных молекулярных ансамблей. Показано, что ансамбли на основе слоев Ленгмюра-Блоджетт проявляют свойство равнодоступной поверхности мономолекулярных слоев, т.е. адсорбция газа происходит на рецепторных центрах во всем объеме пленки.
Показано, что адсорбция в полисилоксановых пленках протекает через граничный слой, толщина которого определяется пористостью пленки. На основе проведенных исследований получены системы полупроводниковых нанокластеров, распределенных в органической матрице Ленгмюра-Блоджетт.
В Институте физики им. Л.В.Киренского исследована возможность реализации шкалы серости при термоконтактном способе записи информации в электрооптически бистабильных пленках, капсулированных полимером холистерических жидких кристаллов (КПХЖК). Показана зависимость контраста записываемого изображения от достигнутой максимальной температуры нагреваемого участка образца. Резкое увеличение контраста (от 3 до 28) наблюдается в диапазоне около 33^oС изменения максимальной температуры вблизи фазового перехода жидкого кристалла в изотропное состояние. Этот эффект перспективен для использования в проекционных транспарантах на основе КПХЖК-пленок. Изображение может записываться нагретым пером и быстро стираться отключением электрического поля.
В том же Институте собрана установка и отработана методика проведения экспериментальных исследований вольтконтрастных характеристик пленок, капсулированных полимером нематических жидких кристаллов (КПХЖК), в зависимости от степени их растяжения. Установка позволяет одновременно измерять следующие параметры: светопропускание поляризованных компонент в зависимости от приложенного напряжения, толщину образца, температуру, морфологические характеристики КПХЖК-пленки (величину и размер капель). Исследованы вольт-контрастные характеристики этих пленок.
В случае ненапряженного образца пропускание не зависит от поляризации падающего излучения, в то время как для напряженного образца пороговая напряженность для компонент с разной поляризацией отличается примерно вдвое. Форма петли гистерезиса существенно зависит от поляризации падающего излучения. Исследованные эффекты памяти являются весьма перспективными для технических приложений.
В настоящее время для имитации трехмерного изображения на плоском экране (в системах виртуальной реальности) используются стереоочки, в которых для оптических затворов используются жидкокристаллические ячейки. Их недостатком является невысокая контрастность и малое светопропускание. Новые возможности в стереовидении открывает электрооптический материал, изготовленный с использованием КПХЖК-пленки, легированной дихроичным красителем, синтезированным в Новосибирском институте органической химии. Высокий коэффициент поглощения и большой дихроизм данных красителей позволили существенно повысить контраст оптических затворов без ухудшения других эксплуатационных характеристик (Институт физики им. Л.В.Киренского совместно с СКТБ "Наука", Институтом теоретической и прикладной механики и Новосибирским институтом органической химии). Время включения оптических затворов - 0,6мсек, время выключения - 1,7мсек. Максимальное светопропускание 78%. Разработанная модель стереоочков хорошо согласуется с устройствами виртуальной реальности 3D-MAX, а по ряду параметров превосходит их.
В Новосибирском институте органической химии методами электронной и ЯМР-спектроскопии доказано наличие и исследованы закономерности таутомерного равновесия производных 1,5-нафтохинона. 1,5-нафтохиноны с арилтиогруппами в положении 2 и 6 испытаны в ИТПМ в составе жидкокристаллических композитов. Показаны высокие ориентационная способность и параметры порядка. Композиты могут быть использованы при создании цветных управляемых электрическим полем оптических фильтров в системах отображения информации. Красители же с арилсульфоновыми группами обладают интенсивным поглощением, высокой пленкообразующей способностью и фотохимической устойчивостью, что обеспечивает их перспективность для оптических дисков.
В оглавление. Далее.