Решено: Тайна наноразмерных кругов на полях

В странных узорах сплава золото-кремний ученые лаборатории Беркли раскрывают неожиданные секреты и перспективные пути к наноразмерной полупроводниковой обработке

Когда тонкий слой золота отжигает поверх кремниевой пластины, покрытой нативным оксидом кремния, беспорядочно распределенные бассейны эвтектического сплава быстро формируются – а затем проходят через быструю серию странных изменений, оставляя после себя голые круги диоксида кремния, окруженные мусором. Каждый оголенный круг показывает идеальный квадрат в его центре. Показанная площадь составляет около 107 на 155 микрометров (миллионные доли метра). (Нажмите на изображение для лучшего разрешения.)

Почти три года назад группа ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США проводила эксперимент, в ходе которого слои золота толщиной всего лишь в нанометры (миллиардные доли метра) нагревались на плоской поверхности кремния, а затем охлаждались. Они с удивлением наблюдали, как на экране их электронного микроскопа расширяются и изменяются характерные черты, наконец, образуя круги, окруженные неровными волдырями.

Круги были разного диаметра-до нескольких миллионных долей метра, и в центре каждого из них был идеальный квадрат. Загадочные узоры напоминали не что иное, как так называемые «инопланетные» круги на полях.

До недавнего времени причина возникновения этих странных образований оставалась загадкой. Теперь теоретические идеи объяснили, что происходит, и результаты были опубликованы в интернете Физические Письма Обзора на http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i9/e096102.

Жадно плавящийся сплав с

Когда два твердых вещества соединяются в нужных пропорциях, изменения в химической связи могут привести к образованию сплава, который плавится при температуре гораздо ниже, чем любой из них может плавиться сам по себе. Такой сплав называют эвтектическим, что по-гречески означает «хорошее плавление».»Эвтектический сплав золота и кремния-81 процент золота и 19 процентов кремния-особенно полезен для обработки наноразмерных полупроводников, таких как нанопроволоки, а также для межсоединений устройств в интегральных схемах; он разжижается при скромных 363 градусах Цельсия, намного ниже температуры плавления чистого золота, 1064°C, или чистого кремния, 1414°C.

Быстрый рост и эволюция странных кругов при 600C фиксируется в последовательных кадрах под электронным микроскопом (структуры справа уже на месте, когда начинается последовательность). Под тонким слоем золота (пятнисто-серым) открывается слабое место в барьере диоксида кремния, что позволяет чистому кремнию в подложке вступать в реакцию с золотом. Быстро растекается лужа расплавленной эвтектики (темно-серая). Когда он становится достаточно большим, поверхностное натяжение разрывает жидкость, оттягивая эвтектику в сторону, чтобы окружить очищенную зону диоксида кремния, теперь бесплодную, за исключением центрального квадрата золота и кремния. Время от первого до последнего кадра составляет всего 2,8 секунды; площадь, охватываемая каждым изображением, составляет около 40 на 80 микрометров.

«Золото-Кремниевая эвтектическая жидкость может безопасно спаивать слои чипа вместе или формировать микроскопические проводящие провода, протекая в каналы в подложке, не сжигая окружающую среду», — говорит Цзюньцяо Ву из Berkeley Lab. «Это особенно интересно для обработки наноразмерных материалов и устройств.»Ву приводит пример кремниевых нанопроволок, которые могут быть выращены из шариков эвтектической жидкости, которые формируются из капель золота. Бусины катализируют осаждение кремния из химического пара и оседают на постоянно удлиняющихся нанопроволоках усов.

Понять, как и почему это происходит, было непросто. Хотя эвтектические сплавы хорошо изучены как твердые тела, жидкое состояние представляет больше препятствий, которые особенно трудны на наноуровне из – за значительно увеличенного поверхностного натяжения-те же самые поверхностные силы, которые затрудняют формирование ультратонких пленок воды, например, потому что они тянут воду в капли. При меньших масштабах отношение площади поверхности к объему заметно возрастает, и наноразмерные структуры описываются как практически «вся поверхность».»

Таковы условия, которые команда во главе с Ву, который является ученым факультета в отделе материаловедения лаборатории Беркли и профессором кафедры материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли, намеревалась изучить, создав самые тонкие возможные пленки золото-кремниевых эвтектических сплавов. Исследователи сделали это, начав с подложки из чистого кремния, на плоской поверхности которой образовался чрезвычайно тонкий барьерный слой (толщиной в два нанометра) диоксида кремния. На эту поверхность они положили слои чистого золота, меняя толщину от одного испытания к другому всего от нескольких нанометров до здоровенных 300 нанометров. Барьер диоксида кремния не позволял чистому кремнию смешиваться с золотом.

Следующим шагом было нагревание слоистого образца до 600 °C в течение нескольких минут – недостаточно горячего, чтобы расплавить золото или кремний, но достаточно горячего, чтобы вызвать естественные отверстия в тонком слое диоксида кремния, увеличивающиеся в небольшие слабые места, через которые чистый кремний мог войти в контакт с вышележащим золотом. При высокой температуре атомы кремния быстро диффундировали из подложки в золото, образуя слой эвтектического золото-кремниевого сплава почти такой же толщины, как и исходное золото, и распространяясь по практически совершенному кругу от центрального отверстия.

Когда круговой диск эвтектического сплава стал достаточно большим, он внезапно распался, нарушенный высокой поверхностной энергией золото-Кремниевой эвтектической жидкости. Обломки буквально тянулись к краям диска, скапливаясь вокруг него, оставляя центральную обнаженную зону голого диоксида кремния.

В центре оголенной зоны остался идеальный квадрат из золота и кремния.

Химия и Кристаллография, а не инопланетяне

Самым удивительным открытием исследователей было то, что чем тоньше исходный слой золота, тем быстрее расширяются эвтектические круги. Скорость реакции при толщине слоев золота всего 20 нм была более чем в 20 раз выше, чем при толщине слоев 300 Нм. И хотя на первый взгляд размеры золотых и кремниевых квадратов внутри круглых оголенных зон казались переменными, на самом деле существовало строгое соотношение между размером квадрата и размером круга: радиус круга всегда был длиной квадрата, возведенной в степень 3/2.

Оголенная зона и центральный квадрат (сверху и в центре): внизу вид сбоку показывает структуру под квадратом, пирамиду, стороны которой лежат вдоль низкоэнергетических плоскостей кремниевой подложки. После отделения при охлаждении золото отступило (темно-серое). Слой отросшего кремния виден на врезном изображении с высоким разрешением, точно следуя за кристаллическими плоскостями подложки, показанной в крайнем правом углу. (Нажмите на изображение для лучшего разрешения.)

Как квадраты попали туда в первую очередь? Они возникли как слабые места, которые были источниками распространения эвтектических золото-кремниевых кругов; когда круговая эвтектика разрывалась, квадраты заполнялись той же эвтектикой, которая оставалась в центрах оголенных зон. Когда они остыли, золото и кремний внутри квадратов разделились, оставив резко очерченные края, которые были чистым кремнием; центры были более грубо очерченными квадратами чистого золота.

Разрезав слой кремния / диоксида кремния / золота и посмотрев сбоку на структуры с помощью электронного микроскопа, исследователи обнаружили, что поверхностные квадраты были основаниями перевернутых пирамид, напоминающих зубы, проникающие в тонкий слой диоксида кремния и встроенные в кремниевую пластину. Квадраты были квадратными, фактически, из-за ориентации кремния: подложка была разрезана вдоль кристаллической плоскости, которая определяла основание. Четыре треугольные стороны пирамид лежали вдоль низкоэнергетических плоскостей кристаллической решетки и определялись их пересечениями.

То, что начиналось как загадочное явление, напоминающее «Х – файлы», хотя и в значительно меньшем масштабе, чем космическое, тайна «наноразмерных кругов на полях» в конечном счете уступила тщательному наблюдению и теоретическому анализу-несмотря на препятствия, создаваемые высокими температурами, наноразмерными размерами, нестабильностью жидкого состояния и чрезвычайно быстрыми временными масштабами.

«Мы обнаружили, что скорость реакции при образовании небольших по размеру золото-кремниевых эвтектических жидкостей-и, возможно, во многих других эвтектических системах – зависит от толщины реагирующих слоев», – говорит Ву. «Это открытие может открыть новые пути для разработки и обработки наноразмерных материалов.»

https://newscenter.lbl.gov/2012/03/01/crop-circles/

Ссылка на основную публикацию