Агеев О.А., Федотов А.А., Смирнов В.А. - Методы формирования структур элементов наноэлектроники и наносистемной техники. Учебное пособие. Часть 1 - libgen.lc
advertisement
621.382.8(075) № 4670-14021-1 А239 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Южный федеральный университет ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ В г. ТАГАНРОГЕ О.А. Агеев, А.А. Федотов, В.А. Смирнов МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР ЭЛЕМЕНТОВ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ Учебное пособие Часть 1 Таганрог 2010 УДК 621.382.8(076) Рецензенты: д-р техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник отдела физической органической химии Южного научного центра РАН Рындин Е.А.; канд. техн. наук, доцент кафедры конструирования электронных средств Лысенко И.Е. Агеев О.А., Федотов А.А., Смирнов В.А. Методы формирования структур элементов наноэлектроники и наносистемной техники: Учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. – 72 с. В данном пособии рассмотрены перспективные методы формирования структур элементов наноэлектроники и наносистемной техники. В первом разделе пособия представлен обзор современных литографических методов, рассмотрены альтернативные методы нанолитографии, основанные на использовании сканирующего зондового микроскопа, описаны структуры устройств наноэлектронки. Во втором разделе представлены результаты анализа механизмов локального анодного окисления металла, представлена математическая модель расчета условий и режимов формирования наноструктур методом ЛАО на основе тонких пленок металлов. Учебное пособие может использоваться студентами при изучении курсов "Зондовые технологии наноэлектроники", "Технологические процессы микро- и наноэлектроники", "Материалы и методы нанотехнологии", а также при проведении опережающей профессиональной подготовки и переподготовки специалистов, ориентированных на инвестиционные проекты ГК «РОСНАНОТЕХ» в области проектирования и производства СБИС с топологическими нормами 90 нм. Табл. 1. Ил. 20. Библиогр.: 76 назв. 2 ВВЕДЕНИЕ Создание элементной базы наноэлектроники связано с разработкой и исследованием методов модификации поверхности подложки с нанометровым разрешением. Одним из перспективных методов формирования элементной базы наноэлектроники является нанолитография методом локального анодного окисления (ЛАО) с использованием сканирующего зондового микроскопа (СЗМ). Основным достоинством ЛАО является возможность электрических и контроля в реальном топографических времени характеристик наноразмерных структур. Этот метод зондовой нанолитографии также позволяет формировать диэлектрические барьеры, резистивные маски для селективного травления, шаблоны, которые могут быть использованы при формировании элементов наноэлектроники. В учебном пособии рассмотрены перспективные методы формирования структур элементов наноэлектроники и наносистемной техники. В первом разделе пособия представлен обзор современных литографических методов формирования структур интегральных микросхем. Рассмотрены основные принципы действия, достоинства и недостатки альтернативных методов нанолитографии, основанных на использовании сканирующего зондового микроскопа: динамическая атомносиловая литография, нанолитография, полевое локальное анодное 3 испарение, dip-pen окисление. Описаны конструкции и электрические характеристики устройств наноэлектронки. Во второй главе представлены результаты анализа механизмов локального анодного окисления металла. Показано, что на данный момент, несмотря на большое количество экспериментальных исследований метода ЛАО, механизм ЛАО точно не определен. Для выявления наиболее вероятных реакций, протекающих при ЛАО пленки титана, были рассмотрены термодинамические расчеты, в результате которых показано, что наиболее вероятным является процесс Ti+O2 TiO2. Приведена оценка распределения температуры в области воздействия зонда при ЛАО титана, в результате которой было показано, что в локальной области, определяемой радиусом закругления острия, под зондом АСМ температура подложки выше температуры испарения воды, и поэтому можно сделать вывод, что активные частицы окислителя поступают в зазор зонд-подложка из газовой фазы атмосферы в технологической камере. Рассмотрена математическая модель расчета условий и режимов формирования наноструктур методом ЛАО на основе тонких пленок металлов. использованы при экспериментальных Полученные разработке исследований результаты методик режимов могут быть проведения формирования элементов наноэлектроники методом ЛАО (диоды, транзисторы, логические элементы и т.д.). 4 МОДУЛЬ 1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ НАНОЛИТОГРАФИИ, ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЗОНДОВЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУР ЭЛЕМЕНТОВ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ Цель модуля: изучение основных методов нанолитографии, а перспективы применения зондовых нанотехнологий при формировании структур элементов наноэлектроники и наносистемной техники. В ходе первого модуля будут приобретены следующие компетенционные навыки: знание основных принципов работы, достоинств и недостатков оптической литографии, электроннолучевой литографии, ионно-лучевой литографии, рентгеновской литографии, литографии в экстремальном ультрафиолете. Знание основных принципов работы, достоинств и недостатков методов нанолитографии, основанных на использовании сканирующего зондового микроскопа: динамическая атомносиловая литография, нанолитография, конструкции, устройств полевое локальное структуры анодное и испарение, окисление. электрических наноэлектроники, 5 Знание характеристик сформированных локального анодного окисления. dip-pen методом 1.1. Основные методы формирования наноразмерных структур В микроэлектронике совокупность фото- и под литографией понимают физико-химических процессов, используемых для послойного формирования топологического рисунка элементов интегральных микросхем (ИМС), а также структур элементов наноэлектроники [1]. Литография является одним из основных технологических процессов современного производства ИМС, вносящих наибольший вклад в производственные затраты (рис. 1.1) [2]. Современная промышленность ИМС главным образом использует оптический способ переноса изображения с шаблона на поверхность подложки. В настоящее время передовыми компаниями уже освоено производство ИМС с минимальными размерами (МР) 65 нм [3]. Большие финансирование капиталовложения работ по направлены исследованию и на разработке альтернативных методов литографии, использование которых позволит синтезировать, структурировать и модифицировать поверхность подложки на уровне близком к атомному, для создания устройств наноэлектроники и наносистемной техники с новыми функциональными возможностями, обусловленными наноразмерами. Требования к будущим методам литографии с высоким разрешением описаны в обзоре производства ИМС и 6 опубликованы в «International Technology Roadmap for Semiconductors» [4]. Рис. 1.1. Упрощенная структура затрат на производство ИС К основным методам структурирования поверхности подложки относятся: оптическая фотолитография, электонолучевая литография, ионно-лучевая литография, рентгеновская литография, литография в экстремальном ультрафиолете, а также несколько видов литографии с помощью сканирующего зондового микроскопа. Рассмотрим каждый метод литографии более подробно. 1.1.1. Оптическая литография В оптической литографии структура на поверхности подложки формируется путем проекции изображения шаблона с 7 помощью системы линз, управляя прохождением фотонов через маску фоторезиста. Теоретически, минимальный размер, который может быть получен, зависит определяется от дифракции критерием Релея света. (1), Разрешение значением r числовой апертуры (NA) оптических линз и длиной волны излучения λ, используемого для облучения резиста. r 0,61 В современной . NA оптической (1.1) литографии используется глубокое УФ-излучение с λ порядка 200-300 нм, источником которого служат эксимерные газовые лазеры или ртутноксеноновые лампы. Наиболее широкое применение получили эксимерные газовые лазеры на молекулах KrF, ArF и F c λ порядка 248, 193 и 157 нм соответственно. Лазеры на этих молекулах дают импульсы длительностью 5 - 20 нс с частотой повторения 4 кГц и мощностью до 50 Вт [1]. Важной частью фотолитографии при является проведении изготовление оптической фотошаблона с необходимой структурой, а также нанесение на поверхность подложки фоточувствительного слоя – фоторезиста. Затем изображение фотошаблона проецируется на поверхность фоторезиста с уменьшением в несколько раз с помощью оптической системы. Данную установке проекционного операцию переноса 8 выполняют на изображения с одновременным совмещением. Для формирования топологии на поверхности подложки, кроме степперов, используют сканеры, с помощью которых проецируют изображение фотошаблона в режиме сканирования при пошаговом перемещении подложки. Степперы и сканеры являются очень сложным и дорогостоящим технологическим оборудованием для производства современных СБИС [5]. Далее проэкспонированные участки фоторезиста стравливают селективным химическим травителем. Известно, что использование оптической предопределяет физический предел литографии миниатюризации, составляющий порядка 100 нм, однако существуют компании (например, Интел), которые намерены продолжить использование иммерсионной оптической литографии (λ = 193 нм) в производстве ИМС вплоть до МР 16 нм [6]. 1.1.2. Электронно-лучевая литография Электронно-лучевая литография (ЭЛЛ) является уникальным способом структурирования поверхности подложек заданного рельефа или топологии с помощью электронного луча. ЭЛЛ может быть реализована двумя способами: прекционным – с использованием шаблонов, и сканирующим – путем обработки электронным электронного лучем (обычно резиста сфокусированныи используется наиболее чувствительный полимерный электронный резист полиметилметакрилат – ПММА). Характерное разрешение ЭЛЛ составляет при этом порядка 20 и 2 нм соответственно [7, 8]. 9 Современные электронные литографы позволяют не только модифицировать поверхность ИМС, а также исследовать морфологию поверхности ИМС, проводить контроль технологического процесса при анализе структуры ИМС методом электронной микроскопии радиационных дефектов в без привнесения полупроводниковую структуру исследуемых ИМС [9]. Наибольшее распространение получили установки ЭЛЛ с накальными катодами из вольфрама или гексаборида лантана, а также холодным полевым (или термополевым) автоэмиссионным катодом. При использовании установки ЭЛЛ с накальными катодами из вольфрама или гексаборида лантана при снижении ускоряющего напряжения происходит уширение электронного зонда, т.е. ухудшение разрешающей способности. Установки ЭЛЛ с автоэмиссионной пушкой, с конструкцией в которой поле объективной линзы выходит из полюсного наконечника и, при больших увеличениях достигая образца, препятствует уширению электронного зонда при выходе из объективной линзы в результате электростатического отталкивания электронов в зонде [10]. Из вышесказанного можно сделать вывод, что диаметры электронных зондов отличаются, что указанных приводит к типов катодов различной сильно разрешающей способности. Для формирования структур ИМС с высокой 10 разрешающей способностью подходят приборы с автоэмиссионным катодом. Основными недостатками ЭЛЛ является снижение разрешающей способности вследствие рассеяния электронов в обратном направлении, нагрев резиста падающими на него электронами, а также низкая производительность. Поэтому возможность уменьшения геометрических размеров топологического рисунка, наносимого на ПММА пленку, ограничивается не минимально достижимым диаметром электронного луча, а размерами указанной области, на которые существенное влияние оказывают толщина пленки резиста, материал и проводимость маскирующего слоя, энергия электронов и ряд других факторов. 1.1.3. Ионно-лучевая литография Ионная литография является способом формирования заданного рельефа или топологии с помощью ионного пучка. В ионно-лучевой литографии применяются ионы водорода (Н+) и ионы гелия (Не+). Источником ионов в проекционных системах обычно служит дуоплазмотрон на легких ионах. Для создания рисунка в резисте используются три метода: использующие коллимерованные ионные пучки, остросфокусированные ионные пучки, ионные проекционные системы. Метод литографии остросфокусированным пучком характеризуется более точным управлением пучком. Топология формируется 11 непосредственно на резисте и позволяет исключить использование дорогостоящих шаблонов. Острофокусированные ионные пучки также могут применяться: для локального препарирования ИМС и микрообъектов, а также анализа их внутреннего строения (осуществляется вытравливанием последующей углубления ионной прямоугольной полировкой формы с перпендикулярного к поверхности среза для просмотра); реконструкции микромеханики объектов (изменение микроэлектроники геометрии и микрообъектов, устранение топологических ошибок); изготовления объёмных и планарных микро- и наноразмерных объектов (вытравливание наноструктур по шаблону, который создаётся встроенными программными средствами в векторной или растровой форме); исследования морфологии поверхности подложек в режиме визуализации вторичных электронов, эмитированных поверхностью при ионной бомбардировке [1,11]. Разрешающая способность технологических операций препарирования с помощью ионного пучка находится на уровне десятка нанометров и менее, а разрешение в микроскопическом режиме наблюдения во вторичных электронах составляет 5 – 7 нм [11]. 12 Способ проекционной печати требует двух комплементарных масок на каждый рисунок, которые должны позиционироваться с очень высокой точностью относительно друг друга. Сфокусированный ионный пучок может создавать радиационные дефекты в подложке. Эти недостатки делают ионную литографию менее развитой, по сравнению с методом электронно-лучевой литографии. 1.1.4. Рентгеновская литография Рентгеновская литография формирования заданной рентгеновского излучения экспонирования является топологии с ИМС высоким используется способом с помощью разрешением. Для низкоэнергетическое рентгеновское излучение с энергией фотонов 0,5 – 10 кэВ, при поглощении которого в слое резиста происходит образование или разрыв межмолекулярных связей. Резисты для рентгеновской литографии обладают высокой разрешающей способностью и могут быть как позитивными, так и негативными. Основная проблема рентгеновской литографии состоит в изготовлении сложной структуры шаблона, которая должна иметь тонкую, но прочную основу, прозрачную для рентгеновского излучения. Для этих целей используют органические и неорганические мембраны. Формирование структур ИМС высокого качества обеспечивается за счет наличия высокоинтенсивного коллимированного источника, высокоточного совмещения шаблона 13 с подложкой, прецизионного контроля зазора, недорогого шаблона. Рентгенолитография может быть осуществлена с помощью пучка фотонов с λ ~ 1 нм, в качестве которого используется синхротронное излучение [12, 13]. К достоинствам рентгенолитографии относятся: высокая разрешающая способность, МР может составлять порядка 50 нм, отсутствие контакта шаблона с резистом, что снижает уровень дефектов и повышает срок службы шаблонов. Наиболее критичными трудность проблемами рентгенолитографии изготовления шаблонов высокого являются качества, применение мощного и громоздкого источника рентгеновского излучения, высокая его стоимость, трудности фокусировки рентгеновского излучения с помощью зеркал или линз. Основным ограничением использования является этого метода необходимость, для массового предварительного изготовления высокоточных шаблонов. 1.1.5. Литография в экстремальном ультрафиолете Дальнейшее уменьшение МР элементов интегральных схем возможно путем применения оптической литографии на длине волны 13,5 нм (экстремальный ультрафиолет, ЭУФ). В качестве источника ЭУФ-излучения используется плазма газового разряда. Для ЭУФ-литографии проблемы уменьшения размеров создаваемых элементов связаны со сложностью фокусировки изображения УФ-излучения длиной волны 13,4 нм, так как в 14 этом диапазоне длин волн прозрачных материалов практически нет, и фокусировка осуществляется с помощью полностью отражающей оптики, к которой предъявляются очень жесткие требования. Жесткие требования также предъявляются к источнику излучения, в качестве которого, например, может быть лазер-плазменное излучение мощностью порядка 115 Вт. При такой мощности источника не допустимо разбрызгивание вещества из источника и других элементов системы, что может приводить к загрязнению зеркал и подложки. ЭУФ-литографии имеет ряд проблем, связанных с точностью совмещения, разработкой новых материалов резистивных масок, созданием низкодефектных отражающих шаблонов, высокой сложностью и стоимостью литографического оборудования [2, 5]. Хотя методу ЭУФ-литографии свойственно большое количество проблем, ограничивающих внедрение этой технологии в производственный процесс, большое количество работ по разработкам в этой области показывают, что высокопроизводительные ЭУФ-системы очень скоро появятся и обеспечат производство ИМС с характерными размерами 50 и 35 нм [5, 14, 15]. 1.1.6. Нанопечатная литография Метод нанопечатной литографии (НПЛ) представляет собой новый эффективный нелучевой метод формирования наноструктур с высокой скоростью. Основным достоинством 15 является то, что данный метод не требует использования сложного облучающего оборудования. Формирование топологии производится путем физической деформации резиста пресс-формой (шаблоном), несущей изображение наноструктуры. Трафарет с изображением наноструктуры вдавливается в тонкий слой резиста, покрывающего подложку, создавая контрастное изображение на слое. Резистом является термопластичный полимер, который затем, анизотропное реактивное ионное травление, используя удаляют на участках малой толщины. Трафаретом может быть штамп, изготовленный из металла, диэлектрика или полупроводника методом электронно-лучевой литографии. Метод нанопечатной литографии является одним из перспективных методов нанолитографии, с помощью которого можно получать структуры размером менее 10 нм на больших областях подложки с высокой точностью и воспроизводимостью [1, 16]. 1.2. Основные методы формирования наноразмерных структур с помощью сканирующего зондового микроскопа Возможность использования сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) для проведения манипуляции атомами, наноразмерной модификации материалов была открыта сразу после изобретения сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) [17, 18]. При приложении разности потенциалов между 16 зондом СЗМ и подложкой, поверхность может быть локально модифицирована. Существует несколько основных механизмов модификации поверхности исследуемого образца с помощью зонда СЗМ: электрический, температурный, механический, химический, а также различные комбинации между данными механизмами. 1.2.1. Механическая модификация поверхности с помощью АСМ В последние годы интенсивно развивается одно из направлений сканирующей зондовой микроскопии – атомносиловая литография. Данный метод является весьма перспективным, так как позволяет с помощью относительно недорогого и доступного инструмента создавать рисунок на поверхности образца с характерными размерами в несколько десятков нанометров [19]. Атомно-силовая литография в свою очередь подразделяется на статическую и динамическую. При работе СЗМ в режиме динамической силовой литографии (ДСЛ) происходит непосредственное атомно-силовое воздействие острия зонда на поверхность образца, так называемая «наночеканка». С использованием ДСЛ модификация поверхности происходит за счет формирования углублений на поверхности образца острием зонда, при этом СЗМ работает в полуконтактном режиме сканирования. 17 Для проведения ДСЛ необходимо, материала зонда была выше чтобы твердости твердость образца. При модификации поликарбонатной пленки матрицы компакт диска (рис. 1.2) происходит вдавливание материала в объем образца на глубину порядка 100 нм. Рис. 1.2. АСМ-изображение модифицированной поверхности поликарбонатной матрицы Таким образом, для получения качественной модификации поверхностей различной твердости необходимы: применение жестких зондов, с минимальным радиусом закругления острия, выбор области скана поверхности без существенных артефактов и наименьшими перепадами рельефа по высоте, подготовка качественного шаблона, а также выбор оптимальных настроек параметров программы управления СЗМ. 1.2.2. Полевое испарение При проведении структурирования поверхности методом полевого испарения происходит ионизация поверхностных атомов и последующее их испарение за счет электрического 18 поля большой напряженности [20]. Процесс полевого испарения впервые был выполнен с помощью СТМ, при этом испарение материала происходило с зонда на поверхность подложки, поэтому материал зонда СТМ оказывает значительное воздействие на данный процесс. Зонды СТМ из золота получили большее применение, чем зонды из вольфрама и PtIr, так как золото обладает более низким пороговым значением энергии для полевого испарения, а также не подвержено окислению. В работе [21] показано, что испарение атомов золота происходит с зонда на образец при приложении отрицательного смещения к зонду. В работах [22] приведены результаты формирования наноразмерных структур, шириной порядка 10 нм, методом полевого испарения атомов Au зонда на золотую подложку. Воспроизводимое формирование наноструктур происходило при приложении к зонду отрицательных импульсов напряжения амплитудой 4 В и длительностью 100 нс за счет электрического поля напряженностью порядка 4 В/нм, в сочетании с низкой деградацией острия зонда СТМ. В работах [23] приведены результаты формирования канавок и бугорков на поверхности подложки золота при приложении отрицательных и положительных импульсов напряжения к подложке, используя зонды из PtIr. В [24] приведены результаты формирования наноструктур в виде бугорков шириной от 5 до 20 нм, путем осаждения материала зонда СТМ на поверхность Si. Для 19 модификации поверхности подложки методом полевого испарения также могут применяться вольфрамовые зонды с металлическим покрытием. В работе [25] при приложении отрицательных импульсов напряжения к зондам с Au или Al покрытием было отмечено увеличение размеров наноразмерных структур в виде точек. Для формирования наноструктур методом полевого испарения также может применяться АСМ. В работе [26] на поверхности пленки SiO2, нанесенной на кремниевую подложку, были сформированы наноструктуры шириной более 100 нм и высотой 2 - 10 нм, при приложении к зонду с золотым покрытием импульсов напряжения амплитудой 30 В. При толщине пленки SiO2 менее 1 нм и приложении меньших напряжений к зонду АСМ (порядка – 2 В) были получены наноструктуры в виде точек из Au с шириной 10 нм [27]. 1.2.3. Dip-Pen литография При проведении Dip-pen нанолитографии (ДПН) за счет диффузии происходит осаждение адсорбированных на поверхности зонда АСМ так называемых «чернил» (ink) на локальную область поверхности подложки, например осаждение органических молекул с зонда на поверхность слюды. В работе [28] было показано ДПН структурирование самособирающихся монослоев актонетиола на поверхности подложки из золота. С помощью метод ДПН могут быть структурированы определенные виды протеинов, а также молекулы ДНК. В 20 работе [29] на сформированы поверхности структуры гибридизированы в подложки ДНК, ДНК золота были затем были которые функциональные золотые наночастицы. Также путем осаждения с помощью ДПН были сформированы тиоловые, протеиновые структуры на подготовленной поверхности стекла. На рис. 1.3 приведено АСМ-изображение массива наноструктур протеина, сформированного методом ДПН, показывающее возможность использования ДПН для исследования и контроля процессов структурирования биологических материалов [30]. Для проведения ДПН наиболее широкое распространение получили подложки из золота, кремния, окиси кремния и стекла. К ДПН «чернилам» относятся алкитиолы, органосиланы, протеины, ДНК, красители, дендримеры, золи и др. Минимальный размер структуры, полученной методом ДПН, составляет порядка 15 нм для «чернил» из алкотиолов, осажденных на монокристаллическую поверхность подложки золота [30]. Рис. 1.3. АСМ-изображение протеинов, структурированных 21 методом ДПН Основные процессы, управляющие осаждение органических молекул с зонда на поверхность образца, пока еще точно не определены. Выдвинуто несколько предположений, что процесс диффузии происходит за счет формирующегося между зондом и поверхностью образца водяного мениска при проведении ДНС в условиях контролируемой относительной влажности. Также показано, что осажденные гидроуглероды являются не растворимыми в воде молекулами, поэтому маловероятно, что они могут быть перемещены с зонда на подложку через водяной мениск. Более того, молекулы октадеканитиола были осаждены на поверхность золота с помощью ДПН при относительной влажности 0 %. Зондовая dip-pen нанолитография имеет несколько следующих ограничений: при формировании наноструктур происходит загрязнение поверхности подложки за счет большого количества «чернил» на зонде; слабый контроль скорости осаждения адсорбированных молекул с зонда на подложку. 1.2.4. Нанолитография методом локального анодного окисления (ЛАО) Локальное анодное многофункциональным окисление методом является для мощным и формирования наноразмерных устройств с помощью АСМ. Методом ЛАО были сформированы диэлектрические барьеры, резистивные маски для 22 селективного травления, а также шаблоны разной формы, комбинируя которые можно формировать различного рода электронные и механические элементы наноэлектроники. К таким элементам относятся нанопроводники, полупроводниковые наноструктуры с квантоворазмерными эффектами на основе двумерного электронного газа, запоминающие устройства с высокой плотностью записи информации, одноэлектронные транзисторы, квантовые точки и т.д. [31-33]. В методе ЛАО зонд АСМ подводится к поверхности проводящего образца. В условиях влажной окружающей среды при приложении импульсов напряжения между зондом и образцом происходит электрохимическая реакция, в результате протекания которой на поверхности подложки происходит формирование оксидных наноразмерных структур. Имеющийся теоретический аналогий потенциал между позволяет локальным провести анодным несколько окислением и общепринятым анодным окислением в электролите. Зонд АСМ используется как катод и образованный между зондом и образцом водный мениск выступает в роли электролитической ячейки. Строгая локальность линий электрического поля под вершиной зонда в присутствии частиц кислорода дает возможность для формирования ОНС. Основным отличием зондовой нанолитографии методом ЛАО от других методов модификации, основанных на использовании СЗМ, является то, что процессы отображения 23 топологии и модификации поверхности образца происходят независимо друг от друга. Силы Ван-дер-Ваальса – силы дальнего воздействия и/или силы ближнего воздействия – силы отталкивания используются для отображения рельефа поверхности, во время приложения импульсов напряжения зонд-подложка, индуцирующего локальное окисление поверхности. Другой характеристикой метода ЛАО является возможность контроля в реальном времени электрических и топографических характеристик наноразмерных структур во время их формирования. Метода ЛАО является также более эффективным по отношению к литографическим методикам (электронно-лучевая литография), потому не требует высокоточных операций совмещения, травления, экспонрования и др. В работе [34] была показана возможность модификации гидрогенизированной поверхности кремния с помощью СТМ, работающего в атмосфере влажного воздуха. Метод ЛАО совершенствовался и оптимизировался на протяжении нескольких лет. Так, в [35] для проведения ЛАО применялся динамический режим АСМ, в котором были сформированы ОНС с повышенной воспроизводимостью и разрешающей способностью метода. Селективное окисление H-Si связей (диффузионных слоев) также было показано в сверхвысоком вакууме [36]. 24 Установлено, что на кинетику процесса ЛАО оказывают влияния толщина и химический состав пленки адсорбата, определяемые относительной влажностью среды в технологической камере, а также длительность импульсов напряжения, прикладываемого к зонду и напряженность электрического поля, которая зависит от амплитуды импульса напряжения и расстояния зонд-подложка [37-39]. Формирование ОНС методом ЛАО было выполнено на Si (111) и поликристаллическом тантале [40], соединениях III-IV групп полупроводников [41], пленках титана [42] и алюминия [43], GaAs [44], молибдене и пленках нитрида кремния [45], ПММА-резисте [46], поверхности полупроводниковых гетероструктур [47] и углеродистых пленках [48]. 1.3. Устройства наноэлектроники на основе анодируемых материалов 1.3.1. Устройства металлической наноэлектроники Металлической наноэлектроникой является электроника, в качестве активных элементов которой являются металлические квазиодномерные проводники – наноразмерные каналы проводимости, проявляющие квантование проводимости при комнатных температурах. Основной металлической операцией формирования наноэлектроники методом ЛАО элементов является сужение проводника шириной 1 мкм до 70 нм с последующим 25 формированием барьера поперек сужения [49]. Для пленки титана толщиной 5 нм высота оксида над поверхностью составляет порядка 3 нм. На рис. 1.4,а показано АСМ-изображение устройства, сформированного методом ЛАО. Две оксидные области формируют наносужение шириной 70 нм, которое пересечено оксидным барьером, шириной 21 нм. Для исследования квантовой туннельной проводимости барьерных структур в [49] был получен ряд устройств металлической наноэлектроники с различной шириной оксидного барьера от 15 до 30 нм и а б Рис. 1.4. АСМ-изображение топологии Ti/TiOx структуры (а). ВАХ Ti/TiOx структуры (б) 26 исследованы ВАХ этих устройств. На рис. 1.4,б приведена линейная ВАХ металлического канала проводимости шириной 70 нм. После формирования оксидного барьера происходило изменение удельного сопротивления структуры приблизительно на порядок, и ВАХ структуры имела нелинейный ассиметричный вид при комнатной температуре. Такой вид ВАХ может быть за счет формирования ассиметричного Ti/TiOx перехода, проявляющего не одинаковые свойства для прямого и обратного напряжения смещения. Также, путем формирования квазиодномерного канала в пленке титана методом ЛАО, были созданы нановаристоры с управляемой нелинейностью, на основе которых могут быть созданы генераторы и переключатели тока гигагерцового диапазона. При работе нановаристоров на высокой частоте они могут выполнять роль СВЧ-нанодиодов [33]. 1.3.2. Одноэлектронный транзистор Одним из первых наноэлектронных устройств, работающих при комнатной транзистор, температуре, который Одноэлектронный устройством, был является сформирован транзистор электронным является одноэлектронный методом ЛАО. трехэлектродным характеристикам которого свойственен эффект Кулоновской блокады. Для наблюдения эффекта Кулоновской блокады при температуре, близкой к комнатной температуре, необходимо чтобы размеры металлического островка были менее 10 нм. В работе [50] 27 разработан технологический процесс формирования Nb/NbOx одноэлектронного транзистора, который включал операции оптической литографии и реактивного ионного травления пленки Nb толщиной порядка 3 нм, напыленной на поверхность Si/SiO2 подложки. Затем с помощью метода ЛАО формировался металлический островок, отделенный туннельными диэлектрическими от электродов барьерами. Эффект Кулоновской блокады наблюдался при 100 К. Позже используя пленку Ti вместо Nb эффект Кулоновской блокады был получен при комнатной температуре. В работе [51] были проведены исследования возможности использования металл/оксид/металл туннельных переходов как компонента при формировании транзисторных структур. Основным достоинством переходов металл/оксид является то, что для формирования наноструктур на их основе не требуется проводить процессы эпитаксиального роста, в результате чего упрощается весь технологический процесс производства транзисторных наноструктур. Схема одноэлектронного транзистора показана на рис. 1.5,а. Метод ЛАО применялся для формирования NbOx туннельного барьера шириной порядка 30 нм. На рис. 1.5,б показано АСМизображение с размером области туннельного перехода 0,2×0,2 мкм. Проводник из Nb наносился на поверхность диэлектрической пленки (Al2O3) со встроенным затвором. Транзистор работал за счет использования поля затвора для 28 модуляции проводимостью электронов через мeталл/оксид туннельный барьер посредством контроля высоты туннельного барьера, управляющего током между истоком и стоком. На рис. 1.6 показана ВАХ одноэлектронного транзистора, изображенного на рис. 1.5, при температуре 300 К. Модуляция тока исток-сток производилась за счет подачи напряжения на затвор, при этом ток утечки на затворе был незначительным. а б Рис. 1.5. Модель Nb/NbOx туннельного барьера, сформированного на поверхности планарного Al/Al2O3 затвора (а). АСМизображение области туннельного барьера (б) 29 Рис. 1.6. ВАХ транзистора, показанного на рис. 1.5, для разных напряжений затвора. Ток утечки затвора менее 1 пА 1.3.3. Мезоскопические устройства К мезоскопическим устройствам относят электронные приборы, размеры активной области которых сопоставимы с такими параметрами электрона, как длина волны де Бройля на поверхности Ферми, длина свободного пробега, длина когерентности, длина сбоя фазы и радиус экранирования [52]. К ним относятся гетероструктуры с квантовыми ямами и туннельными барьерами, структуры с двумерным электронным газом на границе раздела гетероперехода и т.д. Двухмерный электронный газ может быть «сжат» потенциальными барьерами в 1 или 2D измерениях, образуя при этом квантовые точки и квантовые нити. Такие структуры, как правило, формируются на полупроводниковом материале с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии и зондовыми методами нанолитографии. В работе [53] показано применение метода ЛАО для формирования переходов Джозефсона и квантовых интерференционных приборов (КИП), обладающих сверхпроводимостью. Процесс их производства включал осаждение тонкой пленки Nb на диэлектрическую подложку формирования структуры α-Al2O3. Затем туннельных мостиков 30 и для колец проводилось ЛАО поверхности пленки Nb, АСМ-изображение которого показано на рис. 1.7,а. Структура состояла из наноразмерных мостиков, в качестве которых являлись 2 наноразмерных сужения шириной 30 и 100 нм и 200 - 1000 нм длиной соответственно. График зависимости модуляции тока переключения от магнитного поля показан на рис. 1.7,б, имеет симметричную пилообразную форму с периодом порядка 2 мТ. Данное значение соответствует магнитному потоку квантов в сверхпроводнике h/2e. Также в а б в Рис. 1.7. АСМ-изображение КИП структуры, сформированной методом ЛАО (а). Зависимость тока переключения КИП от 31 магнитного поля для постоянной (б) и переменной (в) толщины наносужения (мостика) работе [53] было определено отклонение данной зависимости от линейной для КИП на основе мостиков, с изменяющейся толщиной, график которой показан на рис. 1.7, в. Данная зависимость имеет место при размерах наносужения менее длины когерентности. Используя метод ЛАО в GaAs/AlGaAs гетероструктурах, содержащих слой двумерного электронного газа (2D ЭГ), также были сформированы мезоскопические структуры, такие, как квантовая точка (рис. 1.8), квантовое кольцо Аронова–Бома, квантовый точечный контакт (КТК), показанный на рис. 1.9 [54]. Если слой 2D ЭГ находится на глубине 30 - 40 нм, то сформированные на поверхности подложки, оксидные наноразмерные структуры с высотой 10-15 нм могут полностью обеднять этот скрытый слой 2D ЭГ. Оксидная наноструктура, сформированная методом ЛАО, локально приближает поверхность образца к 2D ЭГ слою таким образом, что после окисления минимум потенциальной ямы находится над уровнем энергии Ферми. В результате путем формирования на поверхности оксидных наноразмерных структур с помощью ЛАО можно электрически изолировать области 2D ЭГ слоя. Другим преимуществом нанолитографии методом ЛАО при формировании устройств мезоскопики 32 является пространственное разделение между оксидом и 2D ЭГ слоем, которое создает неоднородности подвижность электронов, так в как 2D ЭГ, снижающие дефекты, созданные окислением, размещаются вблизи поверхности образца. Основным недостатком метода ЛАО является ограничение глубины проникновения оксида в подложку (несколько десятков нанометров), которое ослабляет модификации 2D ЭГ слоя, расположенного на глубине порядка 30-40 нм под поверхностью. В последние годы несколько групп пыталось превзойти этот предел путем модификации химической среды в технологической камере или путем напыления тонкого слоя металла на поверхность подложки, который увеличивал локальную проводимость. Однако полученные результаты имели низкую воспроизводимость, и проблема увеличения глубины проникновения оксида в подложку остается до конца не решенной. На рис. 1.8 показано АСМ-изображение квантовой точки, сформированной методом ЛАО. Структура квантовой точки включает области истока и стока, двух закрытых квантовых точечных контакта Q1 и Q2, при приложении напряжения к которым, формирующих туннельные барьеры, между которыми образуется островок. Также в структуру квантовой точки входит область 1, напряжение которой управляет потенциалом островка. При низких температурах на характеристике этого устройства четко видны пики проводимости при Кулоновской 33 блокаде. Из анализа характеристики видно, что движение электронов от истока к стоку происходит только при определенных значениях потенциала, приложенного к островку структуры [51]. Экспериментальные результаты применения ЛАО для формирования КТК приведены в [56]. На рис. 1.9 показано АСМ-изображение квантового Т-образного квантового точечного контакта, оксидная линия, отделяющая исток от стока Рис. 1.8. АСМ-изображение и характеристика квантовой точки, сформированной методом ЛАО высотой 18 нм и шириной 200 нм, а также оксидная линия затвора, отделяющая планарный затвор от перехода исток-сток шириной 400 нм. Ток утечки исток-затвор, измеренный при температуре Т = 1,4 К, составил менее 0,1 нА при приложении напряжения ± 2 В [54]. Квантовый точечный контакт 34 Т-образной формы, показанный на рис. 1.9, обладает рядом достоинств по отношению к КТК с двойным затвором [55, 56]. Во-первых, Тобразная форма КТК позволяет контролировать размеры КТК за счет оксидной линии, разделяющей исток и сток, ширина которой может быть очень небольшой. Во-вторых, оксидная линия затвора является прямой, за счет чего повышается эффективность управления прикладываемым к затвору напряжением по сравнению с другими геометрическими конструкциями, сопоставимых Рис. 1.9. 3D АСМ-изображение Т-образного квантового точечного контакта, полученного методом ЛАО (а). 2D АСМизображение КТК, изображенного на рис. 1.9,а (б). Профилограмма вдоль линии на рис. 1.9,б (в) по размерам КТК. Более того, Т-образная форма КТК может быть использована при исследовании воздействия оксида на динамику движения электронов. Путем приложения напряжения 35 к затвору можно изменять расстояние между центром волновой функции электрона и оксидом, что в свою очередь позволяет изучить электрон-оксид взаимодействие. На рис. 1.10 показана зависимость проводимости КТК от напряжения затвора, полученная при температурном диапазоне от 1,4 К до 30 К. При температуре 1,4 К наблюдалось квантование проводимости КТК (видны четкие ступеньки на соответствующей данной температуре кривой). Рис. 1.10. Зависимость проводимости КТК от напряжения затвора при различной температуре 1.4. Формирование каталитических центров методом локального анодного окисления Из анализа литературных данных следует, что метод локального анодного окисления с помощью АСМ активно используется для формирования ОНС на поверхности пленок никеля, которые могут быть использованы в качестве катализаторов роста массивов нанокристаллов ZnO [57], а также 36 для селективного роста углеродных нанотрубок (УНТ) [58]. В работах [59, 60] приведены результаты экспериментальных исследований метода лазерного напыления полупроводниковых нанокристаллов ZnO, ZnxMg1-xO на подложках Si и Al2O3 (1120), при этом катализаторами процесса роста нитевидных кристаллов по механизму пар-жидкость-кристалл являлись самоорганизующиеся из расплава тонких плёнок каталитические центры Au, Ni, а также NiO [61]. В работе [58] селективный рост углеродных нанотрубок проводился на подложках Si с нанесенными оксидными наноразмерными структурами никеля, имеющими различную геометрическую форму, с помощью метода осаждения из газовой фазы. При проведении эксперимента, сначала с помощью метода ЛАО на поверхности пленки никеля с помощью СЗМ Smena (НТ-МДТ, Россия) были сформированы ОНС никеля различной геометрической формы (рис. 1.11, а,в,д). Затем неокисленная пленка никеля удалялась с помощью метода жидкостного травления, в результате чего на подложке Si формировались ОНС никеля. После этого обработанная подложка закреплялась на SiC подложкодержатель и загружалась в установку газофазного осаждения. В результате вокруг полученных методом ЛАО оксидных наноразмерных структур происходил рост углеродных нанотрубок (рис. 1.11, в,г,е). Также в работе [58] отмечалось, что селективный рост УНТ может быть реализован на подложках никеля, не 37 подвергающихся жидкостному травлению, за счет соответствующего контроля температуры и времени роста. Рис. 1.11. РЭМ-изображение NiOx наноструктур с различной геометрией: а – квадрат с размером 1,8 мкм; в – матрица из 3×3 квадратов с размерами 2×2 мкм; д – матрица из 4×4 точек с диаметром порядка 90 нм; б, г, е – соответствующие СЭМизображения УНТ, выращенных на ОНС никеля при 700 ○С в течение 10 мин Контрольные вопросы 1. Назовите основные методы нанолитографии. 38 2. Какие использовании методы пучков нанолитографии высокой энергии? основаны на Опишите их достоинства и недостатки. 3. Опишите принцип проведения локального анодного окисления. 4. Каким образом происходит модификация поверхности подложки при проведении динамической силовой нанолитографии. 5. Опишите перспективы развития структур элементов наноэлектроники. МОДУЛЬ 2. ПРОЦЕССЫ В ЗАЗОРЕ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАО Цель работы: изучение основных процессов в зазоре сканирующего зондового микроскопа при формировании наноразмерных структур методом локального анодного окисления. В ходе второго модуля будут приобретены следующие компетенционные навыки: знание основных механизмов ЛАО металла, а также наиболее вероятных реакций, протекающих при ЛАО пленки титана. Способность использования математической модели локального анодного окисления для расчета режимов формирования наноразмерных структур на основе тонких пленок металлов. Полученные компетенции могут быть использованы при разработке технологических процессов формирования элементов наноэлектроники методом ЛАО. 39 2.1. Механизмы ЛАО металла Существует несколько механизмов ЛАО. Наиболее широкое распространение получил следующий механизм: при проведении ЛАО воздействие на поверхность проводится путем подачи к системе проводящий зонд-подложка импульсов напряжения. При этом в жидкостном мениске, образующемся под острием зонда, и основу которого составляет адсорбированная на поверхности подложки вода, сопровождающаяся протекает электрохимическая процессами электро- и реакция, массопереноса ионизированных атомов подложки и гидроксильных групп с образованием оксидов и водорода [59 - 61]. На рис. 2.1 изображена схема электрохимической ячейки, используемой при проведении ЛАО металла. Электролит, основу которого составляет адсорбированная на поверхности металла вода, находящийся вокруг электродов, поставляет заряженные частицы к поверхности растущего окисла. Вода, расходуемая на окисление, поступает в зазор между зондом и образцом из воздуха. Электронная проводимость осуществляется через внешнюю цепь. Это позволяет сделать допущение, что ионный перенос следует рассматривать в аспекте механизма роста оксида. Начальные стадии окисления проходят очень быстро, поступающий кислород реагирует с основными атомами металла. В результате электрон переносится между металлом и окисным слоем, формируется двойной слой или диполь, с отрицательно заряженным на начальной стадии внешней поверхностью. Затем плёнка окисла 40 покрывает поверхность, реагенты эффективно разлагаются и дальнейшая реакция может происходить, только если катионы, анионы или их часть будут способны диффундировать через формирующуюся плёнку окисла. При этом скорость процесса окисления будет определять адсорбция кислорода на поверхности, транспорт (массы или зарядов) к любой из двух границ раздела или транспорт (массы или зарядов) через плёнку оксида. Процесс анодного окисления металла при этом можно описать рядом уравнений [62]. На металлическом аноде возможно протекание следующих реакций: Ме + nН2О → МеОх + 2nН+ + 2nе –. (2.1) 2Н2O = O2↑ + 4H+ + 4e-. (2.2) Рис. 2.1. Схема нанолитографии методом ЛАО На рис. 2.2 показана схема двух возможных механизмов ЛАО природного MeOx слоя, существующего на поверхности 41 металлической подложки. Когда зонд АСМ подведен к поверхности подложки при подаче напряжения к системе зондподложка на кончике АСМ-зонда накапливаются электроны при этом на границе раздела под точкой контакта зонда АСМ с подложкой индуцируются эквивалентные им положительные заряды (рис. 2.2,а). Воздух, насыщенный парами воды и газообразным кислородом, диссоциирует генерируя ионы OH- и O2- вблизи зонда АСМ [63]. Возможен механизм, когда OH- и O2- ионы не могут полностью диффундировать через слой природного оксида MeOx, ионы остаются внутри оксидного слоя, формируя оксид (рис. 2.2,б) [63]. При этом окисление происходит по следующей реакции: Me+O2→MeO2. (2.3) а б Рис. 2.2 Схема возможных механизмов ЛАО металла Во время проведения локального анодного окисления существуют три возможности формирования оксидных структур. Первая – рост окисла может происходить на границе металл – оксид, когда ионы кислорода 42 переходят из оксида металла/электролита через формирующуюся плёнку окисла. Второй вариант – когда рост окисла имеет место на границе оксид – электролит. В этом случае рост оксида определяется единственным переходом ионов металла через формирующийся оксид. Также возможно участие обеих границ раздела при формировании оксида. 2.2. Термодинамический анализ реакций ЛАО титана Для повышения воспроизводимости процесса ЛАО пленки титана в данной работе предложено использовать стимуляцию УФ-излучением. УФ-излучение активирует из кислорода несколько активных частиц, которые могут влиять на процесс окисления Ti и, вступая с ним в реакцию, окислять его поверхность. В результате воздействия УФ-излучения на молекулы в газовой фазе могут рождаться химически активные частицы, эффективно взаимодействующие с поверхностью подложки. При облучении поверхности подложки УФ-излучением, с вероятностью близкой к единице, происходит диссоциация кислородных молекул O2 (3 g ) по схеме O2 (3 g )+hν→ О(3Р)+ О(1D). (2.4) Диссоциация озона (О3), при поглощении света с длиной волны порядка 400 нм, при комнатной температуре, происходит по схеме O3+hν→ О(1D)+O2(1Δ g). 43 (2.5) Возбужденные атомы О(1D) переходят в кислородные атомы в основном состоянии О(3Р) почти при каждом столкновении с молекулами в воздухе. Константы скорости этих взаимодействий порядка 10-10 см3/(моль×с). Среднее время жизни атомов О(1D) составляет 150 с. Возбужденная молекула О2(1Δ g) стабильна по отношению к столкновениям с большинством газов со средним временем жизни 64,6 мин. При облучении на длинах волн 400 нм наиболее вероятным процессом является фотолиз кислорода по схеме, который сопровождается реакцией переноса энергии: О(1D)+ O2 (3 g )→ О(3Р)+ O2 (1 g ). (2.6) Таким образом, при облучении УФ-излучением в воздухе сосуществуют кислородные частицы шести сортов: O(3P), O(1D), O2(3 g ), О2(1Δg), O2(1 g ), О3. Диссоциацией молекул Н2O можно пренебречь, поскольку в рассматриваемой области спектра концентрации продуктов их фотолиза очень малы. Образующиеся в первичных фотохимических процессах частицы могут вступать далее в реакции между собой и с исходными молекулами. Кинетика накопления продуктов фотолиза в воздухе описывается системой шести уравнений следующего вида [64]: 6 6 6 dni ij n j I 0 n0 Aikj n k n j Bikjl n k n j nl . dt j 1 k , j 1 k , j ,l 1 44 (2.7) Система учитывает рождение и гибель частиц (ni) из-за поглощения УФ квантов (интенсивность излучения I0), в соответствии с химическими реакциями. Коэффициенты Аikj и Вikjl представляют константы скоростей для бимолекулярных реакций и для реакций с участием трех частиц соответственно. Для выявления наиболее вероятных реакций, протекающих при ЛАО пленки титана, были проведены термодинамические расчеты, при этом для каждой возможной реакции была рассчитана свободная энергия Гиббса GTo RT ln K p , (2.8) где R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура, Кр – константа химического равновесия. o Уравнение (2.8) можно упростить, при этом GT будет зависеть от энтальпии H o , и энтропии S o , при этом изменением величин энтропии и энтальпии при увеличении температуры можно пренебречь [65, 66]: o o GTo H 298 TS 298 ; (2.9) Расчеты выполнялись для атмосферного давления. В технологической камере СЗМ при ЛАО пленки Ti в атмосфере влажного воздуха возможно протекание следующих реакций: Ti+O2 TiO2. (2.10) 2Ti+3O2 2TiO2+2O. (2.11) 45 Ti+2H2O TiO2+2H2. Значения энтропии и энтальпии (2.12) для основных составляющих данных уравнений реакций были взяты из справочника [67]. Таблица 2.1 Термодинамические величины реакции окисления [66] 0 0 Вещество H 298 , кДж/моль Ti O O2 O3 H2 H2O TiO2 0 247,4 0 142,3 0 –285,84 –943,9 S (298), Дж/(моль×К) 30,6 160,95 205,03 238,8 130,6 69,96 50,23 Оксидные наноразмерные структуры TiO2 на поверхности титана методом ЛАО получают при температуре 298 К, поэтому свободная энергия Гиббса была рассчитана для данного диапазона по уравнению (2.9). Опираясь на утверждение, что чем ниже свободная энергия Гиббса, тем вероятнее протекание той или иной реакции, можно сделать вывод, что наиболее вероятным является процесс Ti+O2 TiO2. Известно [68], что под воздействием УФ-излучения происходит разложение кислорода на шесть разновидностей активных частиц, в том числе атомарного кислорода и озона. Наличие данных реагентов позволит снизить энергию активации 46 процесса окисления, а также увеличить скорость реакции. Возможными вариантами протекания реакции окисления в данном случае будут следующие: Ti +4O TiO2+O2. (2.13) Ti+3O TiO2+O. (2.14) 3Ti+4O3 3TiO2+3O2. (2.15) Ti+O3 TiO2+O. (2.16) Из анализа полученных данных можно сделать вывод, что реакция взаимодействия атомарного кислорода и озона с титаном позволяет интенсивнее влиять на процесс окисления. 2.3. Оценка распределения температуры в области воздействия зонда при ЛАО титана Нагрев подложки под кантилевером происходит за счет воздействия электронного луча, образующегося при приложении напряжения заданной амплитуды к системе зондподложка, во время проведения процесса локального анодного окисления поверхности подложки. Оценка распределение температуры в подложке проводилась с использованием уравнения теплопроводности [69, 70]. T ( r ) (T T0 ) UI l r / l e r / l , 2 1 e 4l r (2.17) где U – напряжение, приложенное к системе зонд-подложка; I – ток; – коэффициент теплопроводимости подложки; l – длина неупругого рассеяния электронов в подложке. 47 При этом распределение электрического поля определяет высоту и ширину создаваемого окисла. Для расчета электрического поля между зондом и образцом зонд АСМ можно смоделировать как конус длиной L, на конце которого находится сфера радиусом R. Параметр z характеризует расстояние, на котором вершина зонда находится от поверхности образца (рис. 2.3). При приложении напряжения между образцом и зондом формируется электрическое поле. Распределение электрического поля по поверхности подложки зависит от формы зонда и описывается выражением [71]: E (r ) R ( z R )( 2 z R ) 2 z ( z R) 2 r 2 3 U, 2 (2.18) где U – напряжение системы зонд-подложка; R – радиус вершины острия зонда, z – расстояние между зондом и подложкой; r – радиальное расстояние по поверхности образца. Рис. 2.3. Модель зонда АСМ 48 Зависимость напряженности электрического поля от r показана на рис. 2.4. Анализ полученной зависимости показывает, что при приложении напряжения 10 В и расстоянии зонд-подложка 0,5 нм напряженность электрического поля составляет порядка 108 В/см и сильно зависит от расстояния зонд-подложка. Рис. 2.4. Распределение напряженности поля в зоне воздействия электронного луча при ЛАО титана: 1 – z = 0,5 нм, U = 10 В; 2 – z = 0,5 нм, U = 7 В; 3 – z = 1 нм, U = 10 В; 4 – z = 1 нм, U = 7 В Для расчета плотности тока в зазоре зонд-подложка воспользуемся законом Фаулера–Нордгейма, определяющим плотность тока автоэлектронной эмиссии от напряжения [72]: i ( r ) 1,55 10 6 2 3 7 2 Q( r ) exp 6,83410 , E (r ) E(r ) (2.19) E (r) . В расчетах предполагалось, что 2 работа выхода Si кантилевер c W2C покрытием составляет = 5 эВ [73]. где Q ( r ) 0,935 10,7 10 8 49 На рис. 2.5 представлен график распределения плотности тока автоэлектронной эмиссии АСМ зонда от радиуса электронного луча. Рис. 2.5. Распределение плотности тока электронной эмиссии вдоль поверхности подложки: 1 – z = 0,5 нм, U = 10 В; 2 – z = 0,5 нм, U = 7 В; 3 – z = 1 нм, U = 10 В; 4 – z = 1 нм, U = 7 В Для расчета пространственного распределения поглощенной мощности P(r,z) использовалась формула [70]: (z zm )2 r P ( r , z ) Pm ( r ) exp 2 . z m2 r0 2 Pm ( r ) 2(1W ) q ( r ) Z m 1 erf ( z m / Z m ) , (2.20) (2.21) где z m / Z m – относительное положение максимума распределения поглощенных электронов; 50 Z m z m / – полуширина распределения поглощенных электронов; zm – проецированный пробег электронов; W 0,5 0, 4 – доля энергии, уносимая упруго отраженными электронами; – коэффициент обратного рассеяния электронов (для Ti =0,263 [8]). Анализ функции источника показывает, что мощность электронного луча при проведении ЛАО поглощается полностью в очень тонком приповерхностном слое пленки титана, что вызывает разогрев локальной области. Температура этой области сильно зависит от режима ЛАО (амплитуды напряжения и расстояния зондподложка). Рис. 2.6. Распределение температуры в пленке титана при ЛАО (z = 0,5 нм, U = 10 В) В результате проведенных расчетов показано, что при приложении напряжения к системе зонд-подложка при ЛАО поверхности пленки титана происходит автоэлектронная эмиссия электронов с зонда в подложку, при этом выделяется мощность, которая поглощается в приповерхностном слое пленки титана, что 51 вызывает локальный разогрев области под зондом. Так как температура локальной области при напряжении на зонде 10 В и расстоянии z – 1 нм (рис. 2.6) много выше температуры испарения воды, то можно сделать вывод, что в реакции окисления участвуют ионы кислорода O2– и группы OH–, поставляемые в зону реакции из газовой фазы атмосферы внутри технологической камеры. 2.4. Модель локального анодного окисления металла Процесс роста оксида идет в три стадии [74]: 1) транспорт молекул окислителя из объема газовой фазы к поверхности природного оксида металла, характеризуемый потоком J1; 2) транспорт растворенных в оксиде молекул окислителя через слой природного оксида металла к границе MeOx-Me, характеризуемый потоком J2; 3) химическая реакция окисления металла, протекающая на границе MeOx-Me и характеризуемая потоком J3. Модель процесса ЛАО металла показана на рис. 2.7. 52 Рис. 2.7. Модель процесса ЛАО металла Для определения кинетики процесса окисления необходимо установить временную зависимость толщины слоя x0(t) и выяснить влияние на нее управляемых технологических параметров процесса (напряженность поля, относительная влажность, фотонное излучение). Связь между x0(t) и технологическими параметрами можно установить через потоки J1, J2 и J3, которые в стационарных условиях должны быть равными: J1 J 2 J 3 J . (2.22) Диффузионный поток J1 определяет подвод молекул окислителя из объема газовой фазы к поверхности растущего 53 оксида, при этом концентрация молекул окислителя c0r соответствует парциальному давлению p 0 c0r kT . (2.23) Так как образование оксида непрерывно, происходит обеднение приповерхностной области газовой фазы за счет растворения молекул окислителя в MeOx, при этом в приповерхностном диффузионном слое толщиной возникает градиент концентрации молекул окислителя, который создает диффузионный поток по направлению к границе. J1 D r c 0r c sr (c 0r c sr ) , (2.24) где – коэффициент массопереноса в газовой фазе, связанный с коэффициентом диффузии молекул D окислителя r следующим выражением: D r / . Толщина диффузионного слоя является феноменологическим параметром и определяется экспериментально. Плотность тока J1 можно выразить через поверхностную концентрацию молекул окислителя c s , растворенных в MeOx. Процесс растворения подчиняется закону Генри: c s sp s , (2.25) где s – коэффициент растворимости молекул окислителя в MeOx, а p s – парциальное давление окислителя на межфазной 54 границе при х = 0, записанное как p s c sr kT . Тогда выражение (2.25) принимает вид c s c sr skT . Аналогично можно (2.26) объемную концентрацию можно определить по следующему выражению: c 0 c 0r skT . (2.27) Величина c 0 определяет концентрацию растворенных в MeOx молекул окислителя, если в выражение (2.25) вместо давления p s подставить парциальное давление p 0 окислителя в объеме газовой фазы. С учетом равенств (2.26) и (2.27) выражение (2.24) принимает вид J 1 (c 0 c s ) , (2.28) где / skT D r / skT – коэффициент массопереноса молекул окислителя в газовой фазе. Поток J2 определяет транспорт молекул окислителя через слой MeOx за счет дрейфа. При наличии внешнего электрического поля поток в MeOx слое можно вычислить следующим образом: J 2 0 (c s c 0 ) 1 c s 0 E , (2.29) где x0 – толщина оксида; 1 – вероятность захвата свободного электрона нейтральным атомом - кислорода (электроотрицательность кислорода O – 1,46 эВ [75]). При 55 энергии электрона Ee=2,5 эВ вероятность захвата 1 = 3,2×10-4. При других энергиях E e 2,5 Ee значение 1 меньше [76]. Химический поток J3 пропорционален концентрации c1 молекул окислителя на границе MeOx–Me, так что для реакции (2.3) можно записать J 3 k1 c1 , (2.30) где k1 – константа скорости реакции окисления металла. В стационарном режиме справедливо равенство (2.22), которое с учетом (2.28–2.30) принимает вид (c 0 c s ) D q ( c s c1 ) 1 D Ec s k1c1 , x0 kT (2.31) где – подвижность ионов O2-. Перепишем выражение (2.31) в следующий вид: (c 0 c s ) (c s c1 ) c s k1 c1 , где D / x 0 , 1 D q E . Из (2.32) можно получить kT c1 c s c0 (2.32) ( ) , ( k1 ) ( k1 ) . k1 ( ) ( k1 ) (2.33) (2.34) Подставив равенство (2.34) в (2.33), получим c1 c 0 ( ) . k1 ( ) ( k1 ) Используя равенство (2.30), получим 56 (2.35) J k 1c 0 ( ) . k1 ( ) ( k1 ) (2.36) Jdt N 0 dx 0 , (2.37) Так как то можно записать выражение для скорости роста оксида dx 0 k1c 0 dt N 0 ( ) , k1 ( k1 ) ( ) (2.38) где N 0 – удельная плотность атомов в оксиде (число атомов необходимое для образования единицы объема оксида). Подставив вместо и их значения, получим q Ex0 1 1 dx 0 k kT c0 1 . dt N 0 k1 x 0 k1 q 1 D 1 1 kT x 0 E (2.39) Проинтегрировав выражение (2.39), получим выражение N q q t ( x 0 ) 1 0 1 E x 0 ln 1 1 E x 0 . (2.40) kT k1 D c 0 kT По полученным формулам (2.39) и (2.40) были произведены расчеты и построены зависимости скорости роста от высоты ОНС (рис. 2.8) и высоты ОНС от времени проведения ЛАО (рис. 2.9) при различной влажности воздуха. 57 Рис. 2.8. Зависимость скорости роста ОНС титана от толщины окисла при влажности 70 %: 1 – расчитанная; 2 – экспериментальная; 3 – при ИК-стимуляции; 4 – при УФ-стимуляции Рис. 2.9. Зависимость высоты ОНС от времени проведения ЛАО при различной влажности воздуха: 1 – 50 %; 2 – 70 %; 3 – 90 %; 58 4 – экспериментальные результаты при 70 %; 5 – экспериментальные результаты из [7] Контрольные вопросы 1. Опишите основные механизмы локального анодного кисления металлов. 2. Какая химическая реакция является наиболее вероятной при проведении локального анодного окисления металла? Запишите ее. 3. При участии каких активных частиц происходит рост оксидных наноразмерных структур? 4. Какой параметр определяет локальность зондовой нанолитографии? 5. От чего зависят геометрические параметры формируемых оксидных наноразмерных структур? 6. Какие зависимости позволяет получить изученная модель? 59 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В учебном пособии представлен анализ основных методов нанолитографии, который позволяет определить проблемы, связанные с увеличением разрешающей способности формирования наноструктур. Показано, что наиболее перспективным для формирования элементов наноэлектроники является метод локального анодного окисления с помощью атомно-силового микроскопа, недостатком которого остается относительно геометрических наноразмерных низкая однородность параметров структур. и воспроизводимость формируемых Представлен анализ оксидных структур наноэлектроники (элементы металлической наноэлектроники, одноэлектронный транзистор и мезоскопические структуры), сформированных методом ЛАО, который показал, что в качестве анодируемого материала широко используются тонкие пленки металлов, напыленные на подложки Si/SiO2, а также гетероструктуры на основе GaAs/AlGaAs, содержащие слой двумерного электронного газа. Представлены результаты анализа механизмов локального анодного окисления металла. Рассмотрена математическая модель, с помощью которой можно рассчитать условия и режимы процессов формирования наноструктур методом ЛАО на основе тонких пленок металлов. 60 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Щука А.А. Наноэлектроника. – М.: Физматкнига, 2007. – 464 с. 2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. – М.: Машиностроение, 2007. – 496 с. 3. Орликовский А.А. Кремниевая транзисторная наноэлектроника / Известия вузов. Электроника. – 2006. – № 5. – С. 35-44 4. Intenational Technology Roadmap for Semiconductors // – San Jose: Semiconductor Industry Association, 1998. – 358 р. 5. Валиев К.А., Лукичев В.Ф., Орликовский А.А. Кремниевая наноэлектроника: проблемы и перспективы / Нанотехнологии и материалы. – 2005. – № 1. – С. 17-29. 6. Валиев К.А. Физика субмикронно литографии. – М.: Наука, 1990. – 528 с. 7. Асеев А.Л. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. – 368 с. 8. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. – М.: Высшая школа, 1984. – 320 с. 9. Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. – М.: Техносфера, 2006. – 384 с. 10. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2007. – 376 с. 61 11. Нанотехнологии: физика, процессы, диагностика, приборы / Под ред. В.В. Лучинина, Ю.М. Таирова. – М.: Физматлит, 2006. – 552 с. 12. Сейсян P.П. Нанолитография СБИС в экстремально дальнем вакуумном ультрафиолете / Журнал технической физики. – 2005. – Т. 75. – В. 5. – С. 1-13. 13. Виноградов А.В. Многослойная рентгеновская оптика / Квантовая электроника. – 2002. – Т. 32. – № 12. – С. 1113-1121. 14. Сейсян Р.П. ЭУФ-нанолитография как средство производства СБИС и инструмент нанотехнологий / Нано- и микросистемная техника. – 2006. – № 2. – С. 2-22. 15. Гапонов литография – С.В. будущее Экстремальная ультрафиолетовая наноэлектроники / Нано- и микросистемная техника. – 2005. – № 2. – С. 2-4. 16. Liao Wen-Chang High aspect ratio pattern transfer in imprint lithography using a hybrid mold / High Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. – 2004. – V. 22. – Issue 6. – P. 2764-2767. 17. Whitman L. J. Tunneling microscopy and spectroscopy / Whitman. The Encyclopedia of Applied Physics, 2007. – 768 р. 18. Обухов И.А. О возможности применения СТМ-АСМ литографии для создания новых типов квантовых приборов / Микросистемная техника. – 2003. – № 6. – С. 34-37. 62 19. Востоков Н.В. Разработка методов атомно-силовой литографии для создания наноразмерных элементов / Институт физики микроструктур РАН, Н. Новгород. 2007. – 298 с. 20. Miskovsky N.M., Tsong T.T. Field Evaporation of Gold in Single – and Double – Electrode Systems // Phys. Rev. – 1992. – B. 46. – P. 2640-2643. 21. Tsong T.T. Effects of an Electric Field in Atomic Manipulations / Phys. Rev. – 1991. – B. 44. – P. 13703-13710. 22. Mamin H.J, Guethner P.H., Rugar D. Atomic Emission from a Gold Scanning- Tunneling-Microscope Tip // Phys. Rev. Lett. – 1990. – V. 65. – P. 2418-2421. 23. Mamin H.J. Gold Deposition from a Scanning Tunneling Microscope Tip / J. Vac. Sci. Technol. – 1991. – B. 9. – P. 13981402. 24. Bessho K., Hashimoto S. Fabricating Nanoscale Structures on Au Surface with Scanning Tunneling Microscope / Appl. Phys. Lett. – 1994. – V. 65. – P. 2142-2144. 25. Mascher C., Damaschke B. Creation of Nanometer-Scale Structures with the Scanning Tunneling Microscope / J. Appl. Phys. – 1994. – V. 75. – P. 5438-5440. 26. Hsiao G.S., Penner R.M., Kingsley J. Deposition of Metal Nanostructures onto Si (111) Surfaces by Field Evaporation in the Scanning Tunneling Microscope / Appl. Phys. Lett. – 1994. – V. 64. – P. 1350-1352. 63 27. Koyanagi H., Hosaka S., Imura R., Shirai M. Field Evaporation of Gold Atoms onto a Silicon Dioxide Film by Using an Atomic Force Microscope / Appl. Phys. Lett. – 1995. – V. 67. – P. 2609- 2611. 28. Jung Young Mee, Ahn Sang Jung, Eung Ryul Kim and Haiwon Lee Gold Nanoparticle Assemblies on a Functionalized Surface Patterned by AFM Lithography / Journal of the Korean Physical Society. – 2002. – V. 40. – № 4. – P. 712-715. 29. Thomas P. John, Kulkarni G. U. and Rao C. N. Dip-pen lithography using aqueous metal nanocrystal dispersions / J. Mater. Chem. – 2004. – V. 14. – P. 625-628. 30. Garcia R., Ramses V. Nano-chemistry and scanning probe nanolithographies / Chem. Soc. Rev. – 2006. – 35. – Р. 29–38 31. Нанотехнологии в электронике: сборник статей / Под ред. Ю.А. Чаплыгина. – М.: Техносфера, 2005. – 448 с. 32. Нано- и микросистемная техника: от исследований к разработкам: сборник статей / Под ред. П.П. Мальцева. – М.: Техносфера, 2005. – 592 с. 33. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. – М.: Техносфера, 2006. – 160 с. 34. Корнилов В.М., Лачинов А.Н. К вопросу о модификации поверхности кремния при ее исследовании методом сканирующей туннельной микроскопии / Физика и техника полупроводников. – 2003. – Т. 37. – В. 3. – С. 323-327. 64 35. García R., Calleja M. Patterning of silicon surfaces with noncontact atomic force microscopy: Field-induced formation of nanometer-size water bridges / Journal of Applied Physics. – 1999. – V. 86. – № 4. – Р. 1898-1903. 36. Lyding J.W. Nanoscale patterning and oxidation of Hpassivated Si (100) surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope / Appl. Phys. Lett. – 1994. – V. 64. – № 15. – P. 2010-2012. 37. Смирнов В.А. Формирование наноразмерных структур методом локального анодного окисления пленки титана / Материалы первой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2005. – С. 268-269. 38. Агеев О.А. и др. Исследование режимов формирования элементов наноэлектроники методом локального анодного окисления / конференции Материалы VIII студентов и Всероссийской аспирантов научной «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006. – С. 262-263. 39. Атомная структура полупроводниковых структур: сборник статей / Под ред. А.Л. Асеева. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. – 292 с. 40. Агеев О.А. и др. Исследование процесса локального анодного окисления пленки титана при стимуляции ультрафиолетовым излучением / Материалы МНК «Тонкие 65 пленки и наноструктуры», 22-26 ноября 2005 г. – М.: Изд-во МИРЭА, 2005. – Ч. 1 – С. 160-163. 41. Агеев О.А. и др. Формирование наноразмерных структур в пленке титана методом фотонностимулированного локального анодного окисления / Материалы IV МНК «Молодые ученые-2006». – М. Изд-во МИРЭА, 2006. – Т. 2. – С. 219-222. 42. Abadal G., P´erez-Murano F., Barniol N., Aymerich X. Field induced oxidation of silicon by SPM: study of the mechanism at negative sample voltage by STM, ESTM and AFM / J. Appl. Phys. Lett. – 1998. – A 66. – P. 791-795. 43. Dagata J.A. et al. Modification of hydrogen-passivated silicon by a scanning tunneling microscope operating in air / J. Appl. Phys. Lett. – 1990. – Vol. 56. – P. 2001-2003. 44. Гаврилов С.А. и др. Исследование особенностей процесса локального окисления пленок титана на основе сканирующей зондовой микроскопии / Известия вузов. Электроника. – 2000. – № 3. – С. 27-33. 45. Булатов А. Н., Неволин В.К. Анодное окисление тонких пленок алюминия в атомно-силовом микроскопе / Микросистемная техника. – 2003. – № 11. – С. 42-44. 46. Lazzarino M., Padovani M., Mori G., Sorba L., Fanetti M. and Sancrotti M. Chemical composition of GaAs oxides grown by local anodic oxidation: a spatially resolved Auger study / Chemical Physics Letters. – 2005. – V. 402. – P. 155-159. 66 47. Workman R.K., Peterson C.A., Sarid D. Current-dependent growth of silicon nitride lines using a conducting tip AFM / Surface Science. – 1999. – 423. – P. L277–L279. 48. Dubois E., Jean-Luc Bubbendor Nanometer scale lithography on silicon, titanium and PMMA resist using scanning probe microscopy / Solid-State Electronics. – 1999. – V. 43. – P. 1085-1089. 49. Соколов Д. В. Нанооксидирование и нанотравление nIn0,53Ga0,47As с помощью атомно-силового микроскопа / Научное приборостроение. – 2001. – Т. 11. – № 1. – С. 15-21. 50. Волков Р.Л. Локальное анодное окисление пиролитического графита в атомно-силовом микроскопе / Материалы IV МНК «Молодые ученые-2006». – М.: Изд-во МИРЭА, 2006. – Т. 2. – С. 42-44. 51. Irmer B., Kehrle M., Lorenz H., and Kotthau J. P. Fabrication of Ti/TiOx tunneling barriers by tapping mode atomic force microscopy induced local oxidation / Appl. Phys. Lett. – 1977. – 71 (12). – 22. – P. 1733-1735. 52. Shirikasi J., Matsumoto K., Miura N. and Konagai M. Single-Electron Transistors (SETs) with Nb/Nb Oxide System Fabricated by Atomic Force Microscope (AFM) Nano-Oxidation Process / Jpn. J. Appl. Phys. – 1997. – V. 36. – P. L1257-L1260. 53. Shirakashi Jun-ichi, Kazuhiko Matsumoto, Naruhisa Miura and Makoto Konagai Room Temperature Nb-Based Single-Electron Transistors / Jpn. J. Appl. Phys. – 1998. – Vol. 37. – P. 1594-1598. 67 54. Heinzel T. Mesoscopic Electronics in Solid State Nanostructures – Wiley-VCH, 2007. – 412 p. 55. Clivia M., Sottomayor T. Alternative lithography: Unleashing the potentials of nanotechnology – Plenum Publishing Corporation, 2004. – 425 p. 56. Held R., Vancura T., Heinzel T., Ensslin K., Holland M. and Wegscheider W. In-plane gates and nanostructures fabricated by di- rect oxidation of semiconductor heterostructures with an atomic force microscope // Appl. Phys. Lett. – 1998. – V. 73. – P. 262-268. 57. Lorenz M. et al. Order, Disorder and Properties of Oxides / Proceeding of the 10-th International meeting, 2007. – V. 2. – P. 7. 58. Huang Jin-Hua, Heh-Nan Lin, Chia-Chih Chuang, HsinWen Lai, Ju-Hung Hsu Selective growth of carbon nanotubes on nickel oxide templates created by atomic force microscope nanooxidation / Diamond & Related Materials. – 2005. – V. 14. – P. 744– 748. 59. Te-Hua Fang Mechanisms of nanooxidation of Si(100) from atomic force microscopy / Microelectronics Journal. – 2004. – Vol. 35. – P. 701-707. 60. Martinez Ramse´s V., Ricardo Garcia Nanolithography Based on the Formation and Manipulation of Nanometer-Size Organic Liquid Menisci / NanoLettrs. – 2005. – Vol. 5. – № 6. – P. 1161-1164. 61. Garcıa R., Calleja M. Patterning of silicon surfaces with noncontact atomic force microscopy: Field-induced formation of 68 nanometer-size water bridges / Jornal Of Applied Physics. – 1999. – Vol. 86. – № 4. – P. 1898-1903. 62. Held R., Heinzel T., Studerus P., Ensslin K. Nanolithography by local anodic oxidation of metal films using an atomic force microscope / Physica. – 1998. – E2. – P. 748-752. 63. Ma Y.-R., Yu C., Yao Y.-D., Liou Y. and Lee Lee S.-F. Tip-induced local anodic oxidation on the native SiO2 layer of Si (111) using an atomic force microscope / Physical Review B. – 2001. – V. 64. – P. 1953XX-1-1953XX-6. 64. Крюков А.И., Кучмий С.Я. Основы фотохимии координационных соединений – Киев: Наука, 1990. – 280 с. 65. Колобов Н.А., Самохвалов М.М. Диффузия и окисление полупроводников – М.: Изд-во “Металлургия”, 1975. – 455 с. 66. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.А. Рабиновича. – Л.: Химия, 1985. – 704 с. 67. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. К.П. Мищенко, А.А. Равделя – Л.: Химия, 1974. – 200 с. 68. Маслов В.П., Математическое Данилов В.Г., Волосов моделирование К.А. процессов тепломассопереноса. – М.: Наука, 1987. – 346 с. 69. Сеченов Д.А., Светличный А.М., Агеев О.А. Распределение температуры и механических напряжений в области воздействия зонда 69 сканирующего туннельного микроскопа в кремнии / Известия вузов. Электроника. – 1998. – № 3. – С. 52-59. 70. Gordon A.E., Fayfield R.T., Litfin D.D. Mechanism of surface anodization produced by scanning probe microscopes / Appl. Phys. Lett. – 2000. – A 86. – P. 234-237. 71. Неволин В.К. Физические основы туннельно-зондовой нанотехнологии / Электронная промышленность. – 1993. – № 3. – Р. 139-142. 72. Методы физических измерений / Под ред. Р.И. Солоухина. – Новосибирск: Наука, 1975. – 250 с. 73. Богданов А.И., Валиев К.А., Беликов Л.В., Душенков С.Д., Иванова М.И. Роль активных кислородных частиц в процессе УФ – очистки поверхности неорганической подложки / Микроэлектроника. – 1989. – Т. 18. – № 6. – С.540-543. 74. Барыбин А.А., Сидоров В.Г. Физико-технологические основы электроники. – СПб.: Изд-во «Лань», 2001. – 272 с. 75. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. И.К. Кикоина. – М.: Атомиздат, 1976. – 1008 с. 76. Воробьев Г.А. Физика диэлектриков. – Томск, 1977. – 251 с. 70 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………… 3 Модуль 1. Основные методы нанолитографии, перспективы применения зондовых нанотехнологий при формировании структур элементов наноэлектроники и наносистемной техники... 5 1.1. Основные методы формирования наноструктур……………. 5 1.1.1. Оптическая литография………………………………………… 7 1.1.2. Электронно-лучевая литография……………………………… 8 1.1.3. Ионно-лучевая литография…………………………………… 10 1.1.4. Рентгеновская литография……………………………………… 12 1.1.5. Литография в экстремальном ультрафиолете……………. 13 1.1.6. Нанопечатная литография…………………………………......... 14 1.2. Основные методы формирования наноразмерных структур с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ)… 15 1.2.1. Механическая модификация поверхности с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ)………………………........ 16 1.2.2. Полевое испарение.…………………………………………............ 17 1.2.3. Dip-pen литография……………………………………………....... 19 1.2.4. Нанолитография методом локального анодного окисления (ЛАО)............................................................................................... 21 1.3. Основные направления создания устройств наноэлектроники с помощью метода ЛАО………………… 24 1.3.1. Устройства металлической наноэлектроники……………… 24 71 1.3.2. Одноэлектронный транзистор……………………………...... 26 1.3.3. Мезоскопические устройства……………………………….... 29 1.4. Формирование каталитических центров для роста углеродных нанотрубок методом ЛАО...................................... 35 Модуль 2. Процессы микроскопа в зазоре сканирующего при зондового проведении ЛАО.........................…....…………....... Механизмы 2.1. анодного 37 окисления металлов…………............... 2.2. Термодинамический анализ реакций ЛАО титана………… 2.3. Оценка распределения температуры в области воздействия 37 41 зонда при ЛАО титана…………………………........................ 45 2.4. Модель локального анодного окисления металла……...…… 50 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………..…… 59 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………... 60 72 Агеев Олег Алексеевич Федотов Александр Александрович Смирнов Владимир Александрович МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР ЭЛЕМЕНТОВ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ Учебное пособие Часть 1 Ответственный за выпуск Смирнов В.А. Редактор Селезнева Н.И. Корректор ЛР №02565 от 23.06.1997г. Подписано к печати Печать офсетная. Бумага офсетная. Формат 60×84 116 . Усл. п.л. – 4,5. Уч.-изд.л –4,3 Заказ № Тираж 50 экз. “С” Издательство Технологического института Южного федерального университета ГСП 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44 Типография Технологического института Южного федерального университета ГСП 17А, Таганрог, 28, Энгельса, 1 73
