Лабораторная работа № 7

Цель работы: Изучение различных видов литографии, выполняемых с помощью сканирующего зондового микроскопа. Получение практических навыков выполнения растровой силовой литографии.

Образец: фрагмент DVD со снятым защитным покрытием (образец LIT из комплекта образцов для НАНОЭДЬЮКАТОРа).

7.1.Теория

Одной из основных задач в микроэлектронике является задача уменьшения линейных размеров элементов микросхем. В настоящее время уровень развития

технологий в этой области достиг субмикронных размеров и переходит уже на наноуровень. Изменяется и физика работы элементов – теперь она основывается преимущественно на принципах квантовой механики [Лит. 7-1].

Создание интегральных наноэлектронных квантовых схем, по существу, является конечной целью нанотехнологии [Лит. 7-2]. Нанотехнологию, таким образом, можно

определить как совокупность способов и приемов создания функциональных элементов нанометровых размеров на поверхности твердых тел, в том числе из отдельных молекул и атомов, с возможностью одновременной их визуализации и

контроля.

Традиционный метод, включающий создание масок на поверхности полупроводниковой пластины с последующим применением различных видов микролитографии все более высокого разрешения, в том числе рентгено-, электроноили ионной литографий, позволяет создавать элементы с нанометровыми

поперечными размерами. Однако создание элементов на основе отдельных молекул или атомов традиционными путями невозможно.

Изобретение в 1981 г. Г. Биннигом и Х. Рорером сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) открыло, прежде всего, новый путь для неразрушающего контроля проводящих материалов с разрешением вплоть до 0,01 нм. Еще большие

возможности открылись с созданием атомного силового микроскопа (АСМ), с помощью которого стало возможным изучать рельеф не только проводящих, но и диэлектрических материалов.

Создатели сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) первыми предложили использовать его и в качестве инструмента для модификации поверхности образца.

Действительно, в области локального контакта зонда с образцом могут возникать достаточно большие силы, напряженности электрического поля и плотности

электрических токов. Раздельное или совместное действие этих факторов может приводить к заметной локальной модификации поверхности образца и зонда. То есть, повышая уровень взаимодействия между зондом и образцом, можно перевести

СЗМ из измерительного режима работы с нулевым или минимальным уровнем разрушения исследуемой поверхности, в режим литографии, обеспечивающий

создание на поверхности образца заранее заданных структур с нанометровым уровнем пространственного разрешения. Таким образом, было открыто новое направление – зондовая нанотехнология.

7-3

СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР II. Учебное пособие

К настоящему времени зондовая нанотехнология уже привела к созданию дискретных устройств наноэлектроники в виде отдельных функциональных элементов (МОМ диод, одноэлектронный транзистор [Лит. 7-3]), устройств памяти

со сверхплотной записью информации [Лит. 7-4]. При этом в полной мере могут быть реализованы идеи молекулярной электроники [Лит. 7-5], когда в качестве

элементной базы предполагается использование и модификация отдельных молекул.

7.1.1.Физические основы зондовой литографии

Литографий будем называть изменение рельефа или свойств поверхности, вызванное локальным воздействием со стороны зонда.

В сканирующем туннельном микроскопе при напряжении между игольчатым электродом и подложкой 5 В и зазоре между ними 0,5 нм возникают электрические поля напряженностью приблизительно 108 В/см, сравнимые с внутриатомными.

Преимуществами таких полей являются их локальность, определяющаяся степенью заострения зонда, и низкие приложенные напряжения, которые не могут вызывать

ионизацию молекул и атомов в межэлектродном зазоре. При таких полях возможны плотности токов электронной эмиссии до 108 А/см2, которые можно оценить по формулам Фаулера-Нордхейма:

где E – напряженность электрического поля (В/см), – работа выхода электрона из электрода, к которому приложено электрическое поле (В). Сверхплотный пучок электронов из игольчатого электрода может вызвать на подложке локальный

разогрев. Локальное повышение температуры по радиусу r вдоль поверхности от оси пучка для изотропных подложек можно оценить по формуле:

k – коэффициент термической проводимости подложки, l – длина неупругого рассеяния электронов в подложке.

Электростатическое поле порождает также нормальное к поверхности электродов механическое напряжение:

12 0 E2 ,

где – диэлектрическая проницаемость среды между электродами, о –

диэлектрическая проницаемость вакуума. Это поле может быть достаточным для локальных упругих и пластических деформаций поверхности металлических

электродов. Например, на воздухе при полях E > E0 (E0 – электростатическое поле

напряжение, при котором наблюдается пластическая деформация, Па), возможна

локальная пластическая деформация металлической подложки в виде бугорков. При этом более жесткий игольчатый электрод может оставаться неизменным.

7-4