Лабораторная работа № 7
Для полупроводниковых подложек, когда внешнее электрическое поле проникает в объем полупроводника, ситуация усложняется, при этом возможна, в частности, локальная глубинная деформация подложек.
С помощью сильного электрического поля в межэлектродном зазоре возможна заметная поляризация молекул среды и их перестройка (например, геометрическая
изомерия), а за счет диполь-дипольного взаимодействия молекул и примесей возможно образование проводящих молекулярных мостиков из адсорбата электродов, либо из жидкой диэлектрической фазы, находящейся в межэлектродном
зазоре.
С помощью СТМ или АСМ зонда возможно и прямое механическое воздействие
на подложку. Тогда при превышении порога пластической деформации подложки при локальном царапании или постукивании зондом возможна ее необратимая механическая деформация.
Таким образом, основными факторами, определяющими процессы нанотехнологии, являются: локальные электрические поля, сравнимые с
внутримолекулярными и атомными; сверхбольшие плотности токов и их электродинамическое воздействие; сверхплотные локальные потоки тепла, вызванные протекающими токами; локальные механические деформации.
7.1.2.Виды зондовой литографии
В соответствии с видами локального взаимодействия СЗМ-зонда с поверхностью выделяют следующие виды зондовой литографии:
●СТМ литография;
●АСМ анодно-окислительная литография;
●АСМ силовая литография;
●Другие специфические виды (электростатическая зарядовая литография,
литография с помощью зонда ближнепольного оптического микроскопа и др.).
7.1.2.1.СТМ литография
Существует множество разновидностей СТМ литографии. Наиболее простой
способ модификации поверхности с помощью СТМ заключается в непосредственном контактном воздействии СТМ зонда на поверхность. Это
приводит к появлению ямки на поверхности образца, но при этом может повреждаться и сам зонд. Более щадящий способ воздействия на поверхность заключается в подаче на образец импульса тока высокой плотности или
электрического поля высокой напряженности. Поверхность образца под зондом при этом может расплавляться и даже частично испаряться (Рис. 7-1). СТМ зонд может
перемещать частицы материала по поверхности образца, либо удалять их оттуда, манипулировать большими молекулами и даже отдельными атомами (Рис. 7-2).
7-5
СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР II. Учебное пособие
а) |
б) |
Рис. 7-1. Пример СТМ литографии. На СТМ изображении (размер скана 256x256 нм2) трехмонослойной проводящей пленки Ленгмюра-Блоджет (б) видны кратерообразные дефекты глубиной в один монослой после локального приложения трех импульсов
напряжения (а)
а) |
|
б) |
|
в) |
|
г) |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 7-2. Пример СТМ литографии. Название фирмы IBM составлено из атомов
ксенона (светлые точки), осажденных на поверхность никеля. Зонд подводился к выбранному атому Xe, и на нее подавалось электрическое напряжение, которое
заставляло атом прилипнуть к зонду. Затем зонд перемещался в заданное место, и подачей отрицательного импульса напряжения атом стряхивался с зонда обратно на подложку.
На рисунках а) – г) показаны последовательные стадии поатомной сборки самой маленькой в мире рекламы (размер скана ~ 10 10 нм2)
7.1.2.2.Анодно-окислительная литография
В этом виде литографии изменяется не только рельеф образца, но и локальные электрофизические свойства его поверхности. Например, при подаче напряжения на проводящий АСМ-зонд, на поверхности образца может начаться электрохимический
процесс, и металлический слой под зондом начнет окисляться. Этот метод используется на воздухе, когда зонд и поверхность материала покрыты тонким
слоем абсорбированной воды. Когда зонд приближается достаточно близко к поверхности образца, эти абсорбированные слои соприкасаются и, вследствие капиллярного эффекта, между острием и образцом возникает водяная перемычка.
Таким образом, при подаче напряжения возникает электрохимическая реакция между зондом и поверхностью образца в водной среде. Если поверхность имеет
положительный заряд, а острие – отрицательный, то они будут электрохимически
7-6
Лабораторная работа № 7
взаимодействовать соответственно как анод и катод, и непосредственно под острием начнет расти оксидный слой (Рис. 7-3).
а) |
б) |
Рис. 7-3. Схема процесса локального анодного оксидирования с помощью проводящего АСМ зонда (а) и изображение (размер скана 200х200 нм2) сверхтонкой пленки титана на поверхности кремния (б), окисленной в заданных точках
Необходимо отметить, что диаметр оксидных наночастиц, измеренный по полувысоте, составляет 8–10 нм. При использовании таких наночастиц в качестве элементов записи эффективная плотность записи информации может составить
1 Тб/кв. дюйм.
Наномодификация поверхности не ограничивается только формированием точек.
Используя соответствующее программное обеспечение можно организовать перемещение зонда вдоль заданных векторов и формировать линии и более сложные объекты.
На (Рис. 7-4 а) представлен пример векторной литографии на пленке титана, осуществленной путем локального окисления с помощью проводящего зонда.
Ширина окисной полоски 8–10 нм позволяет формировать туннельно-прозрачные барьеры для электронов, а также одноэлектронные устройства, функционирующие по квантово-механическим законам при комнатной температуре.
а) |
|
б) |
|
|
|
Рис. 7-4. Пример векторной (а) (размер скана 500х500 нм2) и растровой (б)
(размер скана 2,5х3,0 мкм2) литографии, осуществленной путем локального окисления с помощью проводящего зонда
7-7
СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР II. Учебное пособие
Для сложных рисунков можно проводить растровую литографию, которая осуществляется в процессе сканирования поверхности. То есть зонд проходит по всем точкам выбранной области сканирования, а не только по точкам и линиям,
соответствующим рисунку шаблона, как в векторной литографии. В качестве шаблона в растровой литографии служит заранее загружаемый графический файл.
Разница между наибольшим и наименьшим возможным напряжением на образце делится пропорционально в соответствии с наибольшим и наименьшим значениями яркости на исходном изображении, и, в соответствии с этим, будет меняться высота
анодного оксидного слоя на поверхности образца. Пример растровой литографии приведен на Рис. 7-4 б, на котором изображен нобелевский лауреат Жорес Алферов.
7.1.2.3.Силовая литография
СЗМ позволяет осуществлять непосредственное силовое воздействие зонда на поверхность образца. Это может производиться двумя способами – статическим воздействием (наногравировка) и динамическим воздействием (наночеканка).
Процесс гравировки хорошо известен как средство формирования рисунка на поверхности предмета. Реализация такого процесса с использованием методов
сканирующей зондовой микроскопии позволяет осуществлять наногравировку с нанометровым разрешением. При осуществлении наногравировки с использованием
методики обычной контактной силовой микроскопии зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с достаточно большой силой прижима, так что на подложке (или на расположенном на ней слое резиста) формируется рисунок
в виде углублений (царапин) (Рис. 7-5). Такая методика использует принцип вспашки: материал извлекается из подложки вполне определенным образом,
оставляя канавки с характерным сечением, определяемым формой кончика зонда.
Для проведения силовой литографии необходимо, чтобы твердость материала зонда была выше твердости образца. При этом не должно происходить залипание
кантилевера и налипание частиц материала подложки на зонд. Шероховатость образца должна быть небольшой (обычно не более 1–10 нм). Также необходимо,
чтобы поверхность была чиста от загрязнений. Для осуществления силовой литографии хорошо подходят некоторые полимеры, такие как поликарбонат и полиэтилен.
Такая технология нанолитографии достаточно проста и дешева, однако у нее есть определенные недостатки. При формировании наноканавки статическим
воздействием зонда случайные торсионные изгибы кантилевера приводят к краевым неоднородностям рисунка. Кроме того, при работе с твердыми поверхностями этот метод приводит к быстрому разрушению зонда.
С использованием динамической силовой литографии (наночеканки) модификация поверхности происходит за счет формирования углублений на
поверхности образца колеблющимся зондом (Ошибка! Источник ссылки не найден.). Такой метод нанолитографии свободен от торсионных искажений и позволяет производить визуализацию сформированного рисунка без серьезного
воздействия на поверхность подложки или резиста. Кратковременное «укалывание» поверхности также защищает зонд от быстрого разрушения.
7-8
Лабораторная работа № 7
а) |
|
б) |
|
|
|
Рис. 7-5. Схематическое изображение процесса статической силовой литографии (а) и изображение поверхности алюминия (размер скана 1,6х1,6 мкм2)
с нанесенной на нее царапиной (б)
Динамическая литография может производиться векторным (Ошибка!
Источник ссылки не найден. а) или растровым (Ошибка! Источник ссылки не найден. б) способом.
При векторной литографии зонд движется по линиям заранее заданного
векторного шаблона, ее преимущество заключается в относительно большой скорости. При движении зонда по объектам шаблона величина воздействия может быть постоянной или линейно изменяться в заданных пределах. Кроме того, при
векторной литографии возможно импульсное воздействие с заданным шагом между импульсами.
Растровая литография осуществляется более медленно, поскольку при ее проведении зонд движется вдоль строк шаблона литографии, как при обычном сканировании. Степень воздействия зонда на поверхность зависит от яркости точки
шаблона. В качестве шаблона для растровой литографии используют графический файл в растровом формате.
В получении хороших результатов в растровой литографии с использованием наночеканки большую роль играет предварительная подготовка графического изображения-шаблона. Белому цвету на изображении соответствует отсутствие
воздействия на образец, черному цвету – воздействие с максимальной силой. При подготовке изображения наиболее важные детали необходимо окрашивать в черный цвет таким образом, чтобы области черного цвета были достаточно большими и не
чередовались с малыми белыми участками, а фон и ненужные детали, как правило, заливаются белым цветом. Также иногда бывает полезно повысить контрастность
изображения.
В СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР II реализованы следующие виды литографии: простая векторная литография – когда сила воздействия при движении по линиям
шаблона не изменяется; импульсная векторная литография; растровая литография с двумя возможными градациями цвета шаблона (черно-белое изображение).
7-9