реферат (Зондовые методы нанолитографии)

Министерство образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

им. Н. Э. Баумана

РЕФЕРАТ

ПО КУРСУ

«Основы наноэлектроники и нанотехнологий»

НА ТЕМУ:

«Зондовые методы нанолитографии»

Выполнила: Янчелик А.Э.

Студентка группы МТ11-82

Проверила: Сидорова С.В.

г.Москва

2015 г.

Содержание

1. Введение .......................................................................................................3

2. Сканирующая зондовая литография ..........................................................6

3. Виды сканирующей зондовой литографии ...............................................7

3.1 СТМ литография ...................................................................................7

3.2 АСМ анодно-окислительная литография ...........................................9

3.3 АСМ силовая литография ...................................................................11

4. Выводы..........................................................................................................14

Список используемой литературы .............................................................15

1. Введение.

Зондовую нанотехнологию можно определить как регламентированную последовательность способов и приемов формирования, модификации и позиционирования элементов нанометровых размеров, состоящих, в том числе из отдельных молекул и атомов, на поверхности подложек с помощью острийного зонда и возможность одновременной их визуализации и контроля.

Зондовая нанотехнология начала развиваться по двум направлениям: высоковакуумная нанотехнология и нанотехнология в газах и жидкостях при атмосферном давлении, поскольку были созданы зондовые микроскопы, работающие как в высоковакуумных, так и в атмосферных условиях.

Традиционные литографии высокого уровня разрешения с использованием масок и шаблонов ведут от микротехнологии к субмикротехнологии, и, в конечном счете, к нанотехнологии . Зондовые микроскопы позволяют, используя результаты традиционных технологий, продвинуться к созданию уникальных функциональных нанообъектов, в том числе элементов наноэлектроники. Такой путь развития нанотехнологий выгодно отличается тем, что он позволяет одновременно и контролировать, и визуализировать процессы нанотехнологии.

2.Сканирующая зондовая литография

Создание интегральных наноэлектронных схем, по существу, является конечной целью нанотехнологии. 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-, электроно- или 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 литографический режим, обеспечивающий создание на поверхности образца заранее заданных структур с нанометровым уровнем пространственного разрешения. Таким образом, было открыто новое направление – зондовая нанотехнология.

К настоящему времени зондовая нанотехнология уже привела к созданию дискретных устройств наноэлектроники в виде отдельных функциональных элементов (МОМ диод, одноэлектронный транзистор ), устройств памяти со сверхплотной записью информации. При этом в полной мере могут быть реализованы идеи молекулярной электроники, когда в качестве элементной базы предполагается использование и модификация отдельных молекул.

3. Виды сканирующей зондовой литографии.

В настоящее время в нанолитографии используются самые различные виды локального воздействия на поверхность, изменяющие ее свойства. Среди них – ультрафиолетовое и рентгеновские излучение, электронные и ионные пучки. Методы сканирующей зондовой микроскопии также применяются для создания наноструктур. Использование возможностей сканирующего зондового микроскопа лежит в основе сканирующей зондовой литографии (СЗЛ).

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.)

3.1 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. 1). СТМ зонд может перемещать частицы материала по поверхности образца, либо удалять их оттуда, манипулировать большими молекулами и даже отдельными атомами (рис. 2).

3.2 АСМ анодно-окислиттельная литография

Сканирующая зондовая литография на основе локального анодного окисления достаточно хорошо известна и используется для формирования на поверхности металлов и полупроводников микро и наноструктур заданной конфигурации.

Локальное анодное окисление с помощью атомно-силового микроскопа осуществляется на воздухе при достаточно высоком уровне влажности. В этом случае на поверхности адсорбируется тонкий слой воды. При приближении проводящего зонда (кантилевера) атомно-силового микроскопа к образцу между кончиком иглы кантилевера и

поверхностью формируется капиллярный водяной мостик. Зонд и проводящий образец замыкаются в единую цепь. При подаче на зонд напряжения в несколько вольт вблизи кончика иглы создается поле порядка 10⁸–10¹⁰ В/м, под действием которого происходит электрохимическая реакция – диссоциация молекул воды на протоны Н+, анионы

О–2 и ОН–. Ионы реагируют с поверхностью подложки, образуя оксид. В связи с тем, что объем оксида больше объема исходного материала подложки, после реакции окисления на поверхности формируются выступы (увеличенные в объеме участки поверхности), которые можно наблюдать с помощью атомно-силового микроскопа. Различные размеры модифицированных структур получают выбором приложенного напряжения. Высоту и ширину формируемого оксидного слоя можно увеличить за счет приложения большего

напряжения смещения, т.е. за счет увеличения тока проходящего через водяной наномостик между зондом и поверхностью. Также на размер формируемой структуры влияет скорость сканирования зонда по поверхности, т.е. время нахождения иглы

в данной точке поверхности. При увеличении скорости сканирования меньший заряд проходит через данную точку поверхности, что уменьшает размер структуры. Наиболее успешно метод ЛАО используется при создании наноструктур на поверхности кремния и титана . В значительно меньшей степени эта методика применяется для формирования ферромагнитных микро и наноструктур . Локальное окисление ферромагнитных пленок интересно тем, что, создавая в планарных структурах окисленные области заданной конфигурации, можно изменять доменную структуру пленки, формировать проводящие ферромагнитные нанопроволоки и наноконтакты. В таких нанопроволоках и наноконтактах можно ожидать появление эффектов гигантского магнитосопротивления и квантования проводимости, что представляет интерес с точки зрения фундаментальной и прикладной науки.

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. 4а 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.

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, формируя на ней топографический контраст. Пример растровой литографии приведен на рис. 4б, на котором изображен нобелевский лауреат Жорес Алферов.

4.3 АСМ силовая литография

СЗМ позволяет осуществлять непосредственное силовое воздействие зондом 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. 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, очевидно, 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. Также необходимо, чтобы поверхность была чиста от загрязнений. Для осуществления силовой литографии хорошо подходят некоторые полимеры, такие как поликарбонат и полиэтилен.

Т акая 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.