Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике, страница 48

При наличии тока между зондом и подложкой(например, металл — Me — или полупроводник — Si)протекают электрохимические реакции анодированияподложки (см. также формулу 8.3):Me + xH2O ® MeOx + 2xH+ + 2xe–,Si + 4h+ + 2OH– ® SiO2 + 2H+,где e– — электроны, h+ — дырки.270НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.

Введение в специальностьНа рис. 8.42 позиция 3 — это слой естественного окис"ла, 4 — анодный окисел, образующийся под зондом. Наначальных стадиях процесса электроны туннелируют сзонда на подложку через слой естественного окисла, ионыH+ и OH– проходят через окисел под действием электри"ческого поля. Ионы OH– образуются в мениске в резуль"тате гидролиза воды. В ходе процесса расходуется зна"чительное количество молекул воды. Доставка воды взазор между зондом и подложкой осуществляется поддействием электрического поля (E ~ 107 В/см). Поле ока"зывает ориентирующее действие на полярные молекулыH2O, что приводит к локальному снижению давления на"сыщенных паров H2O, пересыщению паровой фазы и дос"тавке воды в мениск.Процесс окисления идет в глубь подложки.

Но из"заприсутствия кислорода объем окисленного вещества боль"ше, чем его исходный объем. Поэтому происходит разбу"хание окисленных линий и они выступают над поверхно"стью, создавая рельеф высотой в несколько нанометров.Это позволяет визуализировать окисление участков с по"мощью АСМ.Примеры литографии методом анодного окисления наповерхности кремния приведены на рис. 8.43.На рис. 8.43а представлена надпись, выполненная спомощью проводящего зонда АСМ; на рис. 8.43б — поверх"ность после избирательного травления окисла в течение15 с в водном растворе HF (50:1); на рис. 8.43в приведенмассив точек окисла. Эти точки имеют диаметр 44 нм,авб1 ìêìРис.

8.43Надпись на поверхности кремния:а — после анодного окисления (выступы); б — после избирательноготравления окисла (впадины); в — массив точек окисла.Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ271высоту 1,2 нм, расположены на расстоянии 60 нм друг отдруга и получены подачей импульсов напряжения 14 Впри сканировании зонда (на время импульса обратнаясвязь отключалась).Ширина окисляемых полосок (или диаметр точек) зависит от относительной влажности, радиуса острия зонда, расстояния между зондом и подложкой, величины идлительности импульсов напряжения, толщины окисляемой пленки. Могут быть получены линии окисла шириной порядка 10 нм и точки диаметром до 3 нм.Процесс проводят как в контактном, так и бесконтактном режимах. Для создания проводящих кантилеверовприменяют проводящие покрытия (Pt, Au, W2C, TiO2–x)на кремниевых и нитридных кантилеверах.Как уже отмечалось, метод анодного окисления применяется для получения литографического рисунка нетолько на полупроводниках, но и на тонких пленках металлов.

Металлические пленки наноразмерной толщиныможно прокислять насквозь и таким образом создаватьнаноэлементы, изолированные друг от друга или от остальной пленки.Метод одновременного механического воздействия наповерхность и локального анодного окисления. По отдельности механическое воздействие и анодное окисление непозволяют достичь глубины модификации более чем 10 нм.Разработан метод одновременного механического воздействия на поверхность и анодного окисления одним и темже зондом АСМ. В комбинированном методе достигаетсяглубина окисления ~60 нм при ширине линий ~100 нм.Метод применялся для прокисления гетероструктур типаGaAs–AlGaAs в оптоэлектронных наноструктурных устройствах.Формирование элементов металлической наноэлектроники с помощью анодного окисления металлическихпленок зондом АСМ.

Наряду с развитием элементной базынаноэлектроники на основе многослойных планарных резонансно-туннельных структур с квантовыми ямами в последнее время развивается новое направление «проводной» наноэлектроники, в которой основным элементом272НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьявляются «квантовые провода» из различных материалов,проявляющие квантовые свойства проводимости при ком&натных температурах. Простейшее устройство проводнойнаноэлектроники состоит из двух макроэлектродов, соеди&ненных квазиодномерным проводом, имеющим ширину внесколько нанометров.

Исследования показывают, чтонекоторые характеристики (например, ВАХ) одноэлек&тронных устройств и характеристики планарных резо&нансно&туннельных диодов можно получить на двухэлек&тродных элементах с квантовыми проводами.Перьевая нанолитография (другие названия — методпогруженного пера, нанописьмо). Это один из новых ме&тодов нанолитографии, предложен в 1999 г. «Пером» слу&жит зонд АСМ, «бумагой» — подложка, «чернилами» —жидкие органические вещества или их растворы. ЗондАСМ рисует «чернилами» на поверхности подложки. Таккак зондом легко манипулировать, то можно наноситьрисунок любой сложности и детализации.

Диапазон ши&рины линий — от 10 нм до 1 мкм. Скорость движения зон&да при записи — от нескольких нанометров в секунду до~100 нм/с. Поскольку метод медленный, он не может ис&пользоваться в серийном производстве, но может бытьэффективным для быстрого создания прототипов различ&ных приборов, когда еще нет соответствующей производ&ственной технологии, а также в биотехнологии, фарма&цевтике, для исследования белков и ДНК.Схема процесса перьевой литографии приведена нарис. 8.44. На зонд АСМ наносится вещество «чернил» оса&ждением из пара или погружением в раствор с последую&щей сушкой. Молекулы вещества показаны волнистымилиниями на рисунке. Как уже говорилось в предыдущемразделе, в атмосферных условиях поверхности подложкии зонда покрыты тонкой пленкой адсорбированной воды,и, когда зонд приближается к поверхности на нанометро&вое расстояние, между ними образуется мениск. Формамениска зависит от относительной влажности и смачиваю&щих свойств подложки и зонда.

Молекулы осаждаемоговещества посредством диффузии переносятся через мениски осаждаются на подложке, а зонд движется вдоль под&Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ273Рис. 8.44Схема процесса перьевойнанолитографииложки, создавая рисунок. Возможен не только диффузий#ный перенос, но и перетекание жидкости с зонда на обра#зец под действием капиллярных сил.Одно из главных требований к молекулам «чернил» —они должны химически связываться с поверхностью под#ложки, образуя упорядоченные самоорганизованные слои(рис. 8.44), тогда нанесенный рисунок не будет расплывать#ся и получится прочным.

Например, химическая связьобразуется между атомами серы или селена и золотой под#ложкой.В качестве «чернил» для золотых подложек использо#вались 1#октадеканетиол (ОДТ) и 16#меркаптогексадека#ноидная кислота (МНА). По описанной методике наносят#ся также проводящие полимеры, ДНК, органические кра#сители и другие материалы.Разрешающая способность метода (минимальная ши#рина линий) зависит от радиуса кривизны острия зонда,скорости движения зонда при записи, относительной влаж#ности.

Последняя может влиять на скорость переноса.Опыты показали, что можно формировать линии шири#ной от 15 нм до нескольких сотен нанометров при мини#мальном расстоянии между ними ~5 нм.На рис. 8.45 приведены буквы, написанные на поверх#ности золота чернилами из молекул МНА (относительная274НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьРис. 8.46Рис. 8.45«Перьевая» записьмолекулами МНАна поверхности золотаСЭМ — изображениелитографического устройствас 8 кантилеверамиНа врезке — увеличенное изо(бражение зонда.влажность 23%, скорость зонда — 2 нм/с).

Сменяя зонды,можно последовательно применять различные «чернила».Рассматриваемый метод используется также для на(ноструктурирования поверхности кремния. В этом случаена поверхность кремния напыляется пленка золота, а нанее наносится «чернилами» рисунок. Затем производит(ся травление пленки золота с «чернилами» в качестве мас(ки. Далее осуществляется травление кремния при исполь(зовании в качестве маски рисунка из золота.Параллельный перенос рисунка. Недостатком перье(вого метода является низкая производительность.

Для ееувеличения предложен способ, основанный на одновре(менном использовании системы «перьев». На рис. 8.46приведено электронномикроскопическое изображениелитографического устройства с 8 кантилеверами, изго(товленного из единого монокристалла кремния метода(ми микроэлектронной технологии. Устройство дает ши(рину линий 60 нм при скорости записи 0,5 мкм/с; расстоя(ние между кантилеверами составляет 350 мкм.Термонанолитография. Недостаток описанного мето(да — невозможность включать и выключать поток «чер(нил», пока перо находится в контакте с поверхностью.В термометоде используются «чернила», которые пишуттолько при нагреве зонда, когда материал «чернил» пла(вится. Процессом записи можно управлять, включая ивыключая проводящий зонд.Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ275Наномеханическое устройство сверхплотной записиданных «Millipede» («Многоножка»).

Механическое устройство для сверхплотной записи цифровой информации«Millipede» было представлено IBM в 2005 г. на выставкеCe Bit в Ганновере. Плотность записи — 0,186 Тбит/см2,размер области записи — 6,3´6,3 мм2. В устройстве длязаписи и хранения данных используется иной подход,чем в магнитных и оптических дисках и в полупроводниковых устройствах памяти. Основной инструмент записи/чтения — матрица, содержащая 64´64 кантилевера с зондами. Запись/чтение производится параллельновсей матрицей зондов. Таким образом, в устройстве используется главное достоинство зондовых технологий —предельная локальность, и преодолевается основной недостаток зондовых технологий — низкая производительностьпроцессов, осуществляемых одним зондом.

Информацияхранится в виде последовательностей мест с углублениями («1») и мест, где они отсутствуют («0»). Углубления записаны на полимерных пленках нанометровой толщины(рис. 8.47).Каждый кантилевер производит операции записи/чтения только на отведенной для него площади (100´´100) мкм2. Операции записи/чтения производятся примеханическом сканировании или всей матрицы кантилеверов, или среды, где хранятся данные.

Контакт «зонд–среда» поддерживается и контролируется сразу для всейматрицы, а не для отдельных кантилеверов.Эффективные параллельные операции матрицы кантилеверов достигаются посредством мультиплексорнойадресующей схемы (аналогичной применяемой в памяти DRAM). Способ записи — термомеханический. ЧерезРис. 8.47Пример записиинформации устройством «Millipede»276НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностькантилевер создается локальное давление на слой поли!мера и одновременно производится локальный нагрев по!лимера посредством протекания тока по П!образномукантилеверу.На рис. 8.48 приведена СЭМ!микрофотография чипа сматрицей кантилеверов (32´32). На изображении чипапоказаны нагревательные элементы с каждой стороныматрицы и четыре температурных датчика в углах матри!цы.