Диссертация (Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба), страница 8

Фиксация координат проводилась для надежностисразу по четырем маркерам. После подстройки координатной сеткимикроскопапроводиласьзасветкатопологиибудущихзолотыхнанопроводов.После засветки в электронном микроскопе полимерная пленка наобразцах проявлялась в смеси толуола и спирта (в соотношении 1 к 10) при49фиксированной температуре (20 С) в течение 2 минут. Наши экспериментыпоказали, что при проявлении засвеченных участков полимерной пленки безприменения УЗ невозможно обеспечить достаточный контроль степенипроявления узких нанопроводов.Поэтому в конце каждой минутыпроявления применялся УЗ в течение 5 секунд.

Это позволило обеспечитьвертикальность краев полимерной маски после проявления и, как следствие,получать ровные края металлических нанопроводов после напыления иудаления полимерной маски.Напыление узких золотых нанопроводов проводилось в установкеLeybold L-560 при давлении в камере перед началом напыления не хуже8*10-7 мбар. Скорость напыления устанавливалась 1 А/с, пленка золотанапылялась толщиной 15 нм. За счет закрепления столика с образцами набольшом расстоянии (более 30 см) от источникаудалось обеспечитьнапыление как от точечного источника.

Это позволило даже при примененииоднослойной полимерной маски толщиной 50 нм получать ровные краянанопроводов золота малой толщины (15 нм). После напыления однослойнаяполимерная маска растворялась в ацетоне в течение 20 минут.Здесь уместно подробнее остановиться на вопросах адгезии золотыхнанопроводов к поверхности диэлектрика.

Традиционно при напылениизолотой пленки на поверхность диоксида кремния используется тонкий (2нм) подслой хрома или титана. В наших экспериментах мы использовали 2нм слой Cr, напыляемый термическим способом при помощи электронноголуча. Такой подслой позволяет обеспечить надежное закрепление пленкизолота на поверхности даже при воздействии на образец продолжительного(5 - 10 минут) ультразвукового воздействия. Однако в процессе дальнейшегоиспользования таких золотых нанопроводов выяснилась их непригодностьдля проведения электромиграции атомов золота (подробнее об этом в главе3). Мы были вынуждены искать способы полностью отказаться отприменения металлического подслоя под нанопроводами золота.

Былпроведен ряд экспериментов по изучению адгезии золотой пленки на50поверхности SiO2 и Al2O3. В результате оптимизации технологическихпроцессовудалосьопределитьоптимальныепараметрысозданиянанопроводов золота, при которых обеспечивается достаточная адгезия узкихзолотыхнанопроводовкповерхностиAl2O3безиспользованиядополнительных металлических буферных слоев и к поверхности SiO2 сиспользованием тонкого буферного слоя Al2O3 (полученного в процессеестественного окисления пленки Al толщиной 2 нм). Для создания тонких иузких нанопроводов золота без использования адгезионных слоев металланеобходимо применение однослойной полимерной маски ПММА (MicrochemPMMA 950 C2). Параметры нанесения и засветки для однослойной маскиподробно аналогичны описанным в первой части главы.

При засветкетопологии нанопроводов в растровом электронном микроскопе следуетиспользовать режим однократного прохода с большим временем нахожденияводнойточкеэлектронноголучавдольбудущихнанопроводов.Определенная оптимальная эквивалентная доза для получения нанопроводовшириной 50 нм составляет 1100 мкКл/см2. Проявление засвеченных участковпленкинеобходимопроводитьвпроявителе(смесьтолуолаиизопропиолвого спирта 1:10) в течение 2 минут с включением УЗ на 5 секундв конце каждой минуты. Применение УЗ позволяет добиваться вертикальныхкраев маски, что способствует образованию ровных краев нанопроводов.За счет вертикальности краев проявленной однослойной полимерноймаски и малых толщин напыляемых нанопроводов (15 нм) растворениеполимерноймаскипроисходитбезобразования"задранных"краевнанопроводов.

В случае напыления нанопроводов на поверхность подложки(Al2O3 или SiO2) необходимо до напыления золота предварительносформировать тонкий (2 нм) слой Al2O3. Проведенное нами исследованиепоказывает, что для создания такого тонкого слоя диэлектрика может бытьиспользовано термическое напыление тонкой (2 нм) пленки Al споследующим естественным окислением в атмосфере (при давлении 8*10-3мбар) кислорода в течение 20 минут.

Окисление в течение 20 минут, видимо,51позволяет тонкой 2 нм пленке Al (фактически, отдельным гранулам пленки)полностью окислиться. Такой тонкий адгезионный слой из Al2O3 позволяетполучать ровные края золотых нанопроводов (толщиной 15 нм) наповерхности SiO2 (или Al2O3) при растворении маски в ацетоне. Снимок РЭМнапыленных тонких нанопроводов (15 нм) золота на SiO2 представлен нарисунке 22.\Рис. 22. РЭМ снимок золотого нанопровода шириной 50 нм и толщиной 15нм на поверхности SiO2 с использованием дополнительногодиэлектрического буферного 2-нм слоя Al2O3.На снимке РЭМ четко видна граница золотого нанопровода, отсутствиепослеудаленияполимерноймаскинеровных(задранных)краевсвидетельствует о хорошей адгезии золотой пленки к поверхности.Сложность применения на практике однослойной полимерной маскиобычно связана с образованием неровных краев при удалении маски и, какследствие, повышенным требованиям к качеству адгезионного слоя поднанопроводами.

В разработанной технике использования 2 нм адгезионногослоя из Al2O3 удалось совместить простоту создания этого слоя (путеместественного окисления Al в атмосфере O2) с рядом полученных52преимуществ: во-первых, такой слой обеспечивает достаточную адгезиюзолотой пленки к поверхности, во-вторых, позволяет получать нанопровода сровными краями и, наконец, является диэлектрическим и не препятствуетпроведению электромиграции золотых нанопроводов.Таким образом, на третьем этапе создания многослойной структурынанопроводов удавалось получить тонкие (15 нм) и узкие (50 нм) золотыенанопровода на поверхности Al2O3, нанесенного на электрод управления.Помимо этого, нами была отработана техника напыления золотыхнанопроводов на поверхность SiO2 с использованием адгезионного слоя издиэлектрика Al2O3.

Использование неметаллического адгезионного слояпозволяет проводить электромиграцию атомов золота в нанопроводах сполучением зазоров нанометрового размера (подробнее - в главе 3).На заключительном этапе создания (Рис. 17. этап 4) многослойнойсистемынанопроводовформировалисьнанопроводамежсоединения,соединяющие электроды грубой разводки с нанопроводами-заготовками,лежащими на изолированном электроде управления. При этом важноотметить согласование (близость) по толщине между электродом управленияс диэлектрическим покрытием (30 нм и 8 нм соответственно) и электродамигрубой разводки (50 нм). Такое согласование позволяет для соединения вединую цепь использовать нанопровода толщиной 50 - 60 нм, созданиекоторых, в свою очередь, может обеспечивать двухслойная полимернаямаска из ПММА/ММА, пригодная для напыления нанопроводов до 100 нмтолщиной.Длясозданиянанопроводовмежсоединенияиспользоваласьдвухслойная полимерная маска ПММА/ММА, аналогичная использованнойна 1 этапе создания нанопроводов.Засветка топологии нанопроводов межсоединения проводилась врастровом электронном микроскопе микроскопе Carl Zeiss Supra 40 сприменением литографической платформы Elphy Quantum.

Шаблон засветки53электронным лучом представлен на рисунке 23, нанопровода межсоединениявыделены синим цветом. Они соединяют тонкопленочные нанопроводазаготовки, лежащие на поверхности изолированного электрода управления сэлектродами грубой разводки.Рис 23. Шаблон для засветки нанопроводов (синий цвет), соединяющихэлектроды грубой разводки с нанопроводами-заготовками на поверхностиизолированного электрода управления в центральной области образцаразмером 80х80 мкм.Засветка проводилась при установленном ускоряющем напряжении 20КВ и токе электронного луча 20 пА.

Определенные оптимальные параметрыэквивалентной дозы засветки межсоединений составляют 300 мкКл/см2 дляшироких (1.5 мкм) участков проводов межсоединения и 350 мкКл/см2 дляузких (500 нм и 200 нм) участков нанопроводов межсоединения.Особая сложность в засветке нанопроводов межсоединения состояла внеобходимости совмещения этого слоя и с электродами грубой разводки54(созданными на 1 этапе) и с узкими нанопроводами на поверхностиизолированного электрода управления (созданными на 3 этапе).

Из-за малогоразмера центральной области (80 х 80 мкм) применение дополнительныхмаркеровсовмещения(размеркаждого10х10мкм)довольнозатруднительно. Было предложено для совмещения использовать маркеры,уже засвеченные и запыленные при создании узких нанопроводов наповерхности изолированного электрода управления (на 3 этапе). За счетпокрытия на 3м этапе маркеров пленкой золота, которая обладает хорошимконтрастом в растровом электронном микроскопе, повторное использованиемаркеров оказалось возможным даже через толстую (два слоя имеют общуютолщину 450 нм) двухслойную полимерную пленку.Сам процесс совмещения (все 3 этапа) был аналогичен описанномувыше процессу совмещения топологии нанопроводов-заготовок с топологиейуправляющего электрода.После засветки шаблона нанопроводов межсоединения в электронноммикроскопеобразцыпомещалисьвпроявитель(смесьтолуолаиизопропилового спирта 1:10) для растворения засвеченных участковдвухслойной полимерной пленки.

Температура проявителя поддерживаласьна уровне 20 С, время проявления составляло 2 минуты. В конце каждойминуты кратковременно (на 5 секунд) подавался ультразвук для обеспечениянависания верхнего слоя двухслойной полимерной маски над поверхностьюобразца. Это требование особенно важно для получения ровных краевнанопроводов с шириной менее 1 - 2 мкм при последующем удалении маски.Напыление нанопроводов межсоединения проводилось в установкеLeybold L-560. Давление перед началом напыления каждый раз было не хуже8*10-7 мбар. Первоначально для обеспечения адгезии золотой пленки кповерхностиSiO2напылялсятермическимспособом(спомощьюэлектронного луча) тонкий (2 нм) подслой Cr.

Разработанную техникунапыления Al2O3 в качестве адгезионного слоя в данном случае (длянапыления нанопроводов межсоединения) применять нельзя, поскольку от55этих проводов в последующем требуется надежный электрический контакт.Поверх слоя Cr термическим способом (распылением кусочка золота из"лодочки") напылялся слой Au толщиной 60 нм при скорости напыления 1А/с.После напыления металла образцы погружались на 20 минут в ацетондля удаления двухслойной полимерной маски.