Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Для большего понимания возможностей нанотехнологий, связанных с созданием наноразмерных структур, рассмотрены некоторые области приложений: наноштамповка (nanoimprinting), микрообработка кремния, биомедицинскиеприложения, микрофотоника и микроструйные устройства.1246.6.1. Особенности прохождения ускоренных заряженных частицв веществеРазличные типы заряженных частиц в зависимости от их энергии поразному взаимодействуют с веществом в твердой фазе. В качестве иллюстрации на рис.
6.26 представлено три разновидности пучков [66]. Этонизкоэнергетичные пучки электронов и тяжелых ионов и пучки легкихионов средних энергий. Основным механизмом взаимодействия низкоэнергетичных электронов сфокусированного пучка с веществом являетсяих рассеяние на атомарных электронах.
В результате чего первичныеэлектроны многократно отклоняются на большой угол, образуя классическую грушевидную форму области ионизации вокруг точки соприкосновения первичного сфокусированного пучка. В приведенном на рис. 6.26примере проведены расчеты с применением компьютерного моделирования на основе метода Монте-Карло [67], где сфокусированный пучокэлектронов с энергией 50 кэВ проникает на глубину до 40 мкм в резистивном материале РММА (poly methyl methacrylate) и при этом отклоняетсяот оси до 20 мкм.Рис. 6.26.
Схематическое изображение взаимодействия пучков различных типовзаряженных частиц низких и средних энергий с веществом [66]Эта особенность электронного пучка затрудняет создание трехмерных структур с высоким отношением высоты объекта к его характерномуповерхностному размеру. Также негативным фактором, влияющим напроцесс облучения вещества, является эффект близости (proximity effect),который заключается в наличии вторичных электронов с достаточно высокой энергетической составляющей, способных вносить дополнительнуюдозу при облучении. Это требует внесения коррекции при определениидозы.125Для сфокусированных пучков низкоэнергетичных тяжелых ионовхарактерным механизмом взаимодействия с веществом является рассеяние падающих ионов на ядрах атомов мишени. За счет передачи импульсаионов пучка атомам приповерхностного слоя материала происходит ихпереупорядочивание, что приводит к химическим и структурным изменениям, таким как распыление атомарных и молекулярных образований.Процесс распыления, рассчитанный с помощью метода Монте-Карло (например, с применением численного кода SRIM [67]), показывает, что скорость распыления для ионов Ga с энергией 30 кэВ составляет от 1 до 10атомов мишени на падающий ион в зависимости от типа материала.
Однако скорость распыления может быть значительно увеличена за счет подачи молекул химически активного газа в область взаимодействия пучка сматериалом, например хлора.Сфокусированные пучки легких ионов с энергией нескольких мегаэлектронвольт могут взаимодействовать как с электронами, так и с ядрамиатомов облучаемого материала. Однако вероятность взаимодействия ионас электронами на несколько порядков выше, чем вероятность рассеяния наядрах атомов на первой половине своего пути.
Из-за большого различия вмассах ион-электронные взаимодействия не могут значительно изменитьтраекторию движения падающего иона, которая мало отличается от прямой линии, что видно на рис. 6.26. Так как энергия, теряемая ионом притакого рода взаимодействиях мала, с наиболее вероятной величиной науровне 100 эВ, тысячи взаимодействий с электронами атомов материаламогут произойти до тех пор, пока ион полностью потеряет свою кинетическую энергию.
По мере потери энергии и, следовательно, уменьшенияскорости движения вероятность взаимодействия с ядрами атомов материала увеличивается и происходит заметное искривление траектории иона(рис. 6.26). Отличительной особенностью пучков легких ионов среднихэнергий по сравнению с электронными пучками является практическоеотсутствие вторичных электронов с энергией, способной значительновлиять на дозу облучения материала (эффект близости). Глубина проникновения иона для выбранного материала зависит от его энергии и строгоопределена, что является важным свойством и позволяет создавать многоуровневые трехмерные объекты в однослойных резистивных материалах.Расчеты с применением численного кода SRIM показывают, что протоныс энергией 2 МэВ имеют глубину проникновения в материале РММА60.8 мкм с отклонением на уровне 2 мкм в конце своего пути.
Однакоуширение пучка на глубине 1 мкм составляет лишь 3 нм и 30 нм на глубине 5 мкм. Это свойство позволяет создавать трехмерные нанообъекты свысоким отношением высоты объекта к его характерному поверхностному размеру (ширине) и высоким качеством боковых стенок (шероховатость на уровне 3 нм).1266.6.2. Зондовые системы формированияпучков заряженных частицПринципы формирования электронного пучка в системах электронной пучковой литографии (EBL) аналогичны сканирующему электронному микроскопу (SEM), где электронный пучок фокусируется в пятно наобразце с помощью электромагнитных линз с аксиальной симметрией исканируется в необходимой области для получения изображения. Основные отличия EBL и SEM заключаются в том, что в SEM вторичные и обратно рассеяние электроны и характеристическое рентгеновское излучение, индуцированное электронами пучка фиксируется с помощью детектирующих устройств для целей получения изображения и элементногоанализа.В системах EBL важными являются: высокоточное позиционирование образца за счет контроля его положения с применением лазерной интерферометрии, система измерения размеров пятна, измерение тока с помощью цилиндра Фарадея снабженного интегратором способным измерять пикоамперные токи для нормализации дозы, высокоскоростная система сброса пучка во время перемещения образца, специализированноепрограммное обеспечение для управления сканированием пучком в соответствии с цифровым шаблоном, подготовленным с использованием одной из CAD программ.
На рис. 6.27, заимствованном из работы [68], показана схема коммерческой установки JBX-9300FS, выпускаемой компаниейJEOL [69], с применением термо-полевой электронной пушки.абРис. 6.27. Схематическое представление EBL системы JBX-9300FS:а – общий вид; б – держатель образцов и вспомогательных объектов127Минимальный размер пучка на образце 4 нм с реализуемым током впределах от 50 пА до 50 нА. Частота сканирования до 50 МГц, областьгрубого сканирования 500 × 500 мкм2, область точного сканирования 4 ×4 мкм2 (вторичные отклоняющие катушки) с разрешением 1 нм.Общая схема формирования сфокусированного пучка тяжелых ионов низких энергий в устройствах FIB показана на рис.
6.28. Здесь общиепринципы создания сфокусированного пучка аналогичны системе фокусировки электронных пучков, при этом основным отличием является применение пучка ионов галлия (Ga+) вместо электронного пучка. Ионныйпучок создается при помощи жидкометаллического источника (LMIS), гдеприложение высокого электрического поля вызывает эмиссию положительно заряженных ионов из конического электрода жидкого галлия.Рис 6.28. Схема формирования сфокусированного пучка тяжелых ионов низкихэнергий в устройствах FIBНабор апертур используется для того, чтобы выбрать необходимыйток пучка и обеспечить требуемый размер сфокусированного пучка.
Типичная энергия пучка от 30 до 50 кэВ; наилучшее разрешение, котороеможет быть получено, оценивается величиной 5 – 7 нм.Пучок сканируется по образцу, который установлен в вакуумной камере с давлением на уровне 10–7 Мбарр. В процессе столкновения с поверхности образца эмитируются электроны и рассеянные атомарные и молекулярные образования. Детектирование вторичных электронов позволяет получать изображение поверхности образца в растре сканирования. Бо128лее полное описание принципов работы и приложений можно найти в работе [70].Как и в случае устройств электронно-пучковой литографии специализированный сканирующий микрозонд, предназначенный для целейионно-пучковой литографии, состоит из ионной пушки, зондоформирующей системы и мишенной камеры (рис.
6.29). Здесь в качестве ионнойпушки выступает электростатический ускоритель с анализирующим магнитом, на выходе из которого создается пучок ускоренных легких ионов(H+, H +2 , He+) до энергии нескольких МэВ. Далее происходит его формирование с помощью системы объектного и углового коллиматоров для того, чтобы фокусирующая система, состоящая из мультиплета магнитныхквадрупольных линз, обеспечила фокусировку пучка на мишени в пятно сминимально возможными размерами.Рис. 6.29. Схема формирования сфокусированного пучка легких ионовсредних энергий в ядерном сканирующем микрозондедля целей технологии p-beam writingВ настоящее время наилучшие результаты получены на установкеЦентра Ионно-Пучковых Приложений (CIBA) Национального Университета Сингапура [71, 72]. В качестве ускорителя здесь применен электростатический ускоритель Singletron™ голландской компании HVEE [73] смаксимальным напряжением на кондукторе 3.5 МВ, который обеспечивает высокую монохроматичность пучка ∆E/E=10–5 и яркость около70 пА/(мкм2мрад2 МэВ).129Фокусирующая система состоит из триплета магнитных квадрупольных линз (ОМ52) компании Oxford Microbeam [74] с коэффициентамиуменьшения 228 × 60 и имеет длину около 7 м (от объектного коллиматора до мишени).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
