Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Как контактный, так и «почти контактный» перенос осушествляют без приложения электрического поля, что затрудняет управление перемещением атомов с помощью внешних воздействий. Полевое испарение основано на способности атомов переходить с подложки на зонд при наличии в зазоре между ними электрического поля.
Его рассматривают как термически активируемый процесс, в котором поверхностные атомы ионизируются приложенным электрическим полем, испаряются и, дрейфуя в этом поле, легче преодолевают потенциальный барьер (барьер Шотгки), отделяющий их от зонда. Такие условия обычно создают для положительно заряженных 22. Методы, основанные на нсноньзовании скан щикзондов Рис. 2.15. Изображение искусственно созданной из 48 атомов железа на подложке Сп(111) кольпеобразной структуры, полученное в сканирующем туннельном микроскопе.
Радиус структуры — 7,13 нм (пнр://внннл1пмдеп, Йвп,созп/т1а/Низу ионов, подавая на подложку положительный относительно зонда импульсный потенциал. Полевому испарению отрицательно заряженных ионов препятствует конкурирующая электронная эмиссия, которая приводит к плавлению зонда при подаче на него потенциала, необходимого для формирования отрицательно заряженных ионов.
Основные закономерности зле ктромиграции в зазоре зонд — подложка такие же, как и в твердом теле. Поток носителей заряда увлекает за собой отдельные атомы как благодаря кулонов- скому взаимодействию, так и вследствие передачи части кинетической энергии движущихся электронов атомам при их прямых соударениях. Атомная электромиграция обратима и не имеет пороговых ограничений по величине напряженности электрического паля в зазоре. Для эффективного наблюдения злектромиграции плотность тока должна быть достаточной для «разогрева» перемещаемых атомов, т.
е. для их перевода в колебательные состояния с более высокой энергией. Классический пример, иллюстрирующий возможности манипулирования атомами на поверхности твердого тела, приведен на рис. 2.15. Эта структура сформирована из атомов железа на поверхности меди. Данное изображение получено с помощью сканирующего туннельного микроскопа и представляет собой распределение плотности электронных состояний, соответствующих атомам железа и меди. Рассмотренные подходы к манипулированию атомами на поверхности подложки составляют основу атомной инженерии. Они позволяют создавать наноразмерные структуры с заданным атомным составом.
Однако следует иметь в виду, что их реальные возможности, ограничения и практическая применимость для различных комбинаций атом — подложка сегодня являются предметом интенсивных научных исследований. Глава 2. Методы ми вания наноэлектромаыхстяукгув 112 вот)росы для сдмопроварки 1. Какие группы процессов испсльзухгг лля манипулирования атомами? 2. Как реализуется перенос атомов с использованием полевой диффузии, скслыкения, контактного переноса, полевого испарения, злекгромиграции? 3.
Какие основные достоинства и недостатки присуши методам атомной инженерии? 2.2.3. Зондовые методы формирования наноструктур Возможносп создания высоких напряженностей электрического паля у острия зонда (до 10и В/м) и высоких плотностей тока между зондом и подложкой (до 10~ А/смв позволяет осуществлять локальное анодное окисление полупроводников и металлов, а также локально осаждать различные материалы. Особенности этих процессов рассмотрены ниже.
2.2.3.1. Локальное окисление металлов и полупроводников Сканирующие зонды позволяют проводить локальное окисление материала подложки. Окисление осуществляется на воздухе с использованием изготовленного из проводящего материала зонда сканирующего туннельного микроскопа или атомного силового микроскопа. Процесс во многом аналогичен обычному электрохимическому анодному окислению.
Примеры локального окисления кремния и пленки металла схематически показаны на рис. 2.16. В режиме анодного окисления на зона подается отрицательное относительно подложки смещение. Влага из окружающей среды служит электролитом. Вследствие капиллярного эффекта и под дей- Скянмреьаьме 1 Рис. 2.16. Локальное зонловое окисление кремния (а) и пленки металла (О) 22 Маюады, аснааанныс на иснсльзаиании снанируюиагл зондов 113 2.2.З.2. Локвлъное химическое осеждеиие из газовой фазы Зондовое локальное химическое осаждение материалов из газовой фазы обычно проводят при комнатной температуре в сканирующем туннельном микроскопе, оснащенном газовым инжектором, сопло которого располагают в непосредственной близости от острия зонда (рис.
2.17). Этот метод опробован на металлах и полупроводниках. В качестве исходных реагентов обычно используют Скамиооаайна , '; еэонл .„"-. Сонно Рис. 2.17. Зонловое локальное хи- мическое осажление материала из газовой фазы станем сильного электрического поля вода конденсируется на острие зонда и обволакивает его. Там молекулы воды диссоциируют (Н,О ++ Н' + ОН ) и находятся в равновесии с продуктами своей диссоциации Н+ и ОН . Электрическое поле разделяет эти ионы, направляя ОН -группы к подложке, где они вступают в химическую реакцию с материалом подложки, неизбежно приводя к его окислению.
Толщина образующегося при этом оксидного слоя зависит от напряженности электрического поля (которое понижает потенциальный барьер для диффузии отрицательных ионов через растущий оксид) и от скорости сканирования. Инлуцированная высокой плотностью тока атомная перестройка поверхности и локальный разогрев также могут влиять на процесс окисления. Закономерности окисления имеют достаточно общий характер лля большинства твердых тел, поэтому методика локального зондового окисления применима ко всем материалам, которые допускают электрохимическое анодное окисление, а таких материалов очень много.
Бездефектные полоски оксидов толщиной 1 — 10 нм получают на кремнии, алюминии, ниобии, титане и других материалах при скорости сканирования от 1 до 1б мкм/с. Их используют как элементы наноэлектронных приборов, а также в качестве маски при последующем селективном травлении.
Это позволяет создавать электронные приборы с размерами элементов менее 1 нм. 114 Гл а в а 2 . Методы формирования нанозлектронных те же соединения, что и при традиционном осаждении материалов из газообразных металлоорганических соединений. Процесс осаждения материала под зондом микроскопа регулируется несколькими механизмами, связанными с действием электрического поля в зазоре зонд — подложка. Сначала в сильном электрическом поле или за счет электронной бомбардировки происходит диссоциация исходных реагентов. Молекулы газа могут также ионизироваться за счет присоединения электронов. Продукты диссоциации дрейфуют в электрическом поле, создаваемом зондом, и адсорбируются только на расположенной непосредственно под острием зонда области поверхности подложки, поскольку напряженность неоднородного электрического поля в этой области максимальна и ионы мигрируют в нее.
Хотя эффективность различных механизмов диссоциации и возбуждения расположенных под зондом молекул газа остается предметом научных дискуссий, это не ограничивает разработку различных вариантов практического использования локального зондового осаждения материалов. Метод обеспечивает нанесение полосок материала толшиной несколько нанометров и шириной 3 — 5 нм. Скорость осаждения составляет около 3 нмз/с. Для контроля процесса локального осаждения в сверхвысоком вакууме могут быть использованы механизмы хемосорбции.
Они основаны на селективной десорбции атомов водорода с поверхности кремния сканирующим зондом. Различие химических свойств чистой и пассивированной водородом поверхности кремния позволяет осушествлять пространственно-селективные химические реакции в нанометровых дегидрогенизированных областях. Эти области затем служат трафаретом для селективного окисления, нитрирования и металлизации путем химического осаждения из газовой фазы. Нанотехнологические методы, использующие скан ируюшие зонды, достаточно перспективны для создания наноразмерных элементов из различных материалов. Они обеспечивают формирование твердотельных квантовых шнуров и квантовых точек с размерами порядка 10 нм и менее. Однако существенным ограничением для широкого применения этих методов является низкая скорость обработки подложек.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
