Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Расстояние от острия зонда до по верхности в различных устройствах и при различных ре жимах работы изменяется в пределах 0,2–10 нм.Зонд может взаимодействовать с поверхностью по средством туннельного тока, теплообмена, межатомных,электрических или магнитных сил. Перечисленные взаи модействия положены в основу функционирования различ ных видов сканирующих зондовых микроскопов: туннель ного, атомно силового, теплового, микроскопа на электро статических силах, на магнитных силах и т. д.
В каждомслучае локальное взаимодействие движущегося зонда споверхностью сопровождается специфическим сигналом.По совокупности сигналов, полученных при сканирова нии, создается изображение поверхности и одновременноможет определяться поверхностное распределение иссле дуемой величины, например намагниченности, электро проводности, температуры, напряженности электрическо го или магнитного поля. Метод СЗМ обладает высокой раз решающей способностью (вплоть до атомной).С другой стороны, разработаны методы направленно го и контролируемого воздействия зонда на поверхность,например посредством сверхсильных электрических по лей и сверхплотных токов в области острия, локальногомассопереноса, локальных химических реакций, наноин дентирования. На этих воздействиях основан ряд зондо вых нанотехнологий, в том числе локальная модифика ция поверхности, нанолитография, сверхплотная записьинформации, исследование механических свойств веще ства и другие.
Нанолитография достигает своего предель ного разрешения, когда с помощью зонда производитсяперемещение и позиционирование отдельных атомов.Способы и приемы формирования, модификации ипозиционирования элементов нанометровых размеров наповерхности подложек при помощи зондов с острием ле жат в основе зондовых нанотехнологий. Современныйзондовый микроскоп позволяет реализовать до 50 различ ных методик исследования и технологических операций.Зондовые технологии обладают предельной локально стью, возможностью неповреждающего взаимодействия242НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.
Введение в специальностьс поверхностью при ее исследовании, визуализацией на#нотехнологических операций на поверхности.Развитие традиционных методов литографии (см. п. 8.3)может привести к созданию ИМС с элементами менее 10 нм.Развитие зондовых методов открывает перспективы соз#дания элементов на основе отдельных атомов и молекул.Недостатком всех зондовых технологий является пока ихнизкая производительность.Зондовые методы исследования и нанотехнологий при#меняются в диагностике полупроводниковых структур,исследовании процессов эпитаксиального роста, сверхчув#ствительной сенсорике, медицине, биологии и т.
д.Ниже описываются принципы работы двух основныхвидов сканирующих зондовых микроскопов: туннельно#го и атомно#силового, приводятся типичные примеры ихиспользования в нанотехнологиях.8.4.2.СКАНИРУЮЩИЙТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОПСканирующий туннельный микроскоп (СТМ) изобре#тен сотрудниками швейцарского отделения IBM Г. Бин#нингом и Г.
Рорером в 1981 г. (Нобелевская премия 1986 г.).По первоначальному замыслу этот микроскоп был пред#назначен для исследования структуры и профиля поверх#ностей с атомным разрешением. В основу принципа дей#ствия СТМ положена резкая зависимость туннельного токаот ширины потенциального барьера. Сейчас СТМ и дру#гие сканирующие зондовые микроскопы являются основ#ными аналитическими средствами в нанотехнологии.Туннельный ток через тонкий вакуумный промежуток между двумя металлами. На рис. 8.21 представленаэнергетическая диаграмма двух одинаковых металлов,разделенных вакуумным промежутком.Пунктирная кривая вверху — потенциальный барьерна границе металла 1 с вакуумом, A — работа выходаэлектрона из металла.
Если два металлических электро#да разделены промежутком шириной d, то между нимивозникает потенциальный барьер, показанный сплошнойЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ243Рис. 8.21Энергетическая диаграмма двух одинаковых металлов 1 и 2,разделенных вакуумным промежутком шириной d. Между металла"ми имеется разность потенциалов U и туннельный ток JTкривой. При достаточно узком барьере (d ~ 1–10 нм) элек$троны могут туннелировать из одного металла в другой(см. п. 4.7 и формулу 4.14).
При напряжении U = 0 числотуннельных переходов из первого металла во второй и об$ратно одинаково, туннельный ток JT = 0. Если приложитьнапряжение U, то энергетические уровни металлов сдви$гаются относительно друг друга на величину eU и междуметаллами возникает туннельный ток JT, обусловленныйтуннельными переходами электронов металла 1 на свобод$ные уровни металла 2. Для качественных оценок можноиспользовать упрощенную формулу:JT 1 C1U 2 exp(3 C2 2d),(8.2)где j — усредненная высота барьера, C1 и C2 — константы.Из формулы (8.2) видно, что туннельный ток экспо$ненциально возрастает с уменьшением ширины туннель$ного промежутка d.Схема и принцип работы СТМ. Принципиальная схе$ма СТМ приведена на рис.
8.22а. Металлический зонд 1может перемещаться относительно поверхности образца 2в трех направлениях — x, y, z. Перед началом измеренийс помощью трехкоординатного подвижного стола 3 про$изводится грубое позиционирование образца относительно244аНАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьбРис. 8.22Принципиальная схемасканирующего туннельногомикроскопа (а); схема движения зонда при работе СТМв режиме постоянноготуннельного тока (б)зонда. Диапазон перемещений стола по трем направлени!ям составляет несколько сантиметров, точность позицио!нирования — 0,1–1 мкм. Посредством перемещений сто!ла исследуемый участок образца подводится к зонду нарасстояние ~0,1 мкм.Тонкое сканирование и прецизионное вертикальноеперемещение зонда осуществляются с помощью трехкоор!динатного пьезодвигателя 4 (изображение схематическое).Пьезодвигатель состоит из трех пьезоэлементов Px, Py, Pz,каждый из которых изменяет свою длину пропорциональ!но приложенному управляющему напряжению Ux, Uy, Uz.При изменении любого из напряжений Ux, Uy, Uz зонд сме!щается в соответствующем направлении.Движением зонда управляет компьютерная система 5.На пьезоэлементы Px и Py подаются пилообразные напря!жения Ux и Uy, задающие сканирование зонда в направле!ниях x и y.
Размер скана может быть до нескольких мик!рометров, длительность записи одного кадра — от 0,5 се!кунды до нескольких минут. Зонд движется вдоль строки(направление x) сначала в прямом, потом в обратном на!правлении, а затем переходит на следующую строку (в на!правлении y). Запись информации с зонда производитсяна прямом проходе.В рабочем режиме расстояние между зондом и образ!цом по оси z контролируется системой обратной связи 6.На двигатель Px подается напряжение обратной связи Uz,Часть 3.
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ245и двигатель подводит зонд к поверхности образца на та"кое расстояние, при котором туннельный ток JT дости"гает заданной величины. Типичные значения туннель"ного промежутка d ~ 0,5–1 нм, значения JT ~ 1–10 нА,UT ~ 0,1–10 В.Поверхность обладает атомным рельефом, на ней име"ются дефекты и неоднородности. Поэтому при сканирова"нии расстояние между зондом и поверхностью z меняется,следовательно, должен меняться и туннельный ток JT.Над выступом, где зонд ближе к поверхности, туннель"ный ток больше, над впадиной он меньше.
Так как зави"симость JT от d является весьма резкой (экспоненциальной,см. формулу 8.2.), то чувствительность СТМ к изменениямрельефа очень высока.Наиболее часто СТМ работает в режиме постоянноготока, когда JT 1 JT0 1 const. Постоянство JT поддержива"ется при помощи системы обратной связи, в которой зна"чение JT сравнивается с заданным JT0 . С выхода обратнойсвязи на пьезодвигатель Pz подается напряжение Uz, поддействием которого двигатель поднимает зонд над высту"пом или опускает над впадиной до тех пор, пока ток JT недостигнет значения JT0 . Схема движения зонда при ска"нировании в направлении x показана на рис.
8.22б; z —расстояние между зондом и поверхностью (туннельныйпромежуток).Формирование изображения. Значения z (x, y) для ка"ждой пары координат (x, y) поступают в компьютернуюсистему сбора, визуализации и анализа данных. Совокуп"ность величин x, y обычно представляет собой квадратнуюматрицу, состоящую из 256´256 или 512´512 элементов.После обработки данных по специальным программампроизводится их визуализация средствами компьютернойграфики.
Изображения бывают двухмерными (2Dвизуализация) и трехмерными (3Dвизуализация). При 2D"ви"зуализации каждой точке поверхности, в зависимости отвеличины z(x, y), ставится в соответствие определенныйцветовой тон, так что выступы обозначаются более свет"лыми тонами, впадины — более темными, остальные точ"ки — промежуточными тонами. Это — так называемые246НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
