Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Зонд поднимается (положение 4), атом остается на поверхности нановом месте. Таким способом было написано название«IBM» атомами ксенона на поверхности пластины кристалла никеля (рис. 8.31б). Высота каждой буквы — 5 нм,скорость движения зонда — 0,4 нм/с. Запись производилась при температуре 4 К.253Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИабРис. 8.31Схема перемещения атомаадсорбата по поверхностиподложки (а); аббревиатура«IBM», выполненная методомперемещения атомов ксенона наповерхности пластины никеля (б)абРис.
8.32Стадии сборки «атомногозагона» (а); «загон»в завершенном виде (б)Еще один пример атомной сборки — так называемый«квантовый загон» для электрона. На рис. 8.32а представ%лены промежуточные стадии сборки. На рис. 8.32б изобра%жен «загон» в законченном виде.
Загон образован 48 ато%мами железа на поверхности пластины кремния. Радиускольца из атомов железа — 7,3 нм. Концентрические коль%ца внутри загона — стоячие волны де Бройля электрона,захваченного ловушкой (загоном). Светлые кольца соот%ветствуют максимумам интенсивности волн де Бройля(максимальной вероятности обнаружения электрона).Другие манипуляции атомами. Кроме описанного го%ризонтального перемещения, возможны другие виды ма%нипуляций отдельными атомами и молекулами: диссоциа%ция, синтез (образование химических связей между двумямолекулами), изменение формы больших молекул и т.
д.Описанные операции обеспечиваются неупругими удара%ми туннелирующих электронов, вызывающими элек%тронное и колебательное возбуждение молекул. Пока про%цессы атомных манипуляций далеки от практического254НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьприменения в массовом производстве. Но они, несомненно, могут быть использованы при сборке уникальных наноэлектронных схем.Нанолитография на основе CTM. В нанотехнологияхс применением CTM производится локальная модификация поверхности в нанометровом масштабе посредствомлокального воздействия зондом на поверхность.
В различных методах используются различные физикохимические процессы между зондом и подложкой. Эти процессыстимулируются:· локальными электрическими полями с напряженностью E ~ 108 В/см, сосредоточенными в областях ~20 нмна поверхности подложек;· высокими плотностями токов электронной эмиссии сострия (~ 108–109 А/см2);· локальным разогревом подложки сверхплотным электронным пучком;· полевым испарением атомов с зонда или подложки поддействием электрического поля (E ~ 108 В/см);· локальными химическими реакциями в газовых ижидких средах.Кроме того, зонд CTM может быть использован какмикромеханический инструмент для обработки подложек.Далее рассмотрены несколько примеров CTMмодификации поверхности подложек.Низковольтная электронная литография. Используются электронные пучки, создаваемые туннельным токомс зонда (ускоряющий потенциал Uуск ~ 10–50 В).
Энергияэлектронов пучка по порядку величины равна энергииперевода молекул резиста в состояние с измененной растворимостью, поэтому здесь нет вторичных электронов.Применение низковольтных пучков требует ультратонкихслоев резиста (несколько монослоев). Имеются сообщенияо том, что с помощью CTMэлектронографии полученылинии шириной от 25 до 15 нм.Локальное анодное окисление. В обычных атмосферных условиях поверхности зонда и образца покрыты слоем адсорбированной воды. Толщина слоя зависит от относительной влажности. Например, для SiO2 она лежит в преЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ255делах от 2,5 до 4 нм при относительной влажности от 30до 70% соответственно.
Между зондом и подложкой обра&зуется соединяющий водяной мениск. При наличии токамежду зондом и подложкой возможно проведение реак&ции анодного окисления участка подложки под зондом,если в качестве подложки используются анодоокисляемыематериалы. Например, реакция окисления кремния про&исходит следующим образом:Si + 4h+ + 2OH– ® SiO2 + 2H+.(8.3)Ионы OH– образуются в мениске в результате гидро&лиза и двигаются сквозь оксид под действием электриче&ского поля.
На поверхности раздела Si/SiO2 ионы OH– реа&гируют с дырками h+. На рис. 8.33 приведен рисунок наповерхности кремния, полученный локальным аноднымокислением с последующим травлением кремния. Окиселслужил маской для травления. Изображение получено припомощи атомно&силового микроскопа.В настоящее время метод локального зондового окисле&ния используется и как метод нанолитографии (см. п. 8.4.7),и для изготовления активных элементов наноэлектрон&ных устройств.
Однако процесс преимущественно прово&дится с помощью атомно&силового микроскопа. Подроб&нее этот метод рассматривается в следующем разделе.Осаждение из металлоорганических соединений. Ме&тод состоит в нанесении на подложку металлических ато&мов посредством разложения газообразных металлосодер&жащих соединений в зазоре между зондом и подложкой.Для разложения используется энергия неупругих ударовРис.
8.33АСМизображение рисунка,полученного локальнымокислением поверхностипластины кремния с последующим ее травлением256НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьРис. 8.34Прямолинейные дорожкииз вольфрама на поверхности монокристаллакремния, полученныеразложением W(CO)6под зондом СТМРис. 8.35Совокупность точек,полученных на подложкекремния полевой эмиссией с острия золотогозонда; точки золотаосаждались на подложкупри импульсах напряжения, подаваемого к зондутуннелирующих электронов. Проводились опыты с осаж&дением металлов из соединений W(CO)6, WF6 и диметил&трифторацетилацетоната золота. На рис. 8.34 приведеноизображение прямолинейных дорожек вольфрама, полу&ченных на поверхности монокристалла кремния описан&ным методом.
Ширина линий 20 нм, длина — 800 нм. Подзондом происходило разложение газообразного соедине&ния W(CO)6. Металлический вольфрам осаждался на под&ложку вдоль направления движения зонда. Таким мето&дом были получены линии шириной 10 нм и менее.Массоперенос с острия зонда. Этот процесс возможентолько в условиях высокого вакуума, позволяющего со&хранить чистоту подложки и острия. При наличии полянапряженностью E ~ 109 В/см вблизи поверхности стано&вится возможной десорбция атомов или молекул в видеионов даже при комнатной температуре.
Такие поля соз&даются у острия зонда при напряжении ~10 В. На рис. 8.35приведены СТМ&изображения совокупности точек, полу&ченных с помощью полевой эмиссии с острия из золота.В опытах на зонд подавались импульсы напряжения 10 Вв течение 30 мкс. Диаметры точек ~4 нм, диаметр окруж&ности из точек — 40 нм. Полученные таким образом линиииз точек можно использовать в качестве межсоединений вмикро& и наноэлектронных схемах, а отдельные точки —Часть 3.
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ257в качестве одноэлектронных транзисторов; конфигурация«Au%зонд–Au%кластер–Si%подложка» представляет собойсистему с двумя туннельными переходами.В этом разделе рассмотрено лишь несколько примеров,иллюстрирующих возможности СТМ. В литературе опи%сано множество других методов физических исследованийс помощью СТМ и других нанотехнологий на основе СТМ.Трудно переоценить результаты подобных исследований.Однако до массового применения СТМ в технологии полу%проводниковых приборов пока еще далеко. В настоящеевремя более широкое применение находит другой зондо%вый микроскоп — атомно%силовой — прибор более уни%версальный и с более широкими возможностями.8.4.5.СКАНИРУЮЩИЙАТОМНОСИЛОВОЙ МИКРОСКОПСканирующий атомно%силовой микроскоп (АСМ) впер%вые был сконструирован Г.
Биннингом (одним из авторовСТМ) и его сотрудниками в 1986 г. АСМ, как и СТМ, яв%ляется сканирующим зондовым микроскопом. Уже приразработке СТМ стало очевидным, что между зондом, близ%ко расположенным к поверхности, и поверхностью дейст%вуют относительно большие силы. В АСМ силовое взаи%модействие зонда с поверхностью используется для полу%чения сигнала. В принципе, зондовый атомно%силовоймикроскоп может работать на основе любых взаимодейст%вий — межатомных, электрических, магнитных, тепловыхи др. В настоящее время существует несколько разновид%ностей АСМ, работающих на основе различных взаимодей%ствий.
В наиболее распространенных АСМ используютсямежатомные силы притяжения и отталкивания. Далее рас%сматривается именно этот вариант АСМ. Для АСМ на меж%атомных силах проводимость подложки роли не играет, иможно осуществлять измерения не только на проводящихматериалах, но также на диэлектриках, органических ибиологических материалах. Поэтому АСМ более универ%сален, чем СТМ, и находит более широкое применение какв различных исследованиях, так и в нанотехнологиях.258НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьабРис. 8.36Схема зондового датчика АСМ и оптической регистрацииизгиба кантилевера (а).
Зависимость силы межатомноговзаимодействия от расстояния z между зондоми поверхностью (б)Принцип работы АСМ поясняется на рис. 8.36. Поверхность образца 1 (рис. 8.36а) сканируется зондом 2.Зонд крепится на очень чувствительной к деформациямконсоли 3, которую называют кантилевером; основаниекантилевера 4 скреплено с трехкоординатным пьезосканером, описанным в разделе 8.4.2.
Используются три режима работы кантилевера: контактный, бесконтактный,полуконтактный.Контактный режим. На рис. 8.36б представлена кривая зависимости межатомной силы от расстояния z между острием зонда и поверхностью. При сближении остриязонда и поверхности между ними возникает притяжение,сила притяжения возрастает с уменьшением расстояния(область 2 на рис. 8.36б). На некотором расстоянии электронные облака атомов начинают перекрываться, силаэлектростатического отталкивания облаков при сближении нарастает экспоненциально и ослабляет силу притяжения. На расстоянии z0 ~ 0,2–0,4 нм описанные две силыуравниваются. Когда суммарная сила становится положительной, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
