Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 47
Текст из файла (страница 47)
8.38а).6. Зонд для АСМ с углеродной нанотрубкой с закрыты5ми концами. Углеродные нанотрубки прочнее стали, мо5гут иметь диаметр около 0,5 нм при длине до несколькихдесятков мкм. Нанотрубки можно прикреплять к кремние5вым зондам по специальным технологиям. Кремниевый264НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьзонд с нанотрубкой на конце показан на рис. 8.38б. Прииспользовании зонда с нанотрубкой достигается болеевысокое разрешение (см. рис.
8.38в).Результаты применения нанотрубок показали улучше,ние изображений.Сенсоры различного назначения. Кантилевер можетизгибаться не только под действием механической силы,но и при других воздействиях, например, при нагреванииили химических реакциях на его поверхности. Это даетвозможность использовать специальным образом сконст,руированные кантилеверы в качестве сенсоров.Чтобы сделать кантилевер термически чувствитель,ным, его покрывают пленкой из материала с большим, чему тела кантилевера, коэффициентом теплового расшире,ния.
Такой кантилевер изгибается при изменениях тем,пературы на величину ~10–5К.Имеются кантилеверы с прикрепленной химическимспособом биомолекулой на кончике острия зонда. Такойсенсор позволяет обнаруживать отдельные молекулы врастворе (захват молекулы из раствора и связывание ее смолекулой на зонде приводит к изменению резонанснойчастоты кантилевера).Основу химических сенсоров составляют кантилеве,ры, покрытые с одной стороны материалом, вступающимв специфические химические реакции или сорбционныепроцессы с окружающим газом или жидкостью. Химиче,ские процессы приводят к изменению поверхностного ме,ханического напряжения и соответственно к изгибу кан,тилевера.Применение АСМ в нанотехнологиях.
В настоящеевремя АСМ широко используется как многофункциональ,ный аналитический инструмент для исследования струк,туры поверхностей, распределения приповерхностныхсиловых и температурных полей, распределений величин,характеристик физических свойств с нанометровым илидаже с атомным разрешением. Кроме исследовательскихи диагностических целей, АСМ применяется в качествеинструмента для локальных модификаций поверхностейи для нанолитографии.Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ265Для исследования и диагностики полупроводниковыхматериалов и структур используются как СТМ, так иАСМ, но каждый прибор имеет свои преимущества.
СТМ,как правило, дает несколько лучшее разрешение, чемАСМ, хотя атомное разрешение достигается и с помощьюАСМ. Атомно-силовой микроскоп дает изображение реальной поверхности, сканирующий туннельный микроскоп — плотности электронных состояний. С помощьюАСМ нельзя получить информацию об электронных свойствах, что имело бы большую ценность в привязке к топологии поверхности. Для СТМ необходимы хорошо проводящие подложки; при исследовании высокоомных иполуизолирующих полупроводников могут возникнутьтрудности — система обратной связи будет двигать зонддо касания поверхности (чтобы обеспечить необходимуюдля работы микроскопа величину туннельного тока).
Структуру непроводящих поверхностей можно исследовать только с помощью АСМ.8.4.6.ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ АСМДЛЯ ДИАГНОСТИКИПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРДиагностика приборных структур. С помощью разновидности АСМ — электронно-силового микроскопа(ЭСМ) — на поперечных сколах слоистых структур определяется распределение электрического поля и емкости спривязкой к топографическим изображениям. Например,таким способом определяют положение и протяженностьp–n-перехода в лазерных гетероструктурах, а также распределение инжектированных носителей в волноводнойобласти.
Для успешной работы лазера p–n-переход должен находиться в волноводной области.В электронной промышленности АСМ используется дляконтроля качества матриц цифровых видеодисков и выборочного контроля самих дисков, а также пластин для ИМС.Диагностика эпитаксиальных пленок. Это одна изважнейших областей применения АСМ, так как атомносиловой микроскоп дает изображение реального микрорельефа поверхности. Данные о структуре поверхностей266НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьагбдвеРис.
8.39Влияние условий эпитаксиального роста на формирование самоорганизованных массивов квантовых точек германия на поверхностикремния (100). Изображения получены с помощью АСМэпитаксиальных пленок, границ между слоями, типах ираспределениях дефектов, их зависимости от условий рос*та позволяют исследовать механизмы роста и определятьоптимальные режимы роста.С помощью АСМ получены важные данные о процес*сах образования и роста самоорганизованных квантовыхточек. Метод АСМ позволяет определить размеры и фор*му квантовых точек, их распределение по размерам и ихколичество на единицу площади.
Эти данные очень важ*ны для исследования механизмов самоорганизации и кон*тролируемого выращивания квантовых точек для прибор*ных структур.На рис. 8.39 приведены АСМ*изображения, иллюстри*рующие влияние условий роста на формирование самоор*ганизованных массивов квантовых точек германия на по*верхности кремния (100).Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ267Рисунки 8.39а, б, в соответствуют росту слоев германия при700°С; осаждено 5,5; 9 и 11 монослоев германия соответственно.
Нарис. 8.39г, д, е показаны результаты осаждения девяти монослоевгермания при температуре 600, 700,750°С соответственно. Можно видеть, как меняются плотности иразмеры квантовых точек с увеличением количества осажденногоРис. 8.40германия (рис. 8.39а, б, в) и с росАСМизображениетом температуры (рис. 8.39г, д, е).нанокристалловТакая информация необходима Al0,5Ga0,5As на подложкеGaAs. Размер изображедля создания структур с требуемыния — 1´1 мкм2ми свойствами, например структур для лазеров и фотопреобразователей (см.
раздел 8.2).На рис. 8.40 приведен еще один пример АСМизображения нанокристаллов на эпитаксиальной поверхности.В этом случае на подложке арсенида галлия был эпитаксиально выращен буферный слой AlGaAs. Затем на этот слойосаждался слой InGaAs толщиной 10 нм, который распадался с образованием упорядоченного массива нанокристаллов. После отжига при 800°С вокруг нанокристаллов InGaAsобразовались нанокристаллы AlGaAs за счет массопереносаиз буферного слоя.
Как видно из рисунка, нанокристаллыимеют четкую огранку и расположены регулярным образом. В этом случае применение СТМ было бы невозможнымизза высокого удельного сопротивления AlGaAs.Рассмотренные примеры иллюстрируют возможностиАСМ как мощного средства исследования полупроводниковых материалов и наноструктур при нанометровом разрешении.8.4.7.НАНОЛИТОГРАФИЯ НА ОСНОВЕ АСМАСМ, так же как и СТМ, используется не только каканалитический прибор, но и в качестве инструмента длялокального модифицирования поверхности на нанометровом уровне.
Как и в методах на основе СТМ, локальная268НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьмодификация поверхности и нанолитография могут про$изводиться посредством либо механического воздействиязонда на поверхность, либо полевой эмиссии с зонда илипосредством локальных электрохимических реакций (ло$кальное анодное окисление). Используются также взаи$модействие зонда с поверхностью за счет капиллярныхсил, а также комбинированные механическое и химиче$ское, механическое и тепловое воздействия.
Методов нано$литографии на основе АСМ, как и на основе СТМ, разрабо$тано достаточно много. Потенциально наиболее важные дляпрактики — механическая нанолитография поверхности,локальное анодное окисление, перьевая нанолитографияи термомеханический метод, разработанный компаниейIBM для создания терабитных запоминающих устройств.В последнем методе используется не АСМ, а матрица кан$тилеверов с зондами.Механическая наномодификация. Производится непо$средственным механическим воздействием острия зондана поверхность.
Однако даже для такого относительномягкого полупроводникового материала как, например,GaAs метод позволяет получать глубины лишь до 2 нм.На рис. 8.41 приведено АСМ$изображение поверхностиGaAs с линиями, полученными механическим воздействи$ем с приложением (в течение 100 мс) различных сил давле$ния на зонд. Сила увеличивалась от левого нижнего углаизображения к правому верхнему уг$лу. После достижения глубины 2 нмусиление давления не дает увеличенияглубины, но линии становятся шире.Альтернативным способом можетбыть «процарапывание» пленки по$крытия, например фоторезиста тол$щиной ~10 нм, который далее исполь$Рис.
8.41зуетсякак маска для травления. Уда$АСМизображениеповерхностиется добиться деформированных напластины арсенидавсю глубину резиста участков разме$галлия с линиямиром 10–20 нм с шагом ~50 нм.механическоймодификацииНедостаток кремниевых зондов в(площадь сканироэтом методе — коническая или пи$вания 3´3 мкм2)Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ269рамидальная форма получаемого отпечатка. Для оптимиза#ции размеров и формы отпечатка разработана технологиявыращивания сверхтонкого конического уса на острие зон#да.
Длина уса ~1 мкм, радиус кривизны его острия ~2–5 нм.Использование таких зондов позволяет получить шаг в13 нм между формируемыми в фоторезисте элементами.Локальное анодное окисление. Метод широко приме#няется в зондовой нанолитографии (см. п. 8.4.4). Предпоч#тительно используется АСМ с проводящим зондом, так какАСМ дает бо´льшую, чем СТМ, толщину окисла и позволяетодновременно диагностировать поверхность (окисел явля#ется диэлектриком).
Процесс локального анодного окисле#ния применялся для модификации поверхности металлов(Ti, Ta, Al), полупроводников(Si, GaAs) и полупроводнико#вых гетероструктур, а такжедля изготовления активныхэлементов наноэлектроники.Принципиальная схема мето#да анодного окисления при#ведена на рис. 8.42.Обычно процесс проводятв атмосферных условиях, безРис. 8.42погружения системы «зонд#Принципиальная схемаметода локальногоподложка» в жидкость. Воанодного окислениявлажной атмосфере на по#верхностях зонда и подложки имеется несколько моно#слоев адсорбированной воды, которые при сближении зон#да и подложки образуют соединяющий мениск 1. Зонд 2имеет отрицательный потенциал ~10 В относительно под#ложки (подложка должна быть из анодоокисляемого ма#териала).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
