Диссертация (1104202), страница 7
Текст из файла (страница 7)
2.3).а)б)Рисунок 2.2 — Шаблон структуры, формируемой с помощьюфотолитографии: (а) — шаблон размером 10 × 10 мм2 целиком, содержащий 9изготавливаемых чипов, (б) — один из чипов размером 3 × 3 мм2С помощью фотолитографии задавалась структура из макропроводов,формируемых для соединения исследуемой структуры с электрической аппаратурой. Эти провода сужаются вдоль своей длины с 300 до 7 мкм и ведут кобласти размером 94 × 94 мкм2 . Выбор фотолитографии для этой стадии обусловлен экономией времени при экспонировании больших площадей. Источником глубокого ультрафиолета была дуговая ртутно-кварцевая лампа ДРК-120.Использовалась контактная фотолитография через кварцевый шаблон. Шаблон содержит в себе рисунок сразу 9 одинаковых структур макропроводов размером 3 × 3 мм2 каждая. Далее подложка проявлялась на протяжении 50 с вжидком проявителе, представляющем из себя смесь изопропанола и деионизированной воды в соотношении 93:7 соответственно.
Процедура проявленияпозитивного резиста приводит к удалению экспонированных участков резиста.35Проявитель удалялся с образца путём погружения образца в изопропиловыйспирт с последующим высушиванием спирта на центрифуге.Вторая, более тонкая процедура экспонирования, осуществлялась сфокусированным электронным пучком (рис. 2.1 б). Выбор электронно-лучевой литографии для этой стадии обусловлен лучшим разрешением, позволяющим создавать структуры с характерным масштабом ∼ 10 нм.В каждой из 9 заготовленных фотолитографией областей размером 94 × 94 мкм2 задавалась микроструктура из проводов шириной 1 мкм, ведущих к 12 наноразмерным заготовкамэлектродов молекулярного транзистора (рис. 2.3).а)б)Рисунок 2.3 — Рисунок, задаваемый электронно-лучевой литографией: (а) —вся структура создаваемая в области 94 × 94 мкм2 , (б) — одна из 12 заготовокэлектродов транзистора, содержащихся в этом рисунке размером 5 × 3 мкм2 .Элекронно-лучевая литография проводилась на электронном микроскопе с полевой эмиссией Carl Zeiss Supra 40, оборудованном литографическойприставкой Raith Elphy Quantum.
Экспозиция осуществлялась электронами сэнергией 20 кэВ с шагом 4 нм при дозе 260 мкКл/см2 . Наиболее тонкая частьструктуры — структура будущего нанопровода шириной около 50 нм экспонировалась в режиме одиночного прохода луча вдоль прямой (Single Line mode).
Полученная ширина нанопровода задаётся дозой экспонирования, в данном случаеравной 1100 пКл/см. Совмещение структуры с областью экспонирования проводилось по маркерам, заложенным в фотошаблоне в области 94 × 94 мкм2 . Проявление сформированного электронным пучком рисунка осуществлялась в томже режиме, что и для фотолитографии. Единственная разница заключалась36в термостатировании проявителя при температуре 21∘ для лучшей воспроизводимости размеров получаемых тонких структур. В результате на поверхности подложки сформировалась полимерная маска, частично прикрывающаяподложку (рис. 2.1 в).
Неприкрытые резистом участки подложки называютсяокнами.Далее рисунок полимерной маски переносится в слой металла. В случае“взрывной” литографии это осуществляется в два шага. Первым делом на образец со сформированными окнами в резисте наносится слой металла толщиной меньше слоя резиста (рис. 2.1 г), а затем растворяется полимерная маска(рис. 2.1 д — процедура “взрыва”). Таким образом удаляется весь лишний металл, он остаётся только на незащищённых резистом участках поверхности.
Внашем случае в качестве металла использовалось золото. Напыление проходило в высоком вакууме при давлении ∼ 10−7 − 10−6 мбар в установке LeyboldL-560. Использовалась техника термического вакуумного испарения. Итоговаятолщина напыляемой плёнки — 15 нм. Она контролировалась с помощью кварцевого резонатора. Для обеспечения адгезии золотой плёнки к подложке использовался 2 нм буферный слой Al2 O3 , напыляемый в одном вакуумном циклес золотом методом электронно-лучевого термического испарения. Оксид алюминия был выбран по причине несовместимости классических буферных слоёв(титана и хрома) с описанной в следующем параграфе техникой электромиграции [100]. Дело в том, что проводящий подслой может шунтировать формируемый впоследствие зазор.
Растворение резиста происходило в ацетоне, принеобходимости (в случае некачественного удаления лишних участков металлической плёнки) эта процедура проводилась под ультразвуковым воздействием.Полученная в результате структура показана на рис. 2.4После завершения всех литографических процедур каждая подложка разрезалась на 9 чипов, готовых к соединению с электрической аппаратурой. Врезультате было изготовлено большое количество заготовок электродов транзистора: в сумме около 500 для всех описываемых ниже экспериментов. Изготовленные нанопровода имели сечение около 50 × 15 нм2 в месте наибольшегосужения нанопровода.
Итоговые размеры нанопровода были выбраны с цельюобеспечить достаточную плотность тока в ходе последующего процесса электромиграции. Рядом с каждым нанопроводом на расстоянии 100 – 150 нм былсформирован электрод управления — затвор. Таким образом, разработаннаяметодика изготовления заготовок электродов транзистора позволяет создавать37а)б)10 μm100 nmРисунок 2.4 — СЭМ снимки изготовленной структуры после завершения всехлитографических процедур: (а) — центральный участок чипа размером94 × 94 мкм2 , (б) — одна из 12 заготовок электродов, содержащихся на этомучастке.достаточное для проведения всех интересующих экспериментов и набора статистики по ним количество образцов за сравнительно небольшое количествотехнологических операций. Такой результат был достигнут за счёт использования фотолитографического шаблона, создающего макропровода сразу для 9чипов, а также за счёт проведения фото- и электронно-лучевой литографии наодном и том же слое резиста, что позволило создавать нужную структуру всегоза одну процедуру напыления.2.2ЭлектромиграцияКак уже было сказано в разделе 1.2 настоящей диссертационной работы,для формирования стока и истока молекулярного транзистора, разделённых зазором менее 5 нм, было решено использовать эффект электромиграции атомовметалла в тонких плёнках.
На базе этого эффекта был разработан свой оригинальный метод проведения контролируемого сужения нанопровода, отличающийся полной автоматизацией процесса. Этот метод, а также созданный дляего реализации лабораторный стенд, описаны в данном параграфе. Перед этимописана простая физическая модель эффекта, а также рассмотрены используемые в различных работах техники проведения процесса, на основе которыхсформулированы исходные требования к экспериментальному стенду.382.2.1Физическая модель и мировой опытЭлектромиграция — процесс движения атомов в проводящем материалепод воздействием тока большой плотности.
Основной механизм, приводящий кпоявлению такого эффекта — это передача импульса от свободных электроноватомам при их столкновении. Для эффективного протекания процесса необходимо наличие в кристаллической решётке достаточного количества дислокацийили дефектов. Особенно эффективно процесс протекает на границах зёрен поликристаллической плёнки. Фактически процесс легче рассматривать как движение дефектов в направлении противоположном электронному транспорту.При этом дефекты могут оказываться рядом, постепенно эффективно уменьшая поперечное сечение провода.
Процесс является термически активируемыми протекает эффективнее при нагреве проводника, т. к. в этом случае увеличивается подвижность атомов кристаллической решётки. Для эффективногосужения нанопровода за разумные с точки зрения изготовления образцов времена ∼ 101 − 103 с необходимо создавать плотность тока ∼ 108 А/см2 . Такаяплотность тока обычно достигается путём создания тонкого и узкого участка впроводнике.Основные сложности при попытке создания нанозазоров методом электромиграции связаны, в основном, с возможным перегревом металлической плёнкив области наибольшего сужения и наиболее подробно изучены в работах [101],[102]. Основные выводы этих работ можно понять на основании простой физической модели.
Чтобы создать ток, на систему подаётся напряжение . Напряжение подаётся одновременно на участок, где образуется сужение, имеющийсопротивление (), зависящее от времени, и соединённые с ним последовательно провода, имеющее постоянное сопротивление . Имеются в виду всепровода, ведущие от источника напряжения непосредственно в наноразмернуюобласть. Напряжение на сужающемся участке и, соответственно, джоулево тепло, выделяющееся на нём, описывается формулами: () () + (2.1)2 () 2 ()= ()( () + )2(2.2) () = () =39Как видно из формулы 2.2, поведение системы после инициирования процесса электромиграции с помощью достаточного для этого напряжения зависит от конфигурации экспериментального образца.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
