Применение АСМ в нанотехнологиях.

АСМ - многофункциональный аналитический инструмент для исследования структуры поверхностей, распределения при поверхностных силовых и температурных полей, распределения величин характеристик физических свойств с нанометровым и атомным разрешением. АСМ - инструмент локальной модификации поверхности и для нанолитографии. Структуру непроводящих поверхностей можно исследовать только с помощью атомного силового микроскопа.

Диагностика приборных структур. Разновидность АСМ - электронно-силовой микроскоп(ЭСМ) определяет распределение электрического поля на и емкости на поперечных сколах слоистых структур. Так определяют положение и протяженность -перехода в лазерных гетероструктурах и распределение инжектированных носителей в волноводной области.

В электронной промышленности АСМ используется для контроля качества матриц цифровых видеодисков и самих видеодисков, а также для пластинок для интегральных микросхем.

Диагностика эпитаксиальных пленок. Данные о структуре поверхности эпитаксиальных пленок, границ между слоями, типах и распределениях дефектов, их зависимостей от условий роста позволяют исследовать механизмы роста и определять их оптимальные режимы.

АСМ позволяет определить размеры и формы квантовых точек, их распределение и их количество на единицу площади поверхности. На рис266 приведены АСМ-+изображения показывающие влияние условий роста на формирования самоорганизованных массивов квантовых точек германия на поверхности кремния (100). +Рис266 а,б,в соответствуют росту слоев германия при 700^о С; осаждено 5,5 ,9 и11 монослоев германия соответственно. На рис266г,д,е показаны результаты осаждения девяти монослоев +германия при температурах600, 700, 750^о соответственно. Такая информация необходима для создания структуры лазеров на квантовых точках и фотопреобразователей.

Рис.а)-осаждено5,5 слоев германия, б)осаждено 9 монослоев германия, в)осаждено11 монослоев. Все при 700 С.

г) осаждено 9слоев при температуре 600 С, д)9 слоев при 700 С, е)9 слоев при 750 С.

Эти примеры свидетельствуют, что АСМ- мощное средство исследования полупроводниковых материалов и наноструктур при нанометровом разрешении.

Нанолитография на основе АСМ.

Локальная модификация поверхности и нанолитография производятся механическим воздействием зонда на поверхность или полевой эмиссией с зонда, или локальными электрохимическими реакциями в методе локального анодного окисления.

Механическая наномодификация производится непосредственным механическим воздействием острия зонда на поверхность контактным методом. Для нетвердого арсенида +галлия глубина только 2 нм. На рис 268 приведено АСМ-изображение поверхности с линиями, полученными механическим воздействием на зонд. Сила давления при увеличивалась с левого нижнего угла к правому верхнему углу в течении 100 мс. Для каждой линии. Видно, что глубина остается постоянной (2 нм), ширина линии увеличивается.

Локальное анодное окисление. Предпочтительно используется АСМ с проводящим зондом, чем СТМ., т.к. дает большую толщину окисла и одновременно диагностирует его диэлектрическую поверхность. Процесс локального анодного окисления применяется для модификации поверхности металлов , полупроводников и полупроводниковых гетероструктур, для изготовления активных элементов наноэлектроники. Принципиальная схема метода анодного окисления представлена на рис 269+.

Рис. 1-соединяющий мениск, 2-зонд, 3- слой естественногоокисла, 4-анодный окисел.

Процесс проводят в обычных атмосферных условиях. Без погружения системы «зонд-подложка» в жидкость. Во влажной атмосфере на поверхностях зонда и подложки всегда имеется несколько монослоев адсорбированной воды. Они образуют соединяющий мениск 1 при сближении. Зонд2 имеет отрицательный потенциал относительно подложки из анодоокисляемого материала. При наличии тока между металлическим Ме зондом и полупроводниковой подложкой протекают электрохимические реакции анодирования подложки

,

и реакция окисления кремния

,

где -электроны, - дырки.

На рис 3- слой естественного окисла. 4-анодный окисел, образующийся под зондом. На начальной стадии процесса электроны туннелируют с зонда на подложку через слой естественного окисла. Ионы и ионы , которые образуются в мениске в результате гидролиза воды и двигаются сквозь оксид под действием электрического поля. На поверхности раздела ионы реагируют с дырками . Доставка воды в зазор между зондом и подложкой осуществляется под действием электрического поля с напряженностью . Поле оказывает ориентирующее действие на полярные молекулы воды, что приводит к локальному снижению давления насыщенны паров , пресыщению паровой фазы и доставке воды в мениск.

Процесс окисления идет вглубь подложки. Из-за присутствия кислорода объем окисленного вещества больше исходного объема. Окисленные линии разбухают и выступают над поверхностью на несколько нанометров. Это позволяет видеть окисление с помощью АСМ.

+На рис 270 представлена надпись сделанная проводящим зондом АСМ. На б поверхность после травления. На в приведен массив точек окисла. диаметр точек 44 нм, высота1,2 нм. Расположены на расстоянии 60 нм друг от друга. Они получены подачей импульса напряжения14В при сканировании зонда (обратная связь в импульсе отключалась.)

Процесс проводят в контактном и бесконтактном режимах. Для создания проводящих кантиливеров применяют проводящие покрытия на кремниевых и нитридных кантилеверах.

Перьевая нанолитография (метод нагруженного пера, нанописьмо). Предложен в 1999 г. «Перо» - зонд АСМ. «Бумага» – подложка, «чернила» -жидкие органические вещества или их растворы.

Зонд АСМ рисует чернилами на поверхности подложки. Диапазон ширины линии- от 10нм до1мкм.Скорость движения зонда при записи от нескольких нанометров в секунду до100 нм/сек. Метод медленный, но эффективный для создания прототипов различных приборов, и биотехнологии, фармацевтике и для исследования белков и ДНК.

+Схема процесса перьевой нанолитографии приведена на рис 273.

Рис схема прцесса перьевой нанолитографии.

На зонд АСМ наносится вещество «чернил» осаждением из пара или погружением в раствор с последующей сушкой. Молекулы вещества показаны волнистыми линиями. В атмосферных условиях на поверхностях зонда и подложки всегда имеется несколько монослоев адсорбированной воды., которые образуют мениск при контакте. Форма мениска зависит от относительной влажности и смачивающих свойств подложки и зонда. Молекулы осаждаемого вещества посредством диффузии переносятся через мениск и осаждаются на подложке. Зонд движется вдоль подложки создавая рисунок. Возможно перетекание жидкости с зонда на образец под действием капиллярных сил.

Молекулы «чернил» должны химически связываться с поверхностью подложки, образуя упорядоченные самоорганизованные слои. Тогда нанесенный рисунок прочен и не расплывается. Химическая связь образуется между атомами серы или селена и золотой подложкой.

В качестве «чернил» для золотых подложек используются 1-октадеканетиол (ОДТ) и12-меркаптогексадеканоидная кислота (МНА).

Разрешающая способность (минимальная ширина линий) зависит от радиуса кривизны острия зонда, скорости движения зонда при записи, относительной влажности. Минимальное расстояние между линиями . Линии имеет ширину от 15 нм до нескольких сотен нанометров.

+На рис 274 приведено изображение литографического устройства с8 кантилеверами, изготовленного из единого монокристалла кремния методами микроэлектронной технологии. Устройство дает ширину линий 60 нм при скорости записи0,5 мкм/с, расстояние между кантилеверами -350 нм.

Существует наномеханическое устройство сверхплотной записи данных «Miilipede» («Многоножка»). Плотность записи -0,186 Тбит/см², размер области записи .Основной инструмент записи/чтения матрица содержащая кантилевера с зондами информация хранится в виде последовательностей мест с углублениями («1») и мест с их отсутствием(«0»). Углубления записаны на полимерных пленках нанометровой толщины.

+На рис 276 приведена сканирующая электронная микрофотография чипа с матрицей кантилевера. На изображении чипа показаны нагревательные элементы с каждой стороны матрицы и четыре температурных датчика в углах матрицы. Они позволяют контролировать разность температур между матрицей и средой в 1^оС. На рис втором слева

Увеличенное изображение секции матрицы кантилеверов. На рис третьем слева показаны ячейки отдельного П-образного кантилевера. Справа зонд кантилевера в двух увеличениях. Перекладина в П-образном кантилевере представляет собой нагревательную платформу из высокоомного кремния. Светлой точкой отмечено расположение зонда. Ноги П-образного кантилевера это - и - выводы из низкоомного кремния.

Способ записи –термомеханический. Через кантилевер создается локальное давление на слой полимера и одновременно производится локальный нагрев полимера протеканием тока по П-образному кантилеверу.

В процессе записи на адресную строку в матрице кантилеверов на 20 мкс подается отрицательное смещение, одновременно на столбцы подаются входные данные от мультиплексора. Для «1» положительное смещение, для 0-земля, ток идет через все кантилеверы строки. Фиксируют «1» только кантилеверы с положительным смещением. Ток, идущий через заземленные кантилеверы, недостаточен для размягчения резиста, и эти кантилеверы записывают «0».

В процессе чтения на адресную строку подается отрицательное смещение, а на столбцы-земля(через предохранительный резистор 10 кОм) и кантилеверы поддерживают слабо нагретыми. Во время сканирования измеряют напряжения на резисторах, что позволяет считывать записанные данные.

Рис Слева направо: Увеличенное изображение секции матрицы кантилеверов,

ячейки отдельного П-образного кантилевера, Зонд кантилевера, и выше острие зонда.