Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших задач физики твердого тела является создание неоднородных систем и изучение их свойств, систем, которые служат основой современной микроэлектроники. Главное направление развития последней связано со стремлением к дальнейшей миниатюризации электронных приборов. Для изготовления микросхем используются фото-, электронная или ионная литографии, состоящие из большого количества последовательных операций, выполнение которых требует высокой точности согласования элементов и стабильности рабочих условий/1/. Каждый из методов имеет свои ограничения, связанные с физическими причинами. Современный уровень разработки отих методов таков, что минимальные размеры формируемых неоднородностей близки к предельно достижимым. Поэтому каждый очередной шаг в этом направлении дается с огромным трудом, йежду тем такая тенденция обусловлена не только стремлением к уменьшению габаритов и материалоемкости, улучшению весовых характеристик. Значительно большим стимулом является ожидаемое при этом увеличение быстродействия схем, снижение их энергопотребления/2/.
Большие преимущества в этом отношении сулит использование острииного источника, расположенного на малых, сравнимых с атомными расстояниях от подложки/3-5/. Такая геометрия позволяет вследствие ограниченного угла эмиссии и малых размеров острия подвергать обработке участок поверхности чрезвычайно малых размеров. Уменьшение расстояния между острием и подложкой дает еще одно важное преимущество - низкую величину энергии падающих на поверхность частиц, что повышает разрешающую способность и значительно снижает вероятность образования дефектов. Последнее особенно существенно для приборов, имеющих размеры, сравнимые с атомными, в которых появление даже небольшого количества дефектов способно привести к полному изменению характеристик. Практическая возможность реализации , такого метода стала очевидной после создания Бшшигом и Роре-ром/6/ сканирующего туннельного микроскопа. Технические решения, использованные при его создании, позволяют создать лито-
графию нового типа - остриііную нанолитографию. Несмотря на все сложности техническое решение такой задачи можно ожидать уже в ближайшем будущем. Сейчас уже появились работы, .свидетельствующие о предпринимаемых попытках реализации такого метода. Доведение его до уровня технологии требует ясного понимания происходящих физических процессов, их согласования друг с другом, целенаправленного выбора материалов, удовлетворяющих требованиям метода и обеспечивающих необходимые свойства создаваемых систем.
Центральним этапом у наиболее перспективных вариантов ос-трийной нанотехнологии является перенос вещества с острия на подложку. В связи с этим большую актуальность приобретает изучение поведения частиц на острие, особенно при наличии сильных электрических полей у его вершины. Такие исследования широко проводились в автоэлектронном и автоионном микроскопах, однако имеющихся результатов недостаточно для понимания механизмов процессов. Так, систематические результаты по поверхностной диффузии в сильных олектрических полях имелись лишь для отдельных систем ( Ті-- , Au- ,SiO- W, Но -Та, K-Ge) Даже для диффузии щелочных адатомов но металлам такие данные фрагментарны и не дают достаточно полной картины происходящих процессов. Тоже самое относится и к процессам десорбции частиц с острия в сильных электрических полях. Экспериментально подробно исследовано испарение полем тугоплавких металлов, а также десорбция щелочных адатомов с вольфрама. Однако почти полностью отсутствовала информация о поведении адсорбатов другого типа. Между тем именно среди них должны находиться наиболее подходящие для использования в острийной нанолитографии. Наконец, ответственны.? этапом является формирование на подложке неоднородных систем, особенно с участием тонких диэлектрических слоев, важны их деградационные свойства. Исследования такого рода крайне малочисленны.
Целью настоящей работы являлось исследование поведения частиц на острие в сильных олектрических полях - поверхностной диффузии, десорбции, т.е. процессов, определяющих ход „іассопереноса с остриіі, а также изучение механизмов адсорб-
ции и формирования как диэлектрических пленок, так и слоев металлов на них, явлений, которые являются необходимой стадией создания неоднородных систем. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи.
-
Провести исследования поверхностной диффузии и десорбции в сильных электрических полях и на их основе определить круг материалов, которые могут быть использованы для получения локализованного потока частиц при помощи десорбции с вершины острия.
-
Исследэвать процессы формирования и свойства тонких, тун-нельнопрозрачных для электронов пленок диэлектриков на металлах, тех, на основе которых возможно создание неоднородных структур манометровых размеров.
-
Изучить механизмы формирования и свойства пленок металлов на'указанных диэлектрических пленках, определить их термостабильность.
Научная новизна работы заключается, в том, что в рамках настоящего исследования впервые поставлена и решена задача исследования физических процессов при массопереносе-с острий, что можно сформулировать в качестве нового направления исследований в физике твердого тела. В работе впервые выполнено следующее.
-
Проведено экспериментальное исследование поверхностной дифхузии в сильных электрических полях Ва, являющегося ярким представителем электроположительных.адсорбатов, и Qe , связь которого с подложкой имеет преимущественно ковалентний характер, по вольфраму в зависимости от концентрации адсорбата, Полученные результаты позволили критически пересмотреть использовавшиеся ранее представления о механизме влияния поля на диффузию в области концентраций, отличных от нулевых. Предложена модель, учитывающая влияние взаимодействия адатомов на поверхностную диффузию в сильных электрических полях.
-
Исследована десорбция в сильных электрических полях ад-атомов Ва с граней (Oil), (112), (III) вольфрама в зависимости от концентрации адсорбата и температуры. Предложена модель эффективного заряда десорбируемого иона, на основе которой по-
- б -
казано значение электронной структури покидающей поверхность частицы для процесса десорО'ции полем.
-
Вперше изучена десорбция в сильних электрических полях слоев Зс1-моталлов с грани (011) вольфрама и обнаружена сильная зависимость величины десорбирующего поля от структурного состояния адплепки. Показано наличие критической температуры, в результате отжига при которой происходит упорядочение пленки, приводящее к возрастанию десорбирукхцих полей.
-
Методом функционала плотности показана существенность нелинейности отклика поверхности металла на возмущение ее точечным зарядом или диполем при малых расстояниях от поверхности. Это приводит к отклонению энергии их взаимодействия от классического закона сил зеркального изображения, что необходимо учитывать при анализе экспериментальных результатов
по десорбции в сильных электрических полях. Впервые показано слабое влияние осцилляции электронной плотности у поверхности металла на макроскопические характеристики, такие как работа выхода и поверхностная энергия.
5. Экспериментально изучена адсорбция атомов 3d-метал
лов на отдельных гранях вольфрама и молибдена. Обнаружено по
следовательное изменение эмиссионных свойств таких систем при
увеличении атомного номера адатомов во всех случаях, кроме
марганца.
6.-Впервые методами контактной разности потенциалов, оже-спектроскопии, дифракции медленных электронов, спектроскопии характеристических потерь энергии электронов исследованы свойства систем, образующихся при адсорбции В, /?f20j , MqO> LiF на грани (Oil) молибдена, а также механизмы роста этих пленок и их термоустойчивость. Показана возможность применения Ас^О^ и Мй 0 в качестве тонкослойного изолятора в наноэлектронных системах.
7. Изучена совместная адсорбция В и атомов редкоземельных металлов (^-0., Gd)\\s. поверхности тугоплавкого металла Мо (ОН), показана роль конденсационно-стимулированной диффузии в объем пленки в процессе формирования пленочных структур.
-
Проведено сравнительное изучение адсорбции и формирования пленок 3d-металлов на Мо(ОП) и на тонких диэлектрических пленках A^zOi и ЩО , сформированных на металлической подложке. Исследована их термическая стабильность.
-
Проведены расчеты возможных размеров элементов, создаваемых на подложке за счет эмиссии заряженных частиц с острия в сильных электрических полях, и показано, что как при электронном, так и при ионном методах ограничение на минимальные размеры связано с предельно допустимыми для острий токами. Анализ свидетельствует о возможности достижения размеров порядка 30 нм.
-
Впервые проведен анализ и показана возможность использования для литографии направленной термической десорбции, осуществляемой П9И малых расстояниях между испарителем-острием и подложкой вследствие наличия дальнодействующего взаимодействия десорбируемых частиц с подложкой при пониженных температурах. Показана возможность достижения при таком способе предельной разрешающей способности, позволяющей производить атомную сборку элементов нужной топологии.
-
Проведен анализ свойств простых веществ с небольшим удельным сопротивлением, на основе которого определен круг материалов, пригодных для изготовления проводящих электродов в наноэлектронных схемах и не противоречащих требованиям, которые предъявляются острийной нанолитографией.
Основные защищаемые положения.
-
При субмокослойных концентрациях адатомов наличие у поверхности автоионного поля приводит к увеличению скорости поверхностной диффузии, а автоэмиссионного - к замедлению' перемещения'адатомов независимо от зарядового состояния и типа их связи с подложкой. На процесс оказывает большое влияние латеральное взаимодействие адатомов, учет которого обязателен при анализе поверхностной диффузии в сильных электрических полях.
-
При анализе результатов по десорбции в сильных электрических полях (F>I В/Я ) необходимо учитывать электронную струк-
туру десорбируемых ионов, а также отличии энергии взаимодействия заряженных частиц с поверхностью металла от предсказываемой классическим законом сил зеркального изображения. Последнее может приводить к линейной температурной зависимости десор-бирующего поля даже в модели десорбции полем, основанной на этом законе. Величина десорбирующего поля зависит от структурного состояния десорбируемой пленки, она больше для упорядоченных слоев.
-
На поверхности грани (ОН) молибдена возможно создание сплошных монокристаллических пленок, образованных из диэлектрических молекул AljQy Щ 0 . Требуется не болеедвух мономолекулярних слоев для того, чтобы эмиссионные свойства пленок (работа выхода, спектры характеристических потерь энергии электронов, коэффициенты вторичной эмиссии) совпадали с таковыми для массивных диэлектриков.
-
Не наблюдается особенностей в свойствах пленок металла, полученных на туннельно-прозрачных слоях диэлектрика, по сравнению с полученными на металлических подложках. При адсорбции на диэлектрических слоях из окислов такие пленки термически тем устойчивее, чем выше энергия образования окисных соединений этих металлов.
-
Эмиссионные свойства систем, образующихся при адсорбции 3d -металло"в на гранях вольфрама и молибдена, последовательно изменяются с увеличением количества (/-электронов. Исключением является марганец, поведение которого аномально по сравнению с остальными металлами этого периода.
-
Использование острия, расположенного на ангстремных расстояниях от подложки, в качества источника электронов или ионов позволяет получить рисунок с элементами, имеющими линейные размеры порядка 30 нм. Наивысшая локальность массопереноса может быть достигнута при использовании направленной термической десорбции, когда происходит направленный перенос частиц с острия, расположенного на расстояниях менее 10 8 от подложки. При этом возможна локализация места осаждения частицы в пределах 1-2 постоянных решетки подложки.
Степень достоверности и "возмозшостъ практического использования. Достоверность полученных результатов определяется применением наделю апробированных методов, позволяющих проводить исследования в четко контролируемых условиях, а такте хорошим совпадением с известными из литературы результатов тестовых исследовании и хороше:! повторяемостью результатов.
Полученные результаты и их анализ создают реальные предпосылки для разработки методики изготовления неоднородных систем с наномотровымп линейными размерами.
Личный гклад автота. В диссертации обобщены результаты нс-следованпП, выполнонних в І97І-І989 гг. непосредственно автором, а также под руководством автора аспирантшяі Х.О.Кучкаровым, Б.С.Лнджиевим, С.ЇЇ.Ефимовским, А.С.Зубковым, Т.Т.Магкоовік, соискателем Г.А.Рушом. Автору принадлежит выбор направления исследования, постановка задач, определение способов реализации экспериментов, репонио методических вопросов, участие в постановке экспериментов, обработке экспериментальных данных и обобщение результатов исследованш'1.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IG-20 Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике /Махачкала - 1976, Ленинград - 1979, Москва - 1981, Ташкент - І904, Киев - 1987/, .іа П Всесоюзной конференции по квантовой химии твердого тела /Рига - 1985/, на I Всесоюзной конференции по диагностике поверхности /Каунас - 1906/, на II и Ш Всесоюзных совещаниях по автоионной микроскопии /Москва - 1970, Свердловск - 1982/, на ІУ Всесоюзном симпозиуме по вторично-эло-ктропной, фютоэлсктронной эмиссии и спектроскопии твердого тела /Рязань - 1986/, на Всесоюзной іпколе по полевой эмиссионной микроскопии /Валдай - I98G/, на ІУ Всесоюзной конференции "Методы исследований и определения газов в металлах и неорганических материалах /Ленинград - 1979/, па республиканском семтгааре по (Тіизнко поверхности твердых тел. АН УССР /Киев - 1970/, на Всесоюзном совогіаніпі по нанотехнологип квантовых іттеграіьпнх схем Діосква - 1909/, на семинарах отдела физической адектрогапеп и теоретического отдела ФТИ All СССР игл. А.Ф.Иоффе, кафедры квантовой химии твердого тела ЛГУ, отдела физической электроники
института физики АН УССР, Львовского ГУ, кафедры физики ЛЭИС, кафедры физической электроники ЛПИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, а также тезисы 23 докладов, которые были представлены на Всесоюзных конференциях и семинарах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит 396 страниц, в том числе 235 странице машинописного текста, ИЗ рисунков на 95 страницах, 12 таблиц на 23 страницах и список литературы на 48 страницах, включающий 513 наименований.
Похожие диссертации на Физические процессы при массопереносе с острий
