Содержание к диссертации
Введение
1. Сканирующая зондовая микроскопия - метод исследования и модификации поверхности ...16
1.1. Высокоразрешающие методы анализа и модификации структуры поверхности 16
1.1.1. Методы диагностики и модификации поверхности корпускулярными пучками 16
1.1.2. Фотоиндуцированная модификация поверхности 18
1.1.3. Изменение свойств поверхности направленными пучками заряженных частиц 21
1.2. Диагностика свойств поверхности твердотельным зондом 24
1.2.1. Профилометрия и туннельная микроскопия 24
1.2.2. Сканирующая микроскопия регистрации атомных сил 26
1.3. Преобразование структуры поверхности твердотельным зондом 30
1.3.1. Изменение свойств поверхности полупроводников и металлов посредством вызванного зондом локального анодного окисления 33
1.3.2. Общая модель окисления Вагнера и процессы естественного окисления 36
1.3.3. Модели Кабреры и Мотта 42
Выводы и постановка задач 44
2. Атомно-силовая микроскопия 46
2.1. Основные принципы метода атомно-силовой микроскопии 46
2.2. Режимы взаимодействия иглы атомно-силового микроскопа с исследуемой поверхностью 47
2.2.1. Вибрационные и модуляционные методики ..48
2.2.2. Система позиционирования зонда и система детектирования сигнала 53
2.2.3. Кантилевер - зонд атомно-силового микроскопа 55
2.3. Методы математического анализа изображений поверхности, полученных атомно-силовой микроскопией 56
2.3.1. Tip-эффект 58
Результаты и выводы 61
3. Локальное анодное окисление поверхности зондом атомно-силового микроскопа .62
3.1. Локальное анодное окисление поверхности Si, GaAs 62
3.2. Особенности локального анодного окисления зондом СЗМ 68
3.3. Особенности зондового окисления тонких пленок титана и тонких пленок кремния в системе кремний-на-изоляторе 73
Выводы 79
4. Оптимизация модифрпсации поверхности зондом атомно-силового микроскопа 80
4.1. Физические аспекты взаимодействия иглы с поверхностью в присутствии воды 80
4.2. Электрическое поле в системе зонд-поверхность 96
4.3. Латеральные размеры 102
4.4. Влияние механического напряжения 105
4.5. Механическая модификация поверхности зондом атомно-силового микроскопа 106
4.6. Модификация поверхности GaAs nSi 107
4.7. Локальное анодное окисление поверхности при повышенном анодном потенциале 112
4.8. Комплексная модификация поверхности полупроводников 114
Выводы 117
5. Особенности зондовой нанолитографии 119
5.1. Режимы зондовой нанолитографии 119
Режим ручного управления зондом во время окисления 122
5.2. Артефакты и погрешности изображений атомно-силовой микроскопии 122
5.2.1. Механические и электронные шумы 122
5.3. Влияние шероховатости 124
5.4. Наноразмерные структуры на поверхности гетероструктур AlGaAs/GaAs 127
5.5. О совершенстве наноструктур, полученных локальным анодным окислением иглой АСМ 129
Выводы... 133
Основные результаты и выводы 135
Список использованной литературы: 141
- Диагностика свойств поверхности твердотельным зондом
- Система позиционирования зонда и система детектирования сигнала
- Особенности локального анодного окисления зондом СЗМ
- Локальное анодное окисление поверхности при повышенном анодном потенциале
Введение к работе
Значительный прогресс в структурной диагностике низкоразмерных систем достигнут благодаря развитию и широкому применению методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ): сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и др. [1]. Эти методы, основанные на эффектах взаимодействия заостренной иглы с исследуемой поверхностью, в кратчайшие сроки стали основными инструментариями структурных исследований поверхности в физике, геологии, химии, биологии, медицине. Относительная простота интерпретации получаемых изображений при высокой разрешающей способности и прецизионной точности измерений зондовой микроскопии позволяет решать многочисленные задачи, которые невозможно решить другими экспериментальными методами.
Достоинством методов сканирующей зондовой микроскопии является возможность получения трехмерного изображения рельефа поверхности, формирование которого оптической или электронной микроскопией затруднено и сопряжено со значительными математическими расчетами. Другим преимуществом СЗМ диагностики является способность получения карт распределения по поверхности ряда параметров, таких как потенциал, кулоновский заряд, электрическая емкость, намагниченность, твердость, оптические характеристики и др. Возможности проведения локальной спектроскопии, основанной на взаимодействии зонда-острия с поверхностью, продолжают расширяться, превращая СЗМ в важный инструмент многосторонней диагностики поверхности на наномётровом и даже атомном уровне.
К неоспоримому превосходству методов СЗМ можно причислить способность точного позиционирования острозаточенного зонда относительно исследуемого образца. В частности, это открывает возможность применения
б этих инструментов для создания наноразмерных объектов. В качестве примера, можно привести работы по переносу на острие зонда и укладыванию на поверхности единичных атомов, что является предельным разрешением литографии [2].
Модификация поверхности этим методом обладает высокой локальностью, т.е. не вызывает возмущение подложки в нетронутой области, тогда как, например, ионная или электронная литография может искажать потенциальный профиль получаемой структуры, легировать материал подложки, или даже вводить повреждения, разрушающие структуру. Следует отметить, что приемы СЗМ литографии могут быть реализованы не только в сверхвысоковакуумных условиях, но и воздушной среде, что указывает на их совместимость с существующими кремниевыми технологическими линейками. Достоинством метода нанолитографии СЗМ зондом является возможность проведения в едином цикле прецизионной диагностики рельефа подложки, проведения модификации поверхности и немедленной визуализации полученной структуры, избегая при этом промежуточных процессов нанесения резиста, травления, окисления и т.п.
В последние несколько лет активно исследуются возможности создания наноразмерных объектов на поверхности полупроводников посредством зондовой нанолитографии. Так, например, компания «IBM» разрабатывает несколько видов памяти для электронной промышленности, которая будет основана на технологии «Millepede» модификации поверхности зондом АСМ [3]. Таким образом, изучение физико-химических основ прецизионного наноструктурирования, основанного на взаимодействии иглы с подложкой, является одним из актуальнейших и приоритетных направлений современных нанотехнологий и нанофизики.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Несмотря на многочисленные исследования в области создания твердотельных полупроводниковых наноструктур, в том числе и в области зондовой нанолитографии, отсутствует детальная информация о физических процессах наномодификации поверхности полупроводников и металлов посредством зонда сканирующего зондового микроскопа. Целью настоящей работы является развитие основ нанолитографии для создания действующих наноприборов с уникальными свойствами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Установление особенностей локального анодного окисления и механического воздействия иглы атомно-силового микроскопа на полупроводниковые и металлические подложки.
Определение основных физических факторов, ограничивающих пространственное разрешение модификации подложки иглой атомно-силового микроскопа.
Оптимизация процессов наномодификации поверхности зондом атомно-силового микроскопа для увеличения латерального разрешения и глубины модификации подложки.
Разработка воспроизводимой технологии литографии нанометрового диапазона на основе взаимодействия иглы кантилевера с подложкой.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ
Изучены и дополнены данные о процессах наномодификации поверхности полупроводников и металлов посредством зонда СЗМ, что отражается в следующих результатах:
За счет прецизионных измерений на специально сформированных плоских подложках со средней шероховатостью менее 1 ангстрема, определены или уточнены параметры, характеризующие физические
механизмы локального анодного окисления поверхностей кремния, арсенида галлия, титана и кремния-на-изоляторе.
Показано, что механические напряжения, возникающие на границе между кристаллом и анодным оксидом в объеме кристалла, ограничивают перенос носителей заряда в зону реакции.
Рассчитана модель протекания тока в системе проводящая игла-подложка, учитывающая наличие диэлектрической пленки на поверхности подложки и напряженного слоя в объеме кристалла на границе с оксидом.
Обоснован и успешно реализован механизм уменьшения падения напряжения на слое естественного оксида на поверхности полупроводников за счет формирования в нем каналов проводимости при периодическом механическом разрушении проводящей иглой.
Разработана методика измерения и построены зависимости геометрической формы мениска адсорбированной на подложке водяной пленки при различной влажности и температуре для различного удаления иглы кантилевера от подложки.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ
Практическая ценность работы состоит в разработке технологии нанолитографии на основе модификации поверхности подложки проводящей иглой атомно-силового микроскопа, которая позволяет проведение литографии с глубиной модификации до 1 ООнм, что в несколько раз превышает значения, известные в литературе.
На основе анализа механизмов локального анодного окисления поверхности под зондом атомно-силового микроскопа определены пути управления латеральным разрешением зондовой литографии за счет оптимизации относительной влажности окружающего воздуха и напряжения, прикладываемого к проводящей игле микроскопа.
Предложен способ количественной характеризации адсорбированного на поверхности слоя водяного пара, основанный на анализе взаимодейстия иглы с подложкой при ее приближении и удалении.
Разработаны основы векторной и растровой зондовой нанолитографии, позволяющей формирование низкоразмерных объектов и совместимой со стандартными технологическими маршрутами твердотельной электроники. В частности, методом АСМ литографии созданы электронные интерферометры с радиусом менее 100 нм, которые демонстрировали осцилляции Ааронова-Бома.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ*
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: IV, V и VI Российские конференции по физике полупроводников, 1999, Новосибирск, 2001, Нижний Новгород и 2003, Санкт-Петербург; Scanning Probe Microscopy-2001, 2002, 2003 International Workshop, Nizhny Novgorod; 8-я российская конференция "GaAs и полупроводниковые соединения группы III-V", Томск, 2002; 5-th Russia-Japan seminar on semiconductor surfaces issue, Vladivostok, B-2, 2002; Международное рабочее совещание «Кремний-2002», Новосибирск, 2002; Tenth АРАМ topical seminar and third conference "Materials of Siberia" "NANOSCIENCE AND TECHNOLOGY", Novosibirsk, 2003; 11th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, St Petersburg, 2003; 12th International Conference on ' Scanning Tunneling Microscopy Eindhoven, Netherlands (STM'03); III Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе, Кремний 2003, Москва.
ПУБЛИКАЦИИ
По теме диссертационной работы опубликовано 4 работы по зондовой нанолотиографии, 5 работ по зондовой диагностике в центральных отечественных и международных изданиях и более 20 работ апробированно на ведущих отечественных и международных конференциях.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
Экспериментальные результаты по прецизионному измерению параметров, характеризующих основные физические механизмы локального анодного окисления поверхностей кремния, арсенида галлия и титана, инициированного электростимулирующим воздействием иглы сканирующего зондового микроскопа в атмосферных условиях.
Разработка метода и результаты измерения зависимости геометрической формы мениска адсорбированной на подложке водяной пленки вокруг острия зонда АСМ при различной влажности для различного удаления зонда от поверхности подложки.
Выявление возможности управления латеральными и вертикальными размерами (аспектным отношением) областей локального анодного окисления посредством контроля эффективного сечения реакции при изменении площади смачивания острия кантилевера в приповерхностном слое воды.
Разработка и успешная апробация технологии сверхглубокой (до 100 нм) зондовой нанолитографии с латеральными разрешением менее 40 нм, включающая оптимизацию ряда параметров локального анодного окисления при повышенных потенциалах для минимизации влияния слоя естественного оксида в системе зонд-подложка и релаксацию механических напряжений, возникающих на границе оксид-кристалл.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертационная работа состоит из введения, пяти основных разделов с выводами, заключения с общими выводами и списка литературы из 123 наименований. Основное содержание диссертации изложено на 149 страницах и содержит 44 рисунка.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается обоснование актуальности темы исследования, сформулирована цель работы, указана её новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено Содержание диссертации.
В первой главе рассмотрено современное состояние методов диагностики и модификации поверхности. Анализируются физические факторы, ограничивающие возможности по диагностике поверхности и созданию совершенных поверхностных элементов методами направленных корпускулярных пучков: фотоиндуцированной модификации поверхности, модификации направленными- пучками заряженных частиц. Рассмотрены перспективы и тенденции 1ю совершенствованию методов корпускулярной литографии. Далее изложены и охарактеризованы методы исследования поверхности основанные на эффектах взаимодействии с поверхностью твердотельного острого зонда. В частности рассмотрены особенности сканирующей туннельной микроскопии. Уделено внимание сканирующей микроскопии регистрации атомных сил - атомно-силовой микроскопии.
Проанализированы литературные данные о возможности модификации поверхности твердотельным зондом сканирующих микроскопов. Рассмотрены результаты по изменению свойств поверхности полупроводников и металлов посредством электроиндуцированного зондом локального анодного окисления.
Изложена характеризация локального анодного окисления в рамках современных моделей, описывающих окисление поверхности, как в присутствии внешнего электрического поля, так и в естественных условиях.
На основе анализа литературных данных о модификации поверхности и их соответствия современным физическим моделям сформулированы основные задачи, решаемые в работе.
Вторая глава посвящена исследованию возможностей метода атомно-силовой микроскопии для прецизионной диагностики поверхности. Рассмотрены основные принципы, лежащие в основе регистрации атомных сил острым твердотельным зондом. Анализируются режимы взаимодействия иглы атомно-силового микроскопа с исследуемой поверхностью. Рассмотрены вибрационно-модуляционные методики рыботы атомно-силового микроскопа: контактная, полуконтактная и безконтактная моды сканирования, а так же мода регистрации боковых сил трения. Проанализированы преимущества и недостатки системы позиционирования зонда, основанной на пьезокерамическом сканере, и системы детектирования сигнала, основанной на многосекционном фотодиоде.
Третья глава посвящена исследованию физических механизмов, определяющих локальное анодное окисление поверхности полупроводников и металлов зондом атомно-силового микроскопа. Проведено детальное изучение временных зависимостей интенсивности локального анодного окисления поверхности кристаллов кремния, арсенида галлия и пленок титана.
За счет прецизионных измерений на специально сформированных плоских подложках со средней шероховатостью менее 1 ангстрема, определены или уточнены параметры, характеризующие физические механизмы локального анодного окисления поверхностей кремния, арсенида галлия, титана и кремния-на-изоляторе. Поскольку для различных поверхностей пороговая толщина
оксида в рамках модели Мотта была одинаковой, а различалось только пороговое время, вклад которого в рост логарифмически подавлен, сделан вывод, что именно параметр пороговой толщины оксида, является критическим для увеличения глубины окисления до 10 нм и более.
Четвертая глава посвящена вопросам оптимизации модификации поверхности зондом атомно-силового микроскопа.
Анализируются физические аспекты взаимодействия иглы с поверхностью в присутствии воды. Процесс образования мениска анализируется с учетом реальной формы иглы зонда и шероховатости поверхности. Демонстрируется возможность управления размерами точек локального анодного окисления в контактной моде сканирования посредством контроля эффективного сечения смачивания иглы водой при изменении расстояния до поверхности.
Далее в главе представлены результаты модификации поверхности вторым распространенным методом посредством зонда АСМ непосредственным механическим воздействием иглы на поверхность, -«прямым процарапыванием» [4]. Однако, для относительно мягкого материала GaAs, такой метод позволил получать глубины лишь до 2 нм, после чего начинала наблюдаться критическая деконволюция иглы зонда АСМ. На основе данного результата, был сделан вывод о том, что прямое «процарапывание», также как анодное окисление, не позволяет достичь характерной глубины модификации поверхности более десяти нанометров.
Следующим вопросом, который был рассмотрен в этой главе стало влияние на локальное анодное окисление механического напряжения. Разность в молярных объемах металла (полупроводника) и его оксида ограничивает глубину получаемой методом ЛАО модификации поверхности. Возникающие при анодном окислении механические напряжения в объеме металла (полупроводника) признаются некоторыми рабочими группами, как основные ограничивающие рост при глубинах линий в 5 и более нм. Сравнение энергии
механического напряжения в рамках учета составляющих тензора напряжения с энергией активации диффузии ионов показало, что в интервале максимально возможных упругих напряжений (эластичных) изменение энергии активации диффузии, а, следовательно, изменение диффузии позволит увеличить глубину окисления приблизительно на полпорядка.
На основе детального анализа физических аспектов АСМ-литографии, был предложен метод одновременной механической модификации и анодного окисления поверхности при повышенных потенциалах. Другими словами, реализован метод одновременного приложения на иглу как механического, так и электрического напряжений. «Прямое процарапывание» поверхности иглой АСМ во время роста анодного оксида, с одной стороны, позволило снять естественный оксид с поверхности полупроводника, а, с другой стороны, позволило снять механические напряжения в объеме анодного оксида.
Пятая глава посвящена особенностям зондовой нанолитографии, с точки зрения формирования совершенных структур. Анализируются преимущества и недостатки векторного и растрового способа проецирования изображения на подложку. Рассматриваются артефакты изображения, влияющие не только на интерпретацию получаемой информации, но и на качество получаемых в результате литографии нанообьектов. В рамках вопроса о совершенстве наноструктур анализируется влияние шероховатости модифицируемой поверхности. Представлены наноструктурные объекты, полученные методом одновременной модификации поверхности гетероструктуры AlGaAs/GaAs с эффективным размером менее 100 нм. Рассматривается вопрос о создании периодичных структур. Показана возможность создания структуры с размерами элемента 25 нм и периодом 50 нм. Проанализировано соответствие рельефа поверхности, получаемого после модификации, с реально существующей в объеме геометрией оксида. Определено соотношение высоты анодного оксида к глубине его проникновения в объем для GaAs. Показано сужение латерального
размера части линии локального анодного окисла в объеме по сравнению с выдающейся над поверхностью его частью. Обнаружено соответствие визуально регистрируемой геометрии и физических характеристик получаемых наноструктур.
Список цитированной литературы:
G.Binnig, H.Rorer, Ch.Gerber, E.Weibel, , 57 (1982).
D.M. Eigler and E.K. Schweizer, Nature 344, 524 (1990).
U. Durig, G. Cross, M. Despont, U. Drechsler, W. Haberle, M.I. Lutwyche, H. . Rothuizen, R. Stutz, R. Widmer, P. Vettiger, G.K. Binnig, W.P. King, K.E.
Goodson, Tribology Letters, 9 (2000), 1 (декабрь), 25-32.
4 P.Bertrand-Lambotte, J.L.Loubet, C.Verpy, S.Pavan, Thin Solid Films, 398-399,
306-312,2001.
1. СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ - МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ
Диагностика свойств поверхности твердотельным зондом
Прообразом сканирующих зондовых микроскопов стали профилометры, которые и в настоящее время используются для изучения профиля сечения поверхности вдоль выбранной линии [16] с пространственным разрешением менее 100 нм по горизонтали и 1 нм по вертикали. Ключевой идеей изобретения сканирующей туннельной микроскопии было получение изображения поверхности с атомарным разрешением использованием заостренного твердотельного зонда. Первым сканирующим туннельным микроскопом стал «Topographiner», предложенный в 1971 году Р. Янгом и др. [17,18]. Прибор имел возможность работы в режиме измерения топографии поверхности, автоэмиссионной топографии поверхности, измерения вольтамперных характеристик..Авторы наблюдали на поверхности платины в вакууме моноатомные ступени высотой 0,3 нм, но не ставили перед собой задачи исследовать атомную структуру поверхности. В 1981 г. Г. Биннигом и Г. Рорером в исследовательской лаборатории Швейцарского отделения компании IBM [19] впервые напрямую была охарактеризована атомная структура поверхности кремния (111) посредством сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Идея возникла в ходе работ по исследованию туннельно-прозрачных оксидных слоев на поверхности кремния в условиях сверхвысокого вакуума. К этому моменту различные группы уже наблюдали реконструкцию поверхности кремния 7x7 при помощи дифракции медленных электронов, но это был только образ. Открылись новые возможности для изучения морфологии поверхности различных материалов от микронного до атомного уровня разрешения. Для реализации метода сканирующей туннельной микроскопии было предложено подвести к исследуемой, проводящей электрический ток, поверхности острую, тоже проводящую электрический ток, иглу. При приложении между иглой и поверхностью .электрического напряжения и последующего их сближения можно было регистрировать возникновение, а затем, в зависимости от расстояния между иглой поверхностью, и изменение туннельного тока. В режиме постоянной высоты при горизонтальном смещении иглы вдоль поверхности это изменение туннельного тока и свидетельствовало бы о соответствующем изменения её рельефа. В режиме постоянного туннельного тока расстояние между иглой и поверхностью во время сканирования должно поддерживаться постоянным, что обеспечивается организацией обратной связи по туннельному току. Таким образом, при наличии рельефа на исследуемой поверхности игла должна подниматься или опускаться, повторяя рельеф и сохраняя туннельный ток постоянным.
Движение пьезокерамического сканера, к которому жестко прикреплена игла, при помощи преобразователя и программного обеспечения отображается на мониторе в виде линии, а набор линий с заданным шагом по прямоугольному полю сканирования дает изображение поверхности. Следует отметить то, что для получения качественного изображения поверхности с атомным разрешением необходимо иметь точность поддержания расстояния между иглой и образцом, составляющую доли ангстрема, а так же обеспечивать пошаговое перемещение зонда в латеральном направлении, равное десятым долям ангстрема. Необходимо заметить, что в методе туннельной сканирующей микроскопии регистрируется не рельеф, а электронное состояние поверхности, но в большинстве случаев на однородных по составу образцах эти зависимости подобны. Зависимость туннельного тока I при фиксированном напряжении U от расстояния между иглой и исследуемой поверхностью носит экспоненциальный характер и подчиняется уравнению для плоских электродов и низких напряжений (U«1B). здесь К - константа, V — высота потенциального барьера (для h 2нм близка к работе выхода электрона из металла), Л=10нм" -эВ" — коэффициент пропорциональности и h — расстояние между электродами. Расчет показывает, что для регистрации туннельного тока, равного 1 нА, при напряжении между электродами 1В необходимо подвести иглу зонда на расстояние 5А. Благодаря резкой экспоненциальной зависимости можно получить рекордно малое разрешение по высоте (десятые доли ангстрема), поэтому и возможно увидеть атомную решетку на гладких кристаллах металлов Pt, Au, Ag, Си, [20,21,22,23]. Изобретатели СТМ при измерении туннельного тока обнаружили влияние межатомных сил взаимодействия между атомами иглы и образца.
Это создало предпосылки для разработки атомно-силового микроскопа (АСМ), основанного на принципах межатомного взаимодействия между зондом и поверхностью [24]. Достоинством ACM по сравнению с СТМ является возможность исследования непроводящих объектов, например, биологических. Для реализации измерений межатомных сил ( 10"9Н) в методе АСМ игла располагается на конце «кантилевера» - микроразмерной балки (—200 мкм длиной и -30 мкм шириной) с малым коэффициентом жесткости (-1 Н/м). В контактном режиме сканирования зонд и поверхность находятся в непосредственном соприкосновении, а система обратной связи приближает или отодвигает зонд от поверхности, сохраняя постоянный изгиб балки, т.е. силу взаимодействия между зондом и поверхностью. В наиболее распространенной конструкции АСМ измерение отклонения балки от заданного положения производится с помощью оптического луча полупроводникового лазера, отраженного от напылённого отражающего покрытия обратной стороны балки-кантилевера. Отраженный пучок лазера регистрируется с помощью четырехсекционного фотодиода (Рис. 2). Активное развитие зондовой микроскопии привело, к созданию ближнепольного оптического микроскопа [25,26]. Общий принцип работы микроскопа остался прежним, однако добавилась возможность регистрировать взаимодействие излучения с поверхностью. Для этого зондом в ближнепольной микроскопии служит острозаточенный оптический волновод (Рис. 3). Одновременно с топографическими особенностями стало возможно измерение оптических свойств поверхности: поглощения света, люминесценции, спектральных характеристик вторичного излучения и т.п.
Система позиционирования зонда и система детектирования сигнала
Для исследования поверхности в нанометровом диапазоне размеров требования к высокой точности измерения позиции иглы на поверхности дополняются требованиями к возможности позиционирования иглы в любую точку поверхности как в латеральных направлениях (оси х и у), так и в вертикальном направлении (ось z). Создание такого прецизионного механизма транспортировки иглы (сканера) и стало одним из главных технологических этапов создания сканирующей зондовой микроскопии. Совершенным материалом для этих целей стала пьезокерамика, которая могла обеспечить перемещение иглы (теоретически) вплоть до пикометра. В данный момент активное использование получила пьезокерамика на основе твердых растворов титаната-свинца с антисегнетоэлектриком — цирконатом свинца. Процесс изготовления сканера состоит из нескольких стадий: прессование гранулированного пьезокерамического материала с технологической связкой, обжиг, механическая полировка, химическое нанесение (никелирование) электродов, поляризация. При подаче напряжения на обкладки пьезокерамической пластинки (сканера) она искривляется, и смещает зонд вместе с собой. При сканировании поверхности растровая картина получается следующим способом, - сканер движется вдоль первой линии растра с шагом, определяемым количеством точек в растре, и обратно, затем смещается в перпендикулярном направлении на величину одного шага и повторяет процедуру. При этом для уменьшения эффекта гистерезиса информация считывается при движении только в одном направлении. При движении обратно считывания не происходит. Таким образом, для того чтобы обеспечить работу сканера в трехмерном пространстве необходимо три степени свободы, что обеспечивается двумя пьезотрубками, одна из которых имеет две пары ортогональных обкладок (движение в плоскости ху), а вторая отвечает за движение кантилевера по вертикали (Рис. 10). Если движения сканера в латеральных направлениях контролируется только априори, то по вертикали движения иглы необходимо отслеживать в каждый момент и подавать на вертикальный сканер соответствующее напряжения для увеличения или уменьшения силы взаимодействия кантилевера с поверхностью.
Наиболее распространена относительно дешевая оптическая схема с обратной связью. В этой схеме на обратную по отношению к игле сторону балки (площадь чаще всего колеблется в пределах 20x100 мкм2) кантилевера наносится отражающий слой металла (золото или алюминий). Направленный на нее луч лазера (в сечении около 5 мкм) отражается от поверхности балки и, после отражения от корректирующей системы зеркал, ловится фотодиодом. Фотодиод, состоящий из четырех независимых секций, располагается таким образом, чтобы система зеркал могла направить луч равноценными долями в каждую секцию фотодиода (точно в его середину), и разностный сигнал секций фотодиода был бы равен нулю. Вся процедура проходит при спокойном (невозмущенном) состоянии кантилевера. После того как балка кантилевера изогнется под воздействием сил притяжения (отталкивания) поверхности, луч лазера сместится на фотодиоде так, что в какие-то секции будет попадать фотонов больше, а в какие-то меньше. Разностный сигнал с секций фотодиода и будет полезным сигналом в случае режима постоянной высоты. Если же прибор работает в режиме постоянной силы, то система обратной связи посылает этот сигнал с соответствующим коэффициентом на пьезотрубку, отвечающую за высоту, и кантилевер пытается разогнуться и принять положение, которое было предварительно задано (рабочая точка). Эта схема позволяет зафиксировать отклонения кантилевера соответствующие высотам до 0,2 ангстрем (Рис. 11). Другой способ регистрации изгиба балки является более дорогостоящим и менее распространенным.
Балка кантилевера изготавливается интегрированной пьезокерамикой, и искривления балки корректируются прямой подачей отенциала на балку. Распространены и иные методы регистрации, основанные а эффекте разных КТР (биметаллические пластины) и эффекте лектромагнитной индукции.
Особенности локального анодного окисления зондом СЗМ
На Рис. 16 схематически показано окисление с помощью иглы АСМ. Окисление поверхности с помощью иглы АСМ характеризуется тремя основными механизмами. Первый из них это механизм создания с помощью АСМ возможности существования на поверхности металла (полупроводника) повышенной концентрации ионов кислорода или группы ОН", которые необходимы для окисления. Это достигается тем, что, подавая на иглу кантилевера большой потенциал 10 В, из-за того, что радиус кривизны иглы составляет величину всего несколько нанометров, можно получить локальную напряженность поля около иглы до 107 В/см, что достаточно, чтобы разрывать молекулы на ионы. Второй механизм это образование положительно заряженных ионов полупроводника при притоке к границе полупроводник-оксид дырок. В случае металла мы имеем обеднение электронного газа в зоне металл-оксид. Таким образом, кроме кислородосодержащих ионов в процессе задействованы положительно заряженные ионы металла (полупроводника). Третий механизм, - механизм обмена заряженными частицами, которые необходимы для дальнейшего роста оксида, сквозь оксид металла (полупроводника). Влияния всех трех механизмов являются решающими и критическими. Так при изменении влажности количество ионов на поверхности увеличивается, и линия окисления становится больше. После окисления с помощью АСМ можно измерить высоту оксида hox проросшего из пленки. Когда кончик кантилевера касается поверхности пленки Ті (GaAs), и на него подан отрицательный по сравнению с поверхностью образца потенциал V, то падение напряжения на оксиде Vox будет не совсем такое, как V. Часть напряжения упадет на воде между окислом и кантилевером, также следует учесть падение напряжения на игле. V=Vtip+Vwat+V0X. Если кантилевер хорошо проводит, тогда падением напряжения на игле можно пренебречь.
Слой воды играет роль электролита. Для того, чтобы началось окисление, падение напряжения на воде должно быть выше, чем напряжение необходимое для электрохимической реакции (потенциал Нернста). Таким образом, можно измерить это падение напряжения, зная порог начала окисления. В экспериментах окисления электрическое поле непосредственно у иглы составляло величину 10-10 В/см. Дагата и др. [83] обозначили, что в процессе АСМ-окисления могут играть значительную роль эффекты пространственного заряда. Модель анодного окисления в больших электрических полях с учетом и без учета эффекта пространственного заряда была развита Фромхольдом [84]. Он подчеркнул два важных элемента своей теории: Идея канонических граничных концентраций, подразумевает существование зоны перехода между металлом (полупроводником) и оксидной пленкой так же, как и между оксидной пленкой и кислородной областью. Эти зоны в равновесных условиях представляют собой резервуары различных ионов. Скорость роста определяется током ионов. Изменения в электронном транспорте влияют на концентрацию пространственного заряда, который, в свою очередь, влияет на электрическое поле. Таким образом, были представлены два режима, - предел гомогенного электрического поля и модифицируемого пространственным зарядом электрического поля. В пределе однородного электрического поля (Е=Е0) и в равновесных условиях (J=Jo) ионный ток: Выражение (20) справедливо для h h . Скорость роста окисла: Этот результат хорошо соответствует результату теории Мотта-Кабреры. Разница в том, что в теории Мотта-Кабреры Vm — есть падение напряжения на окисле. Идея контактного потенциала Vm, который образуется из-за большого металл-оксидного барьера, бракуется. В идее большого пространственного заряда электрическое поле будет зависеть от координаты, Ек Ф ЕМ . Электрическое поле можно вычислить, пространственный заряд в хк . Ионный ток будет изменяться под действием электрического поля. Скорость роста оксида в присутствии большого пространственного заряда: Модель Мотта и модель Мотта-Кабреры базируются на методе связанного тока. Ионный и электронный токи должны течь независимо. При любой стадии процесса получается так, что меньший ток управляет процессом роста. Эта картина слишком проста. Более точная модель была развита Фромхольдом [85]. Пусть в данное время на поверхности есть электрическое поле - Ек, которое вызывает электронный транспорт. Если отрицательное поле будет уменьшаться, соответственно, уменьшится транспорт электронов, но увеличится ионный транспорт. Если, наоборот, увеличивать поле, то электронный транспорт растет, а ионный, соответственно, уменьшается. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не наступит стабилизация, изменения тока, вызванные электрополем, прекратятся. Поле, при котором это условие выполняется, это поле, когда ток ионов и электронов равен. Иначе говоря, зарядовый транспорт равен нулю. . Это есть кинетическое условие. Потенциал Vn=E0h сквозь оксид, необходимый для его удовлетворения, есть кинетический потенциал. Ток ионной диффузии может быть найден из для гомогенного поля Ео. Электронный транспорт будет первым транспортом, возникшим в результате электронного туннелирования для тонких пленок, а для толстых пленок в результате термоионной эмиссии. Анализ данных моделей показал, что на ранних стадиях возникновения оксида рост ограничивается ионной диффузией как 4t. Для больших времен он ограничен электронным током, и зависимость роста логарифмическая.
Переход между двумя предельными режимами происходит при каком-то времени ttrans, которое соответствует времени, когда толщина окисла достигает величины порядка 2 нм (зависит от материала). Таким образом, можно сделать вывод о том, что поскольку результаты всех измерений в пределах погрешности описываются логарифмическими прямыми, то кинетику локального анодного окисления можно представить в соответствии с первой моделью окисления Мотта [57,60,61] для t»tlrans: hochjnft/tj, где ttrans - некоторое время для разделения моделей, h - высота оксидной линии, hc - длина, которая характеризуется энергией электрона, / - время окисления, и tc - пороговое время для окисления. Таким образом, полученная логарифмическая зависимость высоты линий окисления от длительности приложения на зонд АСМ анодного потенциала позволяет сделать вывод, что процесс окисления регулируется обменом электронами. При использовании теории Фромхольда [84,85] логарифмическая модель Мотта дополняется членами, отвечающими за пространственный заряд на границах раздела. Следствием этого является стремление величины he к 10 нм и энергии активации анодного окисления к 100 мэВ. Минимальные времена (пороговое время) приложения на зонд потенциала в 10В, при которых регистрировалось локальное анодное окисление, для титана, арсенида галлия и кремния составили величины 1.4x10"4, 6.5ХІ0"4 и 14.5x10 4 соответственно. Пороговая толщина оксида для титана, арсенида галлия и кремния составило величину /гс 0.4 нм. Высота металл-оксидного барьера для просачивания электрона может быть вычислена из формулы пороговой толщины оксида Ьс=п{$,тх0) г, предложенной Моттом. Таким образом, для титана, арсенида галлия и кремния эта величина составила 60 мэВ, соответственно. Эти результаты несколько меньше параметров, полученных в других работах [86,87,88]. Поскольку точность определения пороговой высоты напрямую зависит от точности измерения высот линий, а, следовательно, от начальной шероховатости поверхности, мы считаем, что представляемые в данной работе результаты являются более корректными, так как в данной работе все эксперименты проводились ан. поверхностях с шероховатостями не более 1 ангстрема, что позволило определить пороговую толщину оксида с точностью 20%.
Локальное анодное окисление поверхности при повышенном анодном потенциале
Исследование факторов, лимитирующих анодное окисление, выявило три основных параметра. Первый фактор - это малая разность потенциалов (в подавляющем большинстве случаев это-10 В), которая используется при анодном окислении. Увеличение напряжения при окислении сопровождается неустойчивостью процесса, и как результат, плохой воспроизводимостью нанолитографии [98]. Используемые для локального анодного окисления гладкие поверхности позволили более прецизионно контролировать условия во время процесса модификации, что привело к выявлению оптимальных параметров, при которых количество сбоев минимально на только на этих поверхностях, но и на более грубых. Было обнаружено, что наиболее стабильное локальное анодное окисление наблюдается в двух режимах: минимального прижима к поверхности в полуконтактной моде и максимального прижима к поверхности в контактной моде. Это согласуется с нашим предположением, что именно. рельеф поверхности, а вернее взаимодействие иглы с ним, вносит искажение в стабильное локальное анодное окисление. В первом случае мы попытались минимизировать соприкосновение с поверхностью, позиционируя иглу в менисковом слое, во втором, наоборот, минимизировать сбои связанные с отрывом иглы от поверхности, так как именно переходные процессы в момент касания иглой поверхности — резкое увеличение или уменьшение плотности тока, конфигурации электрополя, по нашему мнению критически влияют на стабильность локального анодного окисления. Рис. 35 представляет топографическое изображение точек локального анодного окисления поверхности иглой АСМ, при приложении на систему игла-поверхность дополнительного анодного потенциала (от 7 до 40 В). Как видно из Рис. 35Ь, высота линии локального анодного окисления составила величину более 30 нм, причем, для этих линий наблюдается хорошее отношение ширина/высота (3/1), что делает его перспективным для создания наноструктур. Анализ полученных результатов по локальному анодному окислению позволил сделать выводы, что дополнительными лимитирующими факторами для окисления могут являться естественный оксид на поверхности, который существенно ограничивает взаимную диффузию ионов, определяющих интенсивность окисления [117] и повышенная механическая напряженность в объеме образца в области роста оксида, обусловленная разными молярными объемами самого полупроводника и его оксида при росте окисла вовнутрь [100] (Рис.3 6а). Можно предположить, что «прямое процарапывание» поверхности иглой АСМ при одновременном приложении на иглу как механического, так и электрического напряжения с одной стороны снимет естественный оксид с поверхности полупроводника, а с другой стороны позволит снять механические напряжения в объеме (Рис.Збс).
С другой стороны снимать естественный окисел необязательно, достаточно создать в нем комплекс трещин и пронизывающих дефектов, по которым сможет течь ионный или электронный (дырочный) ток. Это позволит сохранить целой иглу и значительно улучшить отношение высота/ширина для линии локального анодного окисления (Рис.ЗбЬ). Рис. 37 Топографическое АСМ-изображение поверхности GaAs с линиями модификации иглой АСМ(а), полученными при одном анодном потенциале (10В), но при разных прижимных силах: линия А была получена без приложения дополнительного механического давления на поверхность; линия В получена при приложении механического воздействия на поверхность, ко мнению критически влияют на стабильность локального анодного окисления. Рис. 35 представляет топографическое изображение точек локального анодного окисления поверхности иглой АСМ, при приложении на систему игла-поверхность дополнительного анодного потенциала (от 7 до 40 В). Как видно из Рис. 35Ь, высота линии локального анодного окисления составила величину более 30 нм, причем, для этих линий наблюдается хорошее отношение ширина/высота (3/1), что делает его перспективным для создания наноструктур. Анализ полученных результатов по локальному анодному окислению позволил сделать выводы, что дополнительными лимитирующими факторами для окисления могут являться естественный оксид на поверхности, который существенно ограничивает взаимную диффузию ионов, определяющих интенсивность окисления [117] и повышенная механическая напряженность в объеме образца в области роста оксида, обусловленная разными молярными объемами самого полупроводника и его оксида при росте окисла вовнутрь [100] (Рис.3 6а). Можно предположить, что «прямое процарапывание» поверхности иглой АСМ при одновременном приложении на иглу как механического, так и электрического напряжения с одной стороны снимет естественный оксид с поверхности полупроводника, а с другой стороны позволит снять механические напряжения в объеме (Рис.Збс). С другой стороны снимать естественный окисел необязательно, достаточно создать в нем комплекс трещин и пронизывающих дефектов, по которым сможет течь ионный или электронный (дырочный) ток. Это позволит сохранить целой иглу и торое и без приложения потенциала вызывает локальное разрушение структуры; линия С получена при приложении максимального механического воздействия на поверхность, при котором еще не происходит необратимых локальных изменений структуры. Профиль поверхности вдоль линии ВАС.(Ь).
