Введение к работе
Актуальность темы.
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) широко используется в настоящее время для исследования свойств поверхности нанообъектов. Основными применяемыми её методами являются сканирующая туннельная микроскопия, атомно-силовая микроскопия (АСМ), микроскопия электростатических сил (МЭС), магнитно-силовая микроскопия.
С использованием АСМ и проводящих кантилеверов разработан метод модификации свойств поверхности потенциально окисляемых материалов - метод локального зондового окисления (ЛЗО). Метод обеспечивает возможность создания без использования дорогостоящего технологического оборудования ряда элементов наноэлектроники (квазиодномерные проводники, одноэлектронные транзисторы, нанорезисторы и т.д.). Однако, ряд существующих проблем, в частности: низкая его производительность, невысокое качество существующих в настоящее время проводящих кантилеверов сдерживают широкое применение данного метода.
Практический интерес для исследования проводящих нанообъектов, в том числе проводящих элементов наноэлектроники, представляет сканирующая электропроводящая микроскопия (СЭПМ), использующая режим АСМ в контактной моде и проводящий кантилевер, обеспечивающая проведение одновременного измерения топографии поверхности проводящих объектов и исследования картины растекания электрического тока на том же участке поверхности. Однако, несмотря на достоинства метода СЭПМ сведения о нем в литературе малочисленны, практически отсутствуют универсальные методики проведения на его основе измерений.
Поскольку методы ЛЗО и СЭПМ являются перспективными для исследования и модификации электрических свойств поверхности проводящих объектов с нанометровым разрешением, задача более детального их изучения является актуальной.
Цель диссертационной работы - развитие метода локального зондового окисления и сканирующей электропроводящей микроскопии для создания и диагностики наноструктур.
Для достижения поставленной цели решались следующие научно-технические задачи:
Исследование особенностей методики проведения измерений в СЭПМ, методики оценки качества проводящих кантилеверов, методики локального зондового окисления проводящих объектов.
Подготовка образцов сверхтонких металлических и полупроводниковых пленок для последующего их локального зондового окисления.
Определение долговременной стабильности сверхтонких аморфных и поликристаллических металлических пленок.
Разработка метода формирования кантилеверов со сверхтонким проводящим покрытием, характеризующихся пониженным значением радиуса кривизны острия игл.
Уточнение физико-химической модели процесса локального зондового окисления проводящих объектов, учитывающей приборное ограничение величины протекающего электрического тока в системе проводящий кантилевер - проводящий объект.
Исследование особенностей процесса локального зондового окисления, исследование факторов, определяющих разрешающую способность метода.
Исследование влияния свойств потенциально окисляемых материалов на кинетику процесса их локального зондового окисления.
Проведение комплексного исследования процессов и возможностей в сканирующей электропроводящей микроскопии.
Научная новизна.
Предложена уточненная физико-химическая модель процесса локального зондового окисления проводящих образцов, учитывающая приборное ограничение значения протекающего тока в системе проводящий кантилевер - проводящий образец.
Выявлена корреляция толщины естественного оксида на поверхности сверхтонких металлических пленок с их структурой (аморфные и поликристаллические).
Выявлены особенности процесса локального зондового окисления сверхтонких халькогенидных пленок, полученных методом молекулярного наслаивания.
Разработан метод создания кантилевера со сверхтонким проводящим покрытием на основе газофазной карбидизации вольфрама.
5. Из анализа теоретического представления и результатов экспериментального исследования процесса локального зондового окисления выявлены свойства металлов, определяющие кинетику процесса. Сформулированы условия для проведения процесса с повышенной скоростью выращивания оксида.
Практическая значимость работы и использование полученных результатов.
Разработанный метод создания проводящих кантилеверов, характеризующихся пониженным значением радиуса кривизны острия игл, внедрен в ЗАО «НТ-МДГ», ЗАО «Силикон-МДТ».
Результаты исследования метода процесса локального зондового окисления являются основой для корректировки моды «Нанолитография» изготовителями сканирующих зондовых микроскопов. Результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», ГК: № 2008-03-1.3-07-56-011, № 02.513.12.3049, № 2009-03-1.3-07-25-261, по заданию министерства науки и образования РФ: № 762-ГБ-53-Гр.ст.-ИЭМС.
Работа поддержана грантом Президента № НШ - 4097.2008.8, грантом РФФИ № 06-08-81009-Бела.
Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре интегральной электроники и микросистем МИЭТ и используются в курсе лекций «Процессы микро- и наноинтегральной технологии» и соответствующем лабораторном практикуме (учебный план ЭКТ факультета, 9 семестр), направление подготовки 210100.68 "Электроника и микроэлектроника", специальность 210104.65 "Микроэлектроника и твердотельная электроника".
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались на следующих международных и всероссийских научных конференциях и семинарах: 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2005», Москва, 2005; V Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2005", Москва, 2005, Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов
«Индустрия наносистем и материалы», Москва, 2005; Всероссийская
конференция инновационных проектов аспирантов и студентов
«Индустрия наносистем и материалы», Москва, 2006; 9-я
Международной конференция «Опто-, наноэлектроника,
нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск, 2007; 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2008», Москва, 2008; Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008», Москва, 2008; 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2009», Москва, 2009; Всероссийская научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области», Волгоград, 2010; 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2010", Москва, 2010; Международная научно-техническая конференция «Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы», МИЭТ, 2010.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 16 работ, включая 4 статьи, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 положительное решение по заявке на изобретение, 11 - в специализированном сборнике научных трудов, в материалах, сборниках научных трудов и тезисах докладов научно-технических конференций.
На защиту выносятся:
Физико-химическая модель процесса локального зондового окисления проводящих образцов, учитывающая приборное ограничение значения протекающего тока в системе проводящий кантилевер -проводящий образец.
Метод создания кантилевера со сверхтонким проводящим покрытием на основе газофазной карбидизации вольфрама.
Полученная зависимость скорости роста оксида от свойств окисляемого материала в процессе его локального зондового окисления.
Выявленная корреляция толщины естественного оксида на поверхности сверхтонких металлических пленок с их структурой.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, основных результатов и выводов по работе, списка использованных источников из 125 наименований, актов о внедрении и использовании результатов работы. Основное содержание работы изложено на 134 страницах машинописного текста и содержит 92 рисунка и 4 таблицы.
