научная статья по теме СОЗДАНИЕ ЛИТОГРАФИЧЕСКИХ МАСОК С ПОМОЩЬЮ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «СОЗДАНИЕ ЛИТОГРАФИЧЕСКИХ МАСОК С ПОМОЩЬЮ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 6, с. 437-447

= ЛИТОГРАФИЯ

УДК 53.086

СОЗДАНИЕ ЛИТОГРАФИЧЕСКИХ МАСОК С ПОМОЩЬЮ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА

© 2015 г. Д. А. Бизяев1, А. А. Бухараев1, 2, С. А. Зиганшина1, Н. И. Нургазизов1, Т. Ф. Ханипов1, А. П. Чукланов1

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского Казанского научного центра Российской АН 2Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский (Приволжский) федеральный университет

E-mail: sufia@kfti.knc.ru Поступила в редакцию 15.02.2015 г.

Представлены экспериментальные результаты по сканирующей зондовой литографии (СЗЛ) — получению литографических масок с помощью сканирующего зондового микроскопа. Полученные методом СЗЛ маски на основе полиметилметакрилата (ПММА) использованы для формирования металлических наночастиц заданных размеров и формы и металлических нанопроволок, соединяющих контактные площадки. Анализ различных режимов СЗЛ показал, что методика точечного ин-дентирования с включенной обратной связью микроскопа является наиболее оптимальной для формирования наночастиц круглой формы. При создании прямоугольных частиц наиболее оптимальной является методика многократного сканирования одной области в контактном режиме. Качество литографических масок можно существенно повысить, если после формирования маски дополнительно использовать химическое травление для удаления лишнего ПММА. Топография и структура намагниченности созданных структур контролировалась методами атомно-силовой и магнитно-силовой микроскопии.

DOI: 10.7868/S054412691505004X

ВВЕДЕНИЕ

Нанолитография — один из основных технологических процессов при создании элементной базы современной микроэлектроники [1, 2]. Для процесса нанолитографии используются ультрафиолетовое и рентгеновские излучения, электронные и ионные пучки. В последнее время существенное развитие получила сканирующая зондовая литография (СЗЛ), в основе которой лежит использование возможностей сканирующей зондовой микроскопии [3, 4]. Выполненные нами и другими авторами исследования показали, что СЗЛ позволяет создавать структуры с размерами всего в десятки нанометров, то есть такого же порядка, как и структуры, создаваемые, например, методами электронно-лучевой литографии [5—7]. СЗЛ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами литографии. Одно из них — относительная дешевизна и доступность этого метода, что является немаловажным фактором, особенно на начальном этапе поисковых исследований. Другое достоинство СЗЛ — это возможность с помощью того же сканирующего зондового микроскопа ^ЗМ), что использовался для нанолитографии, получать информацию о морфологии, магнитных и электрических свойствах сформированной структуры.

Базовыми методами силовой СЗЛ являются статическая и динамическая литография, а также индентирование. Статическая литография (также называемая гравировкой или методом многократного сканирования вдоль одной линии) аналогична процессу сканирования зондом поверхности в контактном режиме, но с заведомо большей силой воздействия зонда на образец. В результате такого воздействия на поверхности формируется рисунок в виде углублений (канавок) с характерным профилем. Данным методом в работе [8] были изготовлены структуры с минимальным размером элементов менее 90 нм, глубиной чуть более 10 нм. Они были получены на поверхности гетероструктур ОаА/АЮаА с помощью алмазного зонда.

В методе динамической литографии (или чеканки) модификация образца осуществляется зондом, сканирующем поверхность в полуконтактном режиме. Сила нажатия зонда на образец в этом случае изменяется регулировкой амплитуды колебаний кантилевера. Таким образом, в данном методе структуры формируются за счет упругой и пластической деформации поверхности при сильных и частых ударах по ней вершины зонда. Минимальный размер структур, нанесенных в данном режиме на пленку диоксида кремния толщиной 1.5 нм, порядка 25 нм [9].

В методе индентирования поверхности неподвижный в плоскости образца зонд вдавливается в модифицируемую поверхность и, как правило, одновременно с этим снимается кривая нагрузка/внедрение. Во всех вышеперечисленных методах СЗЛ, минимальные размеры получаемых структур зависят от геометрических характеристик зонда — радиуса закругления иглы и угла схождения при ее вершине.

В настоящей работе рассматриваются возможности и ограничения СЗЛ методик, позволяющих формировать в защитном полимерном слое маски, для последующего создания металлических наноструктур.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе были использованы атомно-силовые микроскопы (АСМ) фирмы НТ-МДТ (Зеленоград, Россия) Solver P47 и Solver P47Pro. Для исследования морфологии использовались стандартные кремниевые кантилеверы NSG-11 с силовой константой к = 5 Н/м (НТ-МДТ). Для индентирования применялись канитилеверы NSG-20 (радиус закругления вершины зонда 10 нм, к = 48 Н/м, НТ-МДТ) и канитилевер D300 (SCDprobes) с алмазным пирамидальным монокристаллом, закрепленным на кремниевой балке (радиус закругления вершины зонда 5 нм, к = 40 Н/м). Магнитно-силовые измерения проводили с использованием магнитных зондов NSC-19 Co/Cr (Mikromasch) и MFM10 (НТ-МДТ), для регистрации изображений в режиме сопротивления растекания применяли DCP-11 (НТ-МДТ) с радиусом закругления 100 нм.

Успешное создание масок с помощью сканирующей зондовой литографии СЗЛ возможно только на образцах с достаточно ровной поверхностью. Поэтому в качестве подложек в данной работе использовались высокоориентированный пи-ролитический графит (ВОПГ), пластины монокристаллического кремня (КДБ-0.1), пластины монокристаллического кремния, покрытые слоем диоксида кремния толщиной 50—200 нм. Данные подложки имели среднюю квадратичную шероховатость в пределах 0.5 нм для скана 10 х 10 мкм.

Для создания равномерных (по толщине) тонких пленок полиметилметакрилата (ПММА) (Acros Organics, Бельгия) на поверхности подложки была использована следующая методика. Образец закреплялся на оси электродвигателя так, чтобы его поверхность была перпендикулярна оси вращения. Затем на поверхность наносился раствор ПММА в хлороформе (0.55%) и включалось вращение (до 6000 об./мин) на 10—20 с. Подбирая концентрацию раствора и скорость вращения подложки были сформированы пленки ПММА толщиной от 20 до 150 нм. Толщина сформированной

пленки определялась с помощью АСМ как описано в [5]. Полученные пленки ПММА имели среднюю квадратичную шероховатость 0.23 нм. Для полного удаления растворителя пленки ПММА, нанесенные на подложки, отжигались в течение 30 минут при температуре 100°С. Далее в пленке ПММА с помощью СЗЛ создавалась литографическая маска и формировались металлические наноструктуры методами электрохимического осаждения или напыления в вакууме.

Для электрохимического осаждения никеля использовалась трехэлектродная электрохимическая ячейка полярографа Экотест-ВА (Россия). В качестве рабочего электрода применяли образец со сформированной в пленке ПММА литографической маской, вспомогательным электродом была платиновая пластина, электродом сравнения — хло-ридсеребряный электрод. Для электроосаждения никеля на поверхность ВОПГ через литографическую маску ПММА использовался 0.4 моль/л раствор борной кислоты (H3BO3), содержащий 0.05 моль/л сульфата никеля (NiSO4). Для удаления растворенного кислорода электролит предварительно продували аргоном в течение ~15 мин. Осаждение частиц металла проводилось в потенци-одинамическом режиме при циклировании со скоростью 1 мВ/с.

Для напыления металлических пленок (никель, кобальт, медь) использовалась сверхвысо-ковакуумная установка Multiprobe P (фирмы Омикрон, Германия), в камере подготовки образцов которой электронным пучком распылялась металлическая мишень в вакууме 1 х 10-8 мБар. Скорость напыления металла на подложку составляла 0.1 нм/мин. Затем ПММА и лишний металл удалялись с поверхности образца в ультразвуковой ванне с хлорбензолом (методика lift-off).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Литографические маски для изготовления массивов наночастиц металлов

Создание и изучение свойств упорядоченных ансамблей ферромагнитных частиц интересно в связи с успешным развитием нового метода записи информации — термоассистируемого перемаг-ничивания (HAMR) [10, 11]. С помощью СЗЛ возможно создание литографических масок для формирования на подложках таких ансамблей наночастиц с заданными размерами и формой. Одним из основных параметров определяющим размер пор, сформированных методами СЗЛ, является сила взаимодействия зонда с поверхностью ПММА при индентировании. Определить ее можно с помощью анализа кривых атомно-сило-вой спектроскопии (АСС) [5]. Из-за различия в упругих свойствах ПММА и подложки силовые

кривые, получаемые при прокалывании полимера, имеют характерные особенности.

На рис. 1 приведен типичный вид АСС кривых полученных при создании литографической маски. Сплошной линией изображена кривая, полученная на твердой подложке (ВОПГ или кремний) без нанесенного слоя ПММА, в точке 1 наблюдается перелом, соответствующий моменту касания зонда поверхности. Кривая подвода к подложке с нанесенным слоем ПММА изображена пунктирной линией. Здесь наблюдаются две точки перегиба. В точке 2 зонд касается поверхности ПММА. Так как упругость ПММА существенно меньше упругости подложки, то на участке 2—3 кривая имеет меньший наклон к оси абсцисс, чем кривая, полученная на чистой подложке. В точке 3 зонд полностью прокалывает слой полимера и начинает взаимодействовать с поверхностью подложки, на участке 3—4 кривые совпадают. Таким образом, из анализа АСС кривых можно определить момент касания зондом подложки и приблизительно оценить толщину ПММА. Это позволяет по одной контрольной точке инден-тирования задавать глубину проникновения зонда в ПММА и варьировать размеры получаемой маски.

Для выбора оптимальной методики создания литографических масок в пленке ПММА, представляющих собой массив пор, было исследовано четыре методики СЗЛ, зависящих от технических возможностей используемых приборов.

Наиболее пр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»