МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 6, с. 403-408
НАНОЛИТОГРАФИЯ
УДК 621.385
ЗОНДОВАЯ ФОТОННО-СТИМУЛИРОВАННАЯ НАНОЛИТОГРАФИЯ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНКИ ТИТАНА
© 2007 г. О. А. Агеев, Б. Г. Коноплев, В. В. Поляков, А. М. Светличный, В. А. Смирнов
Таганрогский государственный радиотехнический университет E-mail: sva@feptsure.ru Поступила в редакцию 12.09.2006 г.
Приведены результаты экспериментального исследования влияния фотонной стимуляции на геометрические параметры структур, полученных на основе пленки титана с помощью зондовой нанолито-графии методом локального анодного окисления (ЛАО). Установлено, что использование потоков некогерентного УФ- и ИК-излучения при ЛАО приводит к повышению однородности геометрических параметров тестовых наноразмерных структур и повышению разрешающей способности нано-литографии. Для подтверждения полученных результатов показано, что использование УФ-стимуля-ции процесса ЛАО позволяет формировать в пленке титана канал шириной 11 нм.
ВВЕДЕНИЕ
С ожидаемой в XXI веке второй квантовой технической революцией связан переход к функционированию наноприборов по квантовым законам [1]. Одной из основных проблем при изготовлении таких приборов является необходимость разработки и совершенствования методов литографии, которые должны обеспечивать воспроизводимость изготовления элементов приборов атомного масштаба.
В настоящее время основными методами литографии при производстве наноразмерных элементов являются литография с использованием экстремального ультрафиолетового излучения (ЭУФ-литография), рентгеновская и электронная литографии, зондовая нанолитография [1-3]. Использование этих методов позволяет создавать мезоскопические наноструктуры с кванторазмер-ными эффектами на основе двумерного электронного газа, а также элементы металлической наноэлектроники и приборы на их основе [1-4].
Однако методы рентгеновской и электронной литографии имеют ряд недостатков, связанных с рассеянием ускоренных частиц в материалах, что приводит к снижению разрешающей способности литографии [5]. Одна из проблем ЭУФ-литогра-фии связана со сложностью фокусировки потоков Уф-излучения с длиной волны 13.4 нм. В этом диапазоне длин волн прозрачных материалов практически нет, и фокусировка осуществляется с помощью полностью отражающей оптики, к которой предъявляются очень жесткие требования, что значительно повышает сложность и стоимость оборудования [1, 2].
Методы зондовой нанолитографии лишены этих ограничений и позволяют создавать функциональные устройства на основе методов атомной сборки и манипуляции наноразмерными объектами (углеродные нанотрубки, фуллерены, нано-кластеры и др.) [2-5].
Одним из перспективных методов зондовой нанолитографии является локальное анодное окисление [2-5]. Однако, локальные флуктуации свойств материалов приводят к нестабильности процессов токо- и массопереноса в зазоре зонд-подложка, следствием этого является неравномерность геометрических параметров оксидных наноструктур и снижение разрешающей способности и воспроизводимости процесса нанолитографии методом ЛАО [6, 7]. Одним из способов решения этой проблемы является введение в зазор зонд-подложка дополнительных активирующих воздействий, которые оказывают определяющее влияние на процессы формирования анодного окисла и снижают влияние флуктуаций свойств материалов [8].
Известно, что фотонная стимуляция процессов окисления оказывает дополнительное воздействие на кинетику роста окисла, а также позволяет модифицировать его свойства [9, 10]. Несмотря на большое количество публикаций, механизм влияния фотонного излучения на кинетику процесса окисления, свойства и параметры оксида достаточно не изучен.
Цель статьи - исследование закономерностей влияния УФ- и ИК-потоков излучения на зондовую нанолитографию пленок титана методом локального анодного окисления с помощью формирования и статистического анализа геометрических параметров тестовых наноразмерных структур.
Геометрические параметры оксидных наноточек
Параметры Без стимуляции УФ-стимуляция ИК-стимуляция
Площадь основания наноточек, х103 нм2 9.5 ± 2 6.7 ± 1.5 6.1 ± 1.5
Максимальная высота наноточек, нм 2.7 ± 0.35 2.6 ± 0.3 2.2 ± 0.18
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
При проведении экспериментальных исследований, локальное анодное окисление проводилось в динамическом режиме атомно-силовой микроскопии (АСМ) на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) Solver P47 Pro (ЗАО "Нано-технология МДТ", г. Зеленоград) с использованием пакетов прикладных программ, оснастки и расходных материалов, поставляемых в комплекте с оборудованием.
В экспериментальных исследованиях процесс ЛАО проводился на пленке титана толщиной порядка 5 нм, сформированной на кремниевой подложке импульсно-плазменным методом.
Растровая нанолитография проводилась с использованием программы управления СЗМ Nova RC1 (1.0.26.907) кантилеверами DSP-20 с проводящим алмазным покрытием при подаче напряжения амплитудой 8 В, и скорости сканирования 2 мкм/с. Относительная влажность воздуха контролировалась с помощью цифрового измерителя влажности Oregon Scientific ETHG913R и составляла 70 ± 1%. В результате, с участием адсорбированной на поверхности образца влаги, происходила химическая реакция окисления и формировались наноразмерные структуры оксида титана по предварительно подготовленному шаблону.
Для изучения воздействия УФ- и ИК-стимуля-ции на процесс локального анодного окисления область, в которой проводилось ЛАО, облучалась УФ-светодиодом (CREE, USA) или ИК-светодио-дом (АЛ-103А) с длинами волн 395 и 900 нм, соответственно. Процесс формирования наноразмер-ных структур оксида титана проводился как при УФ- или ИК-облучении, так и без него.
В качестве тестовой структуры использовался массив наноразмерных точек оксида титана. Выбор структуры обусловлен тем, что, с одной стороны, она обеспечивает достаточное количество объектов для достоверной статистической обработки экспериментальных результатов, а с другой стороны, широко применяется в приборах нано-электроники в качестве матрицы центров рассеяния с регулируемыми топологией и параметрами
(например, при изготовлении баллистических выпрямителей) [5, 11].
Пример АСМ изображения тестовой структуры приведен на рис. 1.
Определение и статистическая обработка параметров сформированных наноразмерных структур проводилась с помощью программного пакета Image Analysis 2.0, результаты которой приведены в таблице. В качестве основных параметров, характеризующих разрешающую способность и воспроизводимость процесса нанолитографии методом ЛАО, использовались средние значения и стандартные отклонения площади основания и максимальной высоты оксидных наноразмерных структур. Плоскость сечения, в которой определялась площадь основания структур, проводилась параллельно плоскости подложки на высоте 0.5 нм.
Затем, используя полученный массив данных и программный пакет MathCAD, построены гистограммы плотности распределения полученных геометрических параметров наноразмерных структур (рис. 2, 3).
Для исследования влияния УФ- и ИК-стимуля-ции на формирование квазиодномерных каналов проводилась растровая нанолитография методом ЛАО на пленке титана. Формирование трех пар линий осуществлялось за один цикл сканирования как с УФ- и ИК-стимуляцией, так без нее (рис. 4).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ представленных данных показывает, что при проведении ЛАО с УФ- и ИК-стимуляцией средние значения и стандартные отклонения площади основания и максимальной высоты наноразмерных структур меньше, чем при проведении нанолитографии без стимуляции (таблица, рис. 2, 3).
Меньшие значения стандартных отклонений указывают на большую однородность геометрических параметров наноразмерных структур при проведении ЛАО с УФ- и ИК-стимуляцией. В сочетании с уменьшением средних значений площади основания, это приводит к увеличению латеральной разрешающей способности и воспроизво-
ЗОНДОВАЯ ФОТОННО-СТИМУЛИРОВАННАЯ НАНОЛИТОГРАФИЯ СТРУКТУР
405
900800700600* 500-1 4003002001000
100 200 300 400 500 600 700 800 900
X, нм
3.02.52.01.51.00.5 0
1.0
X, мкм
Рис. 1. Топология поверхности пленки титана после проведения ЛАО и профилограмма вдоль линии на скане.
димости нанолитографии методом ЛАО при УФ- и ИК-стимуляции.
Создание элементов металлической наноэлек-троники основано на формировании квазиодномерных каналов проводимости в тонких металлических пленках. При поперечных размерах таких каналов порядка 10 нм в них наблюдаются поперечное квантование энергии электронов и квантовые свойства проводимости при комнатной температуре [3-6].
Для проверки полученных выводов и исследования влияния стимуляции фотонным излучением на процессы нанолитографии проводилось форми-
рование наноразмерных каналов методом ЛАО. Растровая нанолитография, по шаблону в виде трех пар линий с одинаковым расстоянием между ними, проводилась на пленке титана при облучении области окисления источниками УФ- и ИК-из-лучения. В результате ЛАО формировались линии из оксида титана, представленные на рис. 4. Анализ показывает, что при УФ-стимуляции между оксидными линиями формировался канал из титана с поперечными размерами порядка 11 нм, однородный по всей длине (рис. 5). В случае отсутствия фотонной стимуляции, и при облучении ИК-излу-чением оксидные линии сращивались, и канал не формировался (рис. 6).
Количество 8
Без стимуляции
Л_J
УФ-стимуляция
д
D
ИК-стимуляция
Количество 8
0 8
6
4
2
0 8
6
4
2
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0
Площадь, нм2
Рис. 2. Гистограмма плотности распределения значений площади основания оксидных наноточек.
Без стимуляции
и
й
й
УФ-стимуляция
ал
лш
ИК-стимуляция
2.0 2.2
1 1 1
8 1 1 1
2.4 2.6
2.8
3.0 3.2 Высота, нм
Рис. 3. Гистограмма плотности распределения значений максимальной высоты оксидных наноточек.
2
2
0
Изменение геометрических размеров формируемого оксида может быть связано с влиянием излучения на процессы образования ионов в области окисления. Из модели низкотемпературного окисления известно, что в процессе формирования оксида участвуют ионы и (OH)-, которые под действием 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.