научная статья по теме ЗОНДОВАЯ ФОТОННО-СТИМУЛИРОВАННАЯ НАНОЛИТОГРАФИЯ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНКИ ТИТАНА Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ЗОНДОВАЯ ФОТОННО-СТИМУЛИРОВАННАЯ НАНОЛИТОГРАФИЯ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНКИ ТИТАНА»

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.

Показать целиком