Нанотехнологии на основе полупроводниковых материалов

^ Эффект автоэлектронной (полевой) эмиссии Выше мы отмечали, что при подаче напряжения между зондом и образцом и сближении их на расстояния ~0,5-10 нм в пространстве между ними возникает ток. Это явление называют автоэлектронной (полевой) эмиссией. Автоэлектронная эмиссия представляет собой явление испускания электронов проводящими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности. В сканирующем туннельном микроскопе (^ СТМ) при напряжении между зондом и подложкой 5 В и расстоянии между ними ~0,5 нм возникают электрические поля с напряженностью 108 В/см, сравнимой с внутриатомной. Преимуществами таких полей являются их локальность (радиус закругления менее 20 нм) и низкие приложенные напряжения, которые не могут вызывать ионизацию молекул и атомов в межэлектродном зазоре. ^ Локальный разогрев Плотность туннельного тока может достигать значений 108 А/см2 . Такие сверхплотные значения тока вызывают на подложке локальный разогрев, который может привести к локальным структурным изменениям вещества. ^ Поляризационные эффекты С помощью сильного электрического поля в области между зондом и подложкой возможна заметная поляризация молекул среды и их перестройка. Формируются проводящие молекулярные мостики из адсорбированных молекул. Если между острием зонда и поверхностью поместить жидкий диэлектрик, то также быстро формируются проводящие мостики. Величина минимальной напряженности электрического поля Еmin, при котором образуются проводящие мостики, зависит от свойств среды и температуры. При Е > Еmin поляризованные молекулы будут связаны диполь-дипольным взаимодействием и ориентированы в направлении поля, образуя мостики. При Е < Еmin тепловое движение молекул эти мостики разрушает. ^ Полевое испарение При высоких значениях напряженности электрического поля наблюдается явление испарения ионов электрическим полем. Полевое испарение тесно связано с массопереносом в виде потока положительных ионов. Процесс стационарного полевого испарения может происходить при условии Е > Еp, где Еp- величина минимальной напряжённости поля, при которой начинается полевое испарение в конкретной среде. Если Е < Ер, то вместо испарения ионов будут возникать металлические перемычки (молекулярные мостики) между зондом и подложкой. ^ Локальная упругая и пластическая деформация вещества подложки Электростатическое поле между зондом и подложкой порождает также нормальное к поверхности электродов механическое напряжение, обусловленное действием пондеромоторных сил. Как показывает расчёт, механическое напряжение пропорционально квадрату напряжённости поля ( Е2 ). Величина пондеромоторных сил такова, что достигаются значения, при которых начинается локальная упругая и пластическая деформация вещества подложки. При этом более жёсткий зонд может не деформироваться. Для полупроводниковых подложек, когда внешнее электрическое поле проникает в объём полупроводника, ситуация усложняется, при этом возможна, в частности, локальная глубинная деформация подложек. Механическое взаимодействие зонда с подложкой лежит в основе метода нанолитографии, позволяющего формировать заданный рельеф поверхности. Существует контактная, бесконтактная и локальная глубинная модификации поверхности. ^ Контактное формирование нанорельефа Нередко зонды СТМ и АСМ настолько сильно взаимодействуют с поверхностью подложки, что на ней остаются следы, т.е. зонд может быть использован в качестве микромеханического инструмента для обработки подложки. Для контактного формирования нанорельефа, например, для вытравливания исходной поверхности подложек с помощью СТМ выгодно использовать наличие адсорбата воздуха или другого газа, находящихся на поверхностях зонда и подложки. При пластической деформации подложки под действием зонда за время касания происходит «выдавливание» адсорбата из области соприкосновения. Таким путём, например, производили выравнивание поверхности подложек из золота для проведения последующих технологических операций. В технике контактного формирования нанорельефа поверхности подложек предпочтительно использовать алмазные зонды. Для этого кристаллы алмаза легируют соответствующими примесями для получения достаточной их проводимости. ^ Бесконтактное формирование нанорельефа Бесконтактное формирование нанорельефа представляет собой технологический процесс создания на поверхности металлических подложек заданных наноструктур. Например, с помощью СТМ на поверхности металлической подложки получали массив бугорков определённой конфигурации. В ряде случаев наличие такого бугорка означает один бит информации, а его отсутствие, соответственно, ноль. Локальная деформация подложки может быть осуществлена различными путями. Как уже отмечалось выше, одним из способов является воздействие зонда СТМ путём механического напряжения за счёт электрического поля. Другой способ заключается в локальном тепловыделении при прохождении токов большой плотности через поверхность подложки. В методе бесконтактного формирования нанорельефа целесообразно использовать переменное гармоническое электрическое поле на частотах, лежащих в мегагерцевом диапазоне, в котором исключается возникновение проводящих перемычек между зондом и подложкой. ^ Локальная глубинная модификация поверхности Локальная глубинная модификация поверхности представляет собой технологический процесс создания элементов наноэлектроники в полупроводнике под поверхностью оксидного слоя путем локального изменения физико-химических свойств материала. Для реализации этого процесса наиболее подходящим является контактный метод атомно-силовой микроскопии. Локальная глубинная модификация проводится с помощью проводящего зонда по следующей технологической схеме. К поверхности полупроводниковой подложки, защищённой окисным слоем, подводится острие зонда. Между зондом и подложкой приложено напряжение. Электрическое поле локально проникает в подложку на глубину десятки и сотни нанометров в зависимости от приложенного напряжения. В этой области происходит локальная глубинная модификация полупроводника, при этом рельеф поверхности может практически оставаться без изменения. Процесс локальной модификации полупроводников должен проходить так, чтобы исключить эмиссию электронов с зонда. В противном случае возможен локальный разогрев поверхности и её повреждение. ^ Межэлектродный массоперенос В пространстве между зондом и подложкой возможен межэлектродный массоперенос. Межэлектродный массоперенос с нанометровым разрешением представляет собой технологический процесс создания наноразмерных элементов путём осаждения эмиссированных с острия зонда ионов. В основе процесса межэлектродного массопереноса лежит явление полевого испарения проводящих материалов под воздействием сильных электрических полей. Первоначально это явление использовалось в технике ионной микроскопии. Исследование этого явления позволило сделать вывод, что для получения электрических полей, достаточных для холодной эмиссии ионов, необходимо уменьшать радиус острия зонда. Это требование – одно из основных для зондов СТМ. Для получения нанометрового разрешения при массопереносе необходимо приближать зонд к подложке, что также согласуется с требованиями, предъявляемыми к СТМ. Требования, изложенные выше, являются естественными для СТМ, поэтому с помощью СТМ возможно получение дорожек, канавок, бугорков нанометрового размера. При этом в зависимости от знака потенциала, приложенного к подложке, возможно осаждение на поверхность или снятие с поверхности материала. Для успешного осуществления массопереноса в туннельном микроскопе принципиальное значение имеет состояние острия зонда, которое можно в определённой мере формировать и поддерживать с нужными параметрами с помощью встречного электрического тока и наличия соответствующего электрического поля у острия. ^ Локальное анодное окисление Рассмотрим ещё один физико-химический процесс, который играет важную роль в нанотехнологии - это локальное анодное окисление. Локальное анодное окисление представляет собой технологический процесс трансформации проводящих подложек путём их окисления в диэлектрические структуры с одновременной визуализацией и контролем формирующихся структур. На рис 3. 19. для примера показана схема процесса локального анодного окисления титановой подложки. В обычных атмосферных условиях поверхность образца, как правило, покрыта плёнкой из нескольких монослоёв адсорбата, основу которой составляет вода. В процессе стимулирования током зонда атомного силового микроскопа под зондом образуется мениск. Под острием формируется наноячейка, в которой происходят химические реакции, в результате чего в титановой подложке локально возникает анодный оксид. Толщина образующегося оксида зависит от приложенного напряжения и времени процесса. Таким образом, основными физическими факторами, определяющими процессы нанотехнологии, являются: локальные электрические поля, сравнимые с внутримолекулярными и атомными; сверхбольшие плотности токов до 109 А/см и их электродинамическое воздействие; сверхплотные локальные потоки тепла, вызванные протекающими токами; возможны и внешние инициирующие воздействия. 3.5.3. Нанотехнологии на основе СТМ Атомная сборка С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно не только исследовать электронную и атомно-молекулярную структуры поверхности проводящих материалов, но и формировать нанообъекты из отдельных атомов, используя для этого перенос атомов с помощью острия СТМ вдоль поверхности образца. Для этого вначале необходимые атомы осаждаются на подложку, например, из газовой фазы произвольным образом, а затем с помощью игольчатого электрода СТМ производится атомная сборка по заранее намеченному плану. Зонд СТМ, находясь в непосредственной близости от поверхности (0,5- 1,0 нм), взаимодействует с её атомами. Взаимодействие между зондом и образцом или адсорбатом на его поверхности может осуществляться посредством одного из трех механизмов: 1) за счёт дальнодействующих сил Ван-дер-Ваальса (сил взаимодействия между молекулами) или за счёт короткодействующих сил химической связи на близких расстояниях; 2) за счёт сил электрического поля (в туннельном зазоре в области острия создаются поля до 108 В/см), что достаточно для вырывания атомов электрическим полем – полевое испарение; 3) за счёт неупругого туннелирования электронов. При столкновениях с атомами поверхности или адсорбата туннелирующие электроны вызывают электронное или колебательное возбуждение молекул, что может сопровождаться десорбцией, диссоциацией или изменением конфигурации молекул и даже позволяет производить синтез двух отдельных молекул в одну. Рассмотрим процесс атомной сборки более подробно. Допустим, что на поверхности материала имеется адсорбированный атом, удерживаемый в определённой позиции теми или иными связями с атомами подложки. Когда в процессе сканирования в режиме неизменного туннельного тока зонд подходит к этому адсорбированному атому, его траектория искажается, что и служит источником информации о топологии поверхности. Расстояние между острием и адсорбированным атомом таково, что любые силы между ними малы по сравнению с силами, связывающими атом с поверхностью, так что адсорбированный атом при прохождении над ним острия остаётся на месте. Если острие подходит ближе к адсорбированному атому так, что взаимодействие острия с атомом становится сильнее взаимодействия между ним и поверхностью, острие может потянуть атом за собой. Захваченный атом можно оставить в любой точке поверхности путём увеличения расстояния между острием и подложкой. Процессы захвата и сброса атома с иглы можно сделать более надежными, меняя приложенное к ней напряжение в ту или иную сторону. Адсорбированные на поверхности материала атомы можно таким способом перегруппировать и поатомно строить на поверхности различные наноструктуры. Чтобы такие структуры были стабильными, процесс атомной сборки необходимо проводить при очень низких температурах (температура жидкого азота) и в условиях сверхвысокого вакуума. Возможности ^ СТМ по манипулированию отдельными атомами впервые продемонстрировали сотрудники исследовательского центра корпорации IBM, которые написали трёхбуквенное название своей фирмы, использовав для этой цели 35 атомов инертного газа - ксенона, точно разместив их на поверхности охлаждённого кристалла никеля (рис.3.20.). Вначале поверхность монокристалла Ni (110) была тщательно очищена в сверхвысоком вакууме бомбардировкой ионами аргона и отжигом в кислороде, чтобы убрать связанный с поверхностью углерод. В результате получилась атомно-гладкая грань с прямоугольной элементарной ячейкой. Монокристалл никеля охладили до 4 К и на его поверхность осадили атомы ксенона, которые хаотично расположились на его поверхности. Затем с помощью зонда того же СТМ было осуществлено контролируемое перемещение атомов ксенона в нужные места. Высота каждой буквы 5 нм, атомы ксенона располагались на расстоянии 0,5 нм друг от друга. По-видимому, система Xe-Ni не является исключением и с помощью СТМ возможна атомная сборка и в других системах. Однако, в настоящее время для массового производства этот метод нанотехнологии не годится. Скорее он демонстрирует уникальные возможности СТМ и является пределом микроминиатюризации при создании интегральных наносхем.

Похожие:

	Технология производства строительных материалов нового поколения на безцементной основе Производство теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных поризованных материалов в виде плит и блоков		Учебное пособие по дисциплине «Индустрия гостеприимства» Учебное пособие содержит конспекты лекций, составленные на основе различной учебной литературы, рекомендованной Министерством образования...
	Психоаналитическое исследование Предлагаемая читателю книга написана на основе анализа материалов, полученных при		- Здравствуй, дорогой читатель! Данная книга построена на основе материалов известной воскресной телепередачи «Очумелые ручки»
	Учебное пособие Издательство Золотое Сечение Санкт-Петербург Принципы классификации полимеров и материалов на их основе, используемых в биомедицинских технологиях. 17		Лабораторная работа №1 Цель работы: изучение технологических процессов сборки и монтажа бескорпусных полупроводниковых больших интегральных микросхем
	Тема 1 Основы физики полупроводниковых диодов В полупроводниках удельное электрическое сопротивление принято измерять для 1см3 материала		1. физические основы работы полупроводниковых приборов Энергетические уровни и зоны. Проводники, полупроводники и диэлектрики. Собственная электропроводность полупроводников
	Исследование процесса контактной фотолитографии ...		Народы, миграции, территории Российской империи. Исследование выполнено на основе архивных материалов, многие из которых впервые вводятся в научный оборот, и...