6.3. Зондовые сканирующие нанотехнологии
В настоящее время самым прецизионным и точным инструментом обработки и контроля ИМС является пучок заряженных частиц – электронов или ионов. Законы, по которым подобные пучки взаимодействуют с твердым телом, лежат в основе той области нанотехнологии, которая связана с получением поверхностных конфигураций в процессе производства ИМС и методом контроля и метрологии. Создание интегральных наноэлектронных квантовых схем является, по существу, конечной целью наноэлектроники. Поэтому необходимой является разработка реальной совокупности способов и приемов создания функциональных элементов нанометровых размеров на поверхности подложек, в том числе элементов из отдельных молекул и атомов, с возможностью одновременной их визуализации и контроля.
Традиционный метод, включающий в себя создание масок на поверхности полупроводниковой пластины с последующим применением микролитографии все более высокого разрешения, в том числе рентгено-, электронолитографии и ионной литографии, а также синхронного излучения, приведет, по всей видимости, к созданию проводящих дорожек с нанометровыми поперечными размерами. Однако создание элементов на основе отдельных молекул и атомов традиционным путем невозможно /1,12/.
В настоящее время сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из наиболее эффективных методов исследования атомной структуры и локальных модификаций поверхности /2/. СЗМ основана на сканировании поверхности твердотельным зондом с тонким острием. Радиус кривизны острия 10-20 нм, в некоторых устройствах может быть менее 10 нм. Расстояние от острия зонда до поверхности в различных устройствах и при различных режимах работы изменяется в пределах 0,2-10 нм.
Зонд может взаимодействовать с поверхностью посредством туннельного тока, теплообмена, межатомных, электрических или магнитных сил. Перечисленные взаимодействия положены в основу функционирования различных видов сканирующих зондовых микроскопов: туннельного, атомно-силового, теплового, микроскопа на электростатических силах, на магнитных силах и т. д. В каждом случае локальное взаимодействие движущегося зонда с поверхностью сопровождается специфическим сигналом. По совокупности сигналов, полученных при сканировании, создается изображение поверхности и одновременно может определяться поверхностное распределение исследуемой величины, например намагниченности, электропроводности, температуры, напряженности электрического или магнитного поля. Метод СЗМ обладает высокой разрешающей способностью (вплоть до атомной).
С другой стороны, разработаны методы направленного и контролируемого воздействия зонда на поверхность, например посредством сверхсильных электрических полей и сверхплотных токов в области острия, локального массопереноса, локальных химических реакций, наноиндентирования. На этих воздействиях основан ряд зондовых нанотехнологий, в том числе локальная модификация поверхности, нанолитография, сверхплотная запись информации, исследование механических свойств вещества и другие. Нанолитография достигает своего предельного разрешения, когда с помощью зонда производится перемещение и позиционирование отдельных атомов.
Способы и приемы формирования, модификации и позиционирования элементов нанометровых размеров на поверхности подложек при помощи зондов с острием лежат в основе зондовых нанотехнологий. Современный зондовый микроскоп позволяет реализовать до 50 различных методик исследования и технологических операций. Зондовые технологии обладают предельной локальностью, возможностью неповреждающего взаимодействия с поверхностью при ее исследовании, визуализацией нанотехнологических операций на поверхности.
Развитие традиционных методов литографии /9/ может привести к созданию ИМС с элементами менее 10 нм. Развитие зондовых методов открывает перспективы создания элементов на основе отдельных атомов и молекул. Недостатком всех зондовых технологий является пока их низкая производительность.
Зондовые методы исследования и нанотехнологий применяются в диагностике полупроводниковых структур, исследовании процессов эпитаксиального роста, сверхчувствительной сенсорике, медицине, биологии и т. д.
Создание наноэлектронных элементов, функционирующих на новых принципах, должны сопровождаться разработками соответствующей исследовательской и технологической аппаратуры. К такой аппаратуре относятся прежде всего сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и сканирующий атомно-силовой микроскоп (ACM) /2,4/.
Сканирующий туннельный микроскоп (1981) дает изображение металлических и полупроводниковых поверхностей с атомным разрешением. Он позволяет перемещать отдельные атомы вдоль поверхности, переносить их и помещать в заданные точки, производить поштучную укладку атомов и молекул, синтез и разложение отдельных молекул. Разработаны новые методы исследования морфологии поверхностей и распределения физических свойств поверхностей с атомным разрешением, а также методы локальной обработки и модификации поверхностей в масштабе единиц нанометров.
Сканирующий атомно-силовой микроскоп (1986) - это многофункциональный инструмент. Он дает, как и СТМ, изображение поверхностей с атомным разрешением. Используется для исследования морфологии поверхностей, распределений приповерхностных силовых и температурных полей, распределений физических свойств поверхностей и для исследования поверхностных процессов (например, травления). Используется, как и СТМ, для локальных модификаций поверхностей в нанометровом масштабе. На основе АСМ ведутся разработки ультраплотной записи информации и сверхчувствительных сенсоров.
Отечественные исследователи разработали свой вариант нанотехнологической установки на основе СТМ, схема которой представлена на рис. 6.20 /4/.
Важно отметить, что величина зазора значительно меньше величин межатомных и межмолекулярных расстояний в окружающем зазор газе (20-80 Ả). Поэтому можно считать, что туннельный ток в зазоре практически протекает в вакууме. При этом напряженность электрического поля в зазоре, даже при слабых управляющих напряжениях порядка милливольт, достигает весьма значительных величин порядка 106 В/см и выше. Ток в зазоре при стабилизированном управляющем напряжении линейно зависит от величины зазора. При изменении величины зазора на 1 Ả величина тока изменяется в 10 раз. Измеряя туннельный ток, можно с помощью пьезопреобразователей регулировать или стабилизировать величину зазора с точностью не ниже 0,1 Ả. При указанных величинах электрических полей диаметр пучка туннельных электронов, протекающих в вакууме между зазором и подложкой, составляет порядка 1,0-1,5 Ả.
В установке предусмотрена возможность откачки и напуска в активный объем необходимых жидких или газообразных реактивов. Естественно, что вся конструкция технологической
Рис. 6.20. Схема нанотехнологической установки: 1 - подложка, 2 - зонд, 3 - источник питания, 4 - зазор между зондом и подложкой, 5 - усилитель туннельного тока, 6 - динамический регулятор зазора на основе пьезоманипуляторов, 7 - приспособление для напуска газообразных и жидких реактивов, 8 - система прецизионного позиционирования подложки
камеры изготовлена из коррозионно-стойких материалов. Это обстоятельство существенно отличает нанотехнологическую установку от туннельного микроскопа. Отметим также, что во избежание влияния внешних сейсмических и акустических воздействий, вся установка снабжена системой пассивной, а в ряде случаев и активной, виброзащиты.
С помощью линейных пьезоманипуляторов подложка может перемещаться относительно острия зонда в пределах 10×10 мм2 с точностью не менее 0,1 Ả.
На рис. 6.21, а показана типичная вольтамперная характеристика, снятая для некоторого образца при постоянной величине зазора. При энергии электронов, меньшей энергии тепловых колебаний атомов материала подложки (порядка 25 мэВ), можно исследовать атомарную структуру поверхности подложки, не разрушая ее. При энергиях, равных или несколько больших энергии межатомных связей атомов поверхности подложки, на вольтамперной характеристике появляются различные нелинейности, позволяющие снять туннельную спектрограмму подложки и определить ее химический состав. При энергии пучка, равной энергии межатомных связей, можно «возбудить» отдельный атом, находящийся на поверхности, «оторвать» его от нее и «перенести», перемещая подложку, в некоторое новое положение. Снижая энергию возбуждения, можно «пришить» этот перемещенный атом к поверхности в новом положении (рис. 6.21, б).
Если в активную область установки ввести молекулы технологического газа (рис. 6.21, в), то под действием сильного электрического поля эти молекулы прежде всего ионизируются и далее на поверхность подложки можно осадить необходимый атом, выбранный таким образом, чтобы он образовал с атомами подложки прочно соединенный радикал. Наращивая осажденные атомы и перемещая подложку, можно вырастить на ней прочно закрепленные дорожки проводников или отдельные группы атомов с поперечными размерами атомарной величины (порядка 20 Ả). Такие проводники и группы атомов можно назвать квантовыми проводниками и квантовыми точками.
Рис. 6.21. Основные нанотехнологические операции: а - зависимость туннельного тока от свойств материала подложки и энергии электронов; б - фиксация и перемещение атомов; в - осаждение атомов из окружающего зонд газа; г - травление подложки; д - пример нанотехнологической структуры - полевой транзистор
Напуская в технологический объем газы-травители (рис. 6.21, г), можно обеспечить активацию химических реакций «захвата» и удаления с поверхности некоторых атомов, создавая «канавки» нанометровых размеров.
На рис. 6.21, д в качестве примера реализации некоторых нанотехнологических операций приведена туннельно-микроскопическая фотография полевого транзистора. Если на управляющем электроде (затворе), расположенном на фотографии справа, отсутствует заряд, то по левому проводнику ток может проходить беспрепятственно - транзистор открыт. Если на затвор подать запирающее напряжение, то поле перекрывает канал, и транзистор оказывается закрытым.
Чрезвычайно важно отметить, что при поперечных размерах квантовых проводников порядка 20 Ả в них за счет поперечного квантования электронов значительно уменьшается рассеяние энергии и, следовательно, резко повышается быстродействие.
При размерах полевого транзистора, приведенного на рис. 6.21, д, его быстродействие лежит в терагерцовом диапазоне.
Отметим еще одну принципиальную особенность отечественной нанотехнологической установки. С ее помощью можно наращивать на подложке не только продольные квантовые проводники, но и последовательно формировать трехмерные элементы. Это открывает практически неограниченные возможности разрешения проблемы проводников. На основе трехмерных связей могут быть реализованы не только апробированные в микроэлектронике элементы, но и нейристорные структуры.
На рис. 6.22 показаны стадии формирования одноэлектронного транзистора на однослойной нанотрубке с металлической проводимостью с помощью АСМ. Прибор работает при комнатной температуре.
С помощью зонда АСМ на нанотрубке создавались два изгиба (рис. 6.22, г), они действовали как туннельные барьеры. Отрезок трубки длиной 25 нм между двумя изгибами играет роль острова, концы нанотрубки - исток и сток. Нанотрубка располагалась на подложке кремния, покрытой окислом; подложка служила затвором. На вольт-амперной характеристике наблюдалась область кулоновской блокады шириной 0,2 В и осцилляции кулоновской блокады при изменении напряжения на затворе (см. п. 6.2.2).
Рис. 6.22. АСМ-изображение стадий формирования одноэлек-тронного транзистора на нанотрубке (а, б, в); увеличенное изображение области острова (г)
Элемент памяти на основе нанотрубки. На рис. 6.23 приведена схема варианта «алмазной» памяти с предельно малым носителем бита информации - одним атомом. Зонд АСМ (нанотрубка) заканчивается полусферой C60, к которой крепится молекула пиридина (C5H5N). Алмазная поверхность покрывается монослоем атомов водорода, некоторые из которых замещаются атомами фтора.
Согласно квантовым моделям, молекула C5H5N при сканировании вдоль поверхности способна отличить по силе взаимодействия атом фтора от атома водорода. Так как на одном квадратном сантиметре поверхности помещается ~1015 атомов, то плотность записи может достигать 100 терабайт/см2 (плотность записи в DVD-дисках – 10-4 терабайт/см2).
Сканирующие зондовые микроскопы играют такую большую роль в нанотехнологиях, что их называют глазами и пальцами нанотехнологий.
В настоящем разделе перечислены далеко не все возможности СЗМ – технологий. В литературе описано множество других методов физических исследований с помощью СЗМ и других нанотехнологий /1/. Однако перечисленного достаточно, чтобы увидеть перспективность и значимость таких исследований.
Рис. 6.23. Схема элемента «алмазной» памяти