УДК 621.3: 763: 778. 19

В.Ф. Дряхлушин, канд. физ.-мат. наук,
Н.В. Востоков, А.Ю. Климов, В.В. Рогов, В.И. Шашкин, канд. физ.-мат. наук,
Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ ЛИТОГРАФИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАНОМЕТРОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Разработаны методы сканирующей зондовой литографии, позволяющие создавать различные нанометровые элементы (металлические и диэлектрические линии, точки, вытравленные в образце ямки и канавки) на произвольных поверхностях (слабо- и сильнолегированных полупроводниках, металлах, диэлектриках). Метод включает нанесение на образец двухслойного тонкопленочного покрытия полимер – металл, непластическую деформацию пленки металла зондом микроскопа, сухое травление полимера и нанесение метаглических и/или диэлектрических элементов либо травление образца через сформированную маску. Созданы различные наноэлементы с минимальными размерами ~50 нм.

В последнее время большое внимание привлекают приборы на основе наноразмерных объектов, в том числе квантовых точек, нитей, одноэлектронных транзисторов и т.п. Эти приборы характеризуются рядом уникальных свойств, связанных с квантованием спектра электронов, могут усиливать и преобразовывать очень слабые сигналы, имеют малые размеры и крайне низкое энергопотребление и весьма перспективны для наноэлектроники. Для стабильной работы при нормальной температуре эти приборы должны иметь размеры порядка десятков нанометров. Для вертикальных размеров эта проблема успешно решается методами молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксии. Однако при формировании горизонтальных структур в планарной технологии эта проблема встречает большие трудности. Электронно-лучевая и рентгеновская литография лишь приближаются к созданию приборов с такими размерами.

В связи с этим большой интерес представляет возникшая в последние годы альтернатива – сканирующая зондовая литография (СЗЛ) [1-5]. СЗЛ является недорогим, компактным и удобным инструментом получения рисунка нанометровых размеров на поверхности.

В настоящее время предпринимаются попытки использования СЗЛ для сверхплотной записи информации. Фирмой IBM [6] создана решетка кантилеверов 32´32 (всего 1024), которые могут одновременно и независимо друг от друга записывать и считывать информацию на поверхности 3´3 мм2, т.е. на макроразмерах. Данным методом может быть записана информация с плотностью – 500 Гбит/дюйм2. Для сравнения – плотность записи на магнитных жестких дисках, полученная в лабораторных условиях, составляет 20 Гбит/дюйм2, ожидаемый предел ~ 60-70 Гбит/дюйм2, скорость считывания 20-30 Мбит/с [6]. В системе с одним кантилевером реализована плотность записи 1,6 Тбит/дюйм2 (пространственный размер одного бита 8 нм) [7]. В качестве сред для записи информации обычно используются пленки поликарбоната или полиметилметакрилата (ПММА), механизм записи – механическое или термомеханическое воздействие зонда [8] на пленку полимера. Скорость записи и считывания информации посредством одного зонда пока невелика и составляет десятки килобит в секунду, но при параллельном процессе она может быть вполне удовлетворительной. Другой метод сверхплотной записи информации – с помощью сканирующего ближнепольного оптического микроскопа – разрабатывается фирмой "Hitachi" [9]. Механизм записи – фотометрическое воздействие. При нагревании поверхности образцов происходит локальная кристаллизация аморфного образца, что приводит к существенному увеличению коэффициента отражения света. Реализована плотность записи 100 Гбит/дюйм2 при скорости считывания 10 Мбит/с. Процесс фототермического воздействия зонда ближнепольного оптического микроскопа на различные полимеры исследован в [10].

Другим привлекательным качеством СЗЛ является высокая точность позиционирования (до 10 нм), что позволяет в одном эксперименте получить изображение поверхности образца, выбрать интересующую область и затем модифицировать ее. Таким образом можно сделать контакты к одиночным квантовым точкам или наноостровкам, "дорисовать" элементы, полученные методами оптической или электронно-лучевой литографии.

В методе СЗЛ модификация поверхности происходит при воздействии зонда микроскопа на поверхность объекта в некоторых областях. Существует несколько типов СЗЛ. Метод ближнепольной оптической литографии позволяет получить элементы с минимальными размерами -100 нм [11,12]. К сожалению, вследствие катастрофического уменьшения пути прохождения оптического излучения через зонд ближнепольного микроскопа при уменьшении его апертуры [13] (~а6, а – диаметр апертуры) уменьшение размеров модифицируемой области при оптическом воздействии весьма проблематично. Но, как показано в [9,10], перспективным является фототермическое взаимодействие зонда микроскопа с образцом, при котором нагреваемый оптическим излучением зонд осуществляет локальную термическую модификацию поверхности. Этот метод очень близок к модификации поверхности нагретым зондом атомно-силового микроскопа [8].

Наиболее впечатляющие успехи достигнуты в методе, использующем комбинацию сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопов. В нем зонд удерживается вблизи поверхности с помощью атомно-силового взаимодействия, а модификация поверхности реализуется током, протекающим между зондом и поверхностью. Это может быть либо прямое анодное окисление образца [3,4,14], либо экспозиция электронного резиста [15]. Исследован процесс анодного окисления гидрогенизированного кремния [3], арсенида галлия [4], некоторых металлов [16-18] в зависимости от приложенного напряжения, времени сканирования, влажности окружающей среды. Показано, что для окисления образцов необходимо приложить напряжение -10В между зондом и образцом. Получены различные элементы с минимальными размерами 10-20 нм, изготовлены квантовые провода [19] и точки [20]. Создан ряд приборов с нанометровыми размерами активных областей, в том числе биполярный [21] и полевой [22,23] транзисторы, одноэлектронные транзисторы [24,25], в том числе работающий при нормальной температуре [16], и ячейка памяти на его основе [18].

В другом варианте этого метода ток, протекающий между зондом и образцом, был использован для локальной экспозиции электронного резиста [15,26]. Полученный рисунок был применен в качестве маски для жидкостного анизотропного травления кремния и арсенида галлия, получены ярко выраженные рельефные рисунки на поверхности монокристаллов с минимальными размерами до 30 нм. Однако метод имеет ряд недостатков. В частности, он может быть применен лишь для ограниченного класса образцов, имеющих хорошую проводимость, например, для гидрогенизированного кремния, сильнолегированных (³1019 см-3) полупроводников, некоторых металлов. Полученный рисунок в виде окисного слоя или экспонированного резиста имеет малое отношение высоты слоя к его латеральным размерам и может быть использован в качестве маски лишь для жидкостного травления.

Нами предложен и реализован новый метод СЗЛ, позволяющий создавать произвольный рисунок (в виде металлических или диэлектрических нитей, точек, вытравленных в образце методом сухого травления ямок или канавок) на поверхности различных образцов (слабо- и сильнолегированных полупроводников, металлов, диэлектриков). Метод заключается в нанесении двухслойного тонкопленочного покрытия полимер-металл, непластической деформации пленки металла зондом атомно-силового микроскопа (механическая деформация) либо нагретым зондом ближнепольного оптического микроскопа (термическая деформация) и перенесении рисунка на поверхность образца с помощью плазмохимического травления полимера. Сформированная таким образом маска имеет высокое отношение ее высоты к ширине рисунка и позволяет наносить металлические или диэлектрические покрытия либо выполнять сухое травление образца с последующей взрывной литографией. Для получения тонкого слоя полимера на образец, помещенный на центрифугу (3000-5000 об/мин), наносился раствор поликарбоната в хлороформе (~ 1%). Толщина слоя поликарбоната, полученная после термической обработки при температуре 200°С в течение 10 мин, составляла 50-100 нм в зависимости от скорости вращения центрифуги. Тонкие слои (5-10 нм) легкодеформируемых металлов (индия, олова) наносились на поверхность пленки поликарбоната методом магнетронного напыления при охлаждении подложки до температуры ~200 К. Атомно-силовое (АСМ) изображение поверхности полученной структуры приведено на рис. 1, шероховатость поверхности при указанных выше режимах не превышает 1 нм. Механические свойства такой системы позволяют проводить ее непластическую деформацию зондом атомно-силового микроскопа, действующим с силой 1-10 мкН, на глубину, превышающую толщину пленки металла. Эксперименты проводились на атомно-силовом микроскопе "SoIver-P4" фирмы "Нанотехнология МДТ" (Зеленоград, Россия).

Рис. 1. Атомно-силовое изображение модифицированной структуры полимер -индий до плазмохимического травления (а) и его рельеф вдоль линии (б)

Рисунок с размерами ~50 нм (рис. 1) был получен как в контактной, так и в тейпинг-моде. В контактной моде сила воздействия иглы кантилевера на поверхность образца поддерживается на постоянном уровне. Значение этой силы устанавливается меньше порога деформации покрытия при позиционировании зонда и превышает порог непластической деформации покрытия в тех точках, где создается рисунок.

В тейпинг-моде кантилевер колеблется на резонансной частоте, при этом большую часть периода колебаний игла кантилевера не касается поверхности образа, и только при соударении кантилевер теряет избыток энергии, накопленный за остальную часть периода. При позиционировании зонда амплитуда колебаний поддерживается на постоянном уровне, обеспечивающем слабое недеформирующее воздействие на поверхность. В тех областях, где создается рисунок, зонд перемещается в сторону поверхности, что приводит к деформации покрытия. Тейпинг-мода, по-видимому, является более перспективной, так как при ее реализации удается использовать кантилеверы со значительно более жесткой балкой, следовательно, перемещение зонда в сторону поверхности для непластической деформации покрытия значительно меньше, чем в случае кантилеверов, используемых в контактной моде, что ведет к увеличению точности позиционирования. Затем структура травится в кислородной плазме для перенесения рисунка на поверхность образца с сохранением недеформируемых зондом областей. АСМ-изображение такой структуры (в этом случаев виде ямки) показано на рис. 2.

Рис. 2. Атомно-силовое изображение модифицированной структуры полимер- индий после плазмохимического травления (а) и его рельеф вдоль линии (б)

Здесь на вид рельефа (рис. 2,б), по-видимому, оказывает влияние форма зонда АСМ. Дело в том, что с помощью зонда АСМ, имеющего форму пирамиды, нельзя точно измерить форму узких глубоких ямок, сравнимых с его размерами. В данном случае, по нашим предположениям, рельеф должен быть шире в нижней части.

Созданная маска была нами использована для изготовления различных нанометровых элементов на поверхности разных образцов. В частности, была вытравлена ямка глубиной -20 нм на поверхности кремния с последующим напылением металлической "точки" с латеральными размерами ~50 нм (рис. 3). На рис. 4 показана система периодических металлических полос с шириной ~80 нм и периодом 170 нм. На рис. 5 приведены вытравленные в пленке ниобия канавки глубиной 40 нм и латеральными размерами ~80 нм. Здесь, как и на рис. 2,б, на вид рельефа влияет форма зонда АСМ.

Рис. 3. Изображения одиночного металлического наноконтакта на поверхности кремния, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа:
а – нормально к поверхности; б – под углом 35° к поверхности

 

Рис. 4. АСМ – изображение металлических (Мо) нанораэмсрных полос на поверхности кремния (а) и рельеф вдоль линии (б)

Непластическая деформация защитного покрытия, описанного выше, возможна также с помощью нагретого зонда ближнепольного оптического микроскопа. Эксперименты по термической деформации проводились на созданном в Институте физики микроструктур РАН ближнепольном микроскопе [27]. Ранее [28] нами был разработан метод изготовления зондов для этого микроскопа, использующий только химическое травление с последующим нанесением пленки металла толщиной -100 нм. В данных экспериментах мы использовали "утоньшенный" вариант зонда, в котором заостренное волокно покрывалось тонкой (10-20 нм) пленкой ванадия (рис. 6). Температура плавления индия 156°С, что ниже температуры плавления поликарбоната, зонд микроскопа мог быть нагрет без разрушения до температуры ~ 400°С. В наших экспериментах зонд нагревался до Т = 200°С при подаче на него оптического излучения мощностью – 300 мкВт. Пример такой модификации маскирующего покрытия в виде коротких тонких (<30 нм) линий показан на рис. 7. Аналогичный метод модификации полимеров для целей сверхплотной записи информации (но не литографии) был использован недавно в [8,10].

 

Рис. 5. АСМ – изображения нанокапавок. вытравленных в пленке ниобия (а) и их рельефы вдоль линий (б)

 

Рис. 6. Изображение зонда для ближнепольной термической модификации, полученное на сканирующем электронном микроскопе

 

Рис. 7. АСМ – изображение структуры полимер – индий, модифицированной с помощью нагретого зонда ближнепольного оптического микроскопа (а)
и его рельеф вдоль линии (б)

 

 

Рис. 8. Вольт-амперные характеристики барьерных наноконтактов ванадий – арсенид галлия

В качестве примера приложения СЗЛ нами были изготовлены наноконтакты ванадия на поверхности арсенида галлия (аналогичные приведенному на рис. 3). Их вольт-амперные характеристики (ВАХ) были измерены с помощью атомно-силового микроскопа с применением проводящих кантилеверов. Использовались кремниевые кантилеверы, покрытые проводящим слоем (карбид вольфрама). Зонд прижимался к наноконтакту в контактной моде АСМ, после чего измерялись ВАХ. Они имеют вид (рис. 8), характерный для барьерного контакта металл – полупроводник.

* * *

Таким образом, в статье описан метод СЗЛ, позволяющий изготавливать различные наноэлементы с характерными размерами ~50 нм на поверхности произвольных образцов. Данный метод может найти применение при разработке и создании новых электронных приборов с нанометровыми размерами активных областей и при исследовании электронных свойств полупроводниковых нанообъектов.

 

Работа выполнена при поддержке РФФИ (00-02-16487), программы "Фундаментальные исследования и высшее образование" и Центра сканирующей зондовой микроскопии ННГУ.

Список литературы

1.   J.A. Dagata, J. Schncir, H.H. Harary, CJ. Evans, M.T. Postek and J. Bennett // Appl. Phys. Lett., 56, 2001-2003 (1990).

2.   К. Matsumoto, S. Takahashi, M. Ishii, M. Hoshi, A. Kurokawa, S. Ichimura and A. Ando Jpn. J. Appl. Phys., Part 1,34, 1387-1392(1995).

3.   P.A. Fontaine, E. Dubois and D. Stievenard, J. Appl. Phys.. 84, 1776-1781 (1998).

4.   Y. Okada, S. Amano, M. Kawabe and J.S. Harris J. Appl. Phys., 83, 7998-8001 (1998).

5.   В. Klehn and U. Kunze J. Appl. Phys., 85, 3897-3903(1999).

6.   P. Vettiger, M. Despont, U. Drechsler et al, Proc. Int. Conf. on Scan. Tunneling Microscopv. Seoul, 1999, p. 4.

7.   E.B. Cooper, S.R. Manalis, H. Fang, H. Dai, K. Matsumoto, S.C. Minne, T. Hunt, C.F. Quate Appl. Phys. Lett., 75, 3566-3568 (1999).

8.   G. Binnig, M. Despont, V. Drechsler, W. Haberle, M. Lutwyche, P. Vettiger, H.J. Mamin, B.W. Chui and T.W. Kenny, Appl. Phys, Lett, 74, 1329 (1999).

9.   S. Hosaka, A. Kikukawa, H. Koyanagi, T. Shintani, M. Miyamoto, K. Nakamura, K. Etoh, Nanotechnology, 8, A58 (1997).

10. D. Zeisel, В. Dutoit, V. Deckert, T. Roth and R. Zenobi, Anal. Chem., 69, 749 (1997).

11. C.C. Davis, W.A. Atia, A. Gungor, D.L. Mazzoni, S. Pilevar and I.I. Smolyaninov, Laser Physics, 7, 243-255 (1997).

12. M.K. Hemdon, R.T. Collins, R.E. Hollin-gsworth, P.R. Larson and M.B. Johnson, Appl. Phys., 74, 141-143(1999).

13. U. Durig, D.W. Pohl, F. Rohner, J. Appl Phus., 59,3318-3327(1986).

14. В. Legrand and D. Stievenard, Appl. Phys. Lett., 74, 4049-4051 (1999).

15. К. Wilder, С. Quate, D. Adderton, R. Bernstein and V. Flings, Appl. Phys. Lett., 73, 2527-2529(1998).

16. К. Matsumoto, M. Ishii, К. Segawa, Y. Oka, B.J. Vartanian and J.S. Harris, Appl Phys. Lett., 68, 34-36 (1996).

17. T. Schmidt, R. Martel, R.L. Sandtrom, P. Avouris, Appl. Phys. Lett., 73, 2173-2175 (1998).

18. К. Matsumoto, Y. Cotoh, T. Maeda, J.A. Dagata, J.S. Harris, Appl. Phys. Lett., 76, 239-241 (2000)

19. R. Held, S. Luscher, T. Heinzel, K. Emsslin, W. Wegscheider, Appl. Phys. Lett., 75, 1134-1136(1999).

20. S. Kohmoto, H. Nakamura, T. Ishikawa, K. Asakawa, Appl. Phys. Lett., 75, 3488 – 3490 (1999).

21.  S. Richter, D. Cahen, S.R. Cohen, K. Garlsman, V. Lyakhovitskaya and Y. Manassen, Appl. Phys. Lett., 73, 1868-1870 (1998).

22. S.C. Minne, H.T. Soh, Ph. Flueckiger and C.F. Quate, Appl. Phys. Lett., 66, 703-705 (1995).

23. P.M. Campbell, E.S. Snow and P.J. McMarr, Appl. Phys. Lett., 66, 1388-1390 (1995).

24. A. Dutta, S.P. Lee, S. Hatatani, S. Oda, Appl. Phys. Lett., 75, 1422-1424 (1999).

25. S. Luscher, A. Fuhrer, R. Held, K. Ensslin, W. Wegscheider, Appl. Phys. Lett., 75, 2452-2454 (1999).

26. F.S.-S. Chien, C.-L. Wu, Y.-C. Chou, T.T. Chen, S. Gwo, W.-F. Hsiegh, Appl. Phys. Lett., 75, 2429-2431 (1999).

27. Волгунов Д.Г., Гапонов С.В., Дряхлушин В.Ф. и др. // Приборы и техника эксперимента, 1998. №2, с. 132-137.

28. Дряхлушин В.Ф., Климов А.Ю., Рогов В.В., Гусев С.А. // Приборы и техника эксперимента, 1998, № 2, 138-139 с.