Материал: Специальные вопросы микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Трегубов И.М

5. ЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ НАНОЛИТОГРАФИИ

Среди наиболее доступных методов создания наноструктур можно выделить зондовые методы нанолитографии. С момента создания сканирующего туннельного, а затем и атомносилового микроскопов (ACM) сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) из аналитических приборов превратились в инструменты локального модифицирования и структурирования материалов на нанометровом уровне. Методы локального зондового воздействия можно классифицировать в зависимости от вида физического и химического воздействия, определяемого средой, которая разделяет зонд и подложку.

Сканирующие зондовые микроскопы - это системы, способные контролировать перемещение атомарно-острого зонда в непосредственной близости от поверхности с субнанометровой точностью. Зондовые микроскопы обычно используют в атмосферных условиях или в вакууме. В атмосферных условиях вода, адсорбированная на поверхности, формирует мениск между зондом и поверхностью, который играет важную роль в зондовых методах нанолитографии, рассмотренных ниже. В большинстве методов локального зондового модифицирования поверхности требуется создание напряженности поля между зондом и подложкой, достаточной для активации физикохимических процессов.

СЗМ можно использовать как источник электронов для экспонирования электронорезистов. При этом применяют различные режимы эмиссии электронов: режим постоянного туннельного тока, бесконтактный режим атомного силового микроскопа с использованием электропроводящего зонда и т.д. При использовании в качестве резиста ПММА удается формировать изображения с суб-100 нм разрешением. Толщина пленки резиста, требуемая для проведения экспонирования, обычно составляет 35—100 нм. Экспонирование проводят в режиме сканирования зондом, на который подают отрицательное смещение в несколько десятков вольт. Проявление экспо-

60

нированной области осуществляют в стандартных растворах, при этом достигается разрешение порядка 50 нм.

К новым методам зондовой нанолитографии можно отнести так называемый метод «погруженного пера». Этот метод основан на переносе молекул с зонда на подложку посредством диффузии частиц через мениск воды, соединяющий зонд и подложку. На рис. 5.1 представлена упрощенная схема проведения процесса.

Рис. 5.1. Схема проведения зондовой нанолитографии с помощью «погруженного пера»

Молекулы с требуемыми химическими свойствами наносятся на острие зонда посредством окунания в соответствующий разбавленный раствор реагента с последующим испарением растворителя (испарение часто осуществляют в потоке дифторэтана). Данный метод позволяет формировать линии шириной до 12 нм на расстоянии 5 нм одна от другой. Среди материалов, которые наносили по описанной методике, следует выделить проводящие полимеры, золото, дендримеры, ДНК, органические красители, антитела и алканотиолы. Алканотиолы были использованы в виде монослоя в качестве маски для травления золота и последующего наноструктурирования поверхности кремния.

Существуют и другие методы формирования нанометровых рисунков с помощью зонда ACM. Например, возможно

61

механическое модифицирование поверхности, которое проводят в режиме постоянного и импульсного (ударного) давления на поверхность. Второй способ является предпочтительным, так как меньше подвержен влиянию шероховатости подложки. Принципиальная схема механической зондовой литографии представлена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Принципиальная схема проведения механической зондовой литографии

Для осуществления локального воздействия в маскирующем покрытии, например в пленке фоторезиста толщиной 5-6 нм, формируют окно. Для получения таких тонких маскирующих пленок стандартный раствор фоторезиста разбавляют в 10-50 раз и проводят центрифугирование со скоростью 40006000 об/мин в течение нескольких десятков секунд. Применяя такой подход, можно, например, сформировать канавки шириной 90 нм в эпитаксиальном слое GaAs, лежащем на стоп-слое изAlyGa1-xAsx. Для этого используют селективный травитель на основе лимонной кислоты (C6H8O7 : H2O2 : H2O = 5:10:50). Механически модифицированные структуры могут быть использованы в качестве маски для взрывной литографии или для последующего локального электрохимического осаждения.

Значительные успехи достигнуты в настоящее время при использовании комбинирования механического и термического воздействий (термомеханическая литография). Данный метод обеспечивает формирования суб-100 нм углублений в

62

пленках поликарбоната за счет термомеханического стимулирования фазового перехода полимер-стекло. Термомеханическая литография является базовой идеей терабитных запоминающих устройств, пропагандируемых компанией IВМ. Их концептуальный подход строится на создании многозондового картриджа. Внешний вид структуры такого прибора представлен на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Вид многозондового картриджа (а) и отдельный его элемент (б) для термомеханической литографии, созданного компанией IBM

Большое количество микроэлектромеханических элементов позволяет значительно повысить скорость записи и считывания информации. Разработаны многочисленные способы переноса атомов между зондом и подложкой под действием электрического поля. Были получены наноразмерные кластеры Аu, Ag, Pt размерами 10-20 нм. Аналогичный подход был применен для перемещения атомов с одного участка поверхности в другой. Манипулирование наночастицами, молекулами и отдельными атомами вдоль поверхности подложки простым механическим смещением.

Металлы можно локально осаждать в зазоре между зондом и подложкой в атмосфере металлоорганических соединений, молекулы которых способны диссоциировать под действием электрического тока. Локальное электрохимическое растворение и осаждение можно осуществлять в электрохимических зондовых микроскопах с суб-100 нм разрешением.

63

Вопросы к разделу 5

1.В чём принципиальная разница методов АСМ и СЗМ?

2.Каким образом осуществляется экспонирование резистов в методе СЗМ?

3.Какой механизм обеспечивает перенос молекул с зонда на подложку в методе «погруженного пера»?

4.Каковы недостатки зондовых методов нанолитографии?

64