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

талла происходит увеличение радиуса кривизны на толщину покрытия h. По сути, наилучшие результаты с точки зрения обеспечения максимальной разрешающей способности методов СЗМ с проводящими кантилеверами могут быть получены при использовании сверхтонких проводящих пленок. Однако в этом случае необходимо решать проблему сплошности пленок. Кроме того, сверхтонкие проводящие пленки обладают значительным сопротивлением. Кремниевые игла и балка кантилевера, как правило, являются высоколегированными, т.е. в принципе проводящими. Следовательно, можно было бы на поверхности кантилевера осаждать пленку химически инертного металла с минимально возможной толщиной. В этом случае проводимость канитилевера будет определяться в основном высоколегированной кремниевой его частью, а сверхтонкое покрытие будет обеспечивать лишь защитные свойства, т.е. предотвращать образование естественного окисла на поверхности кремния. Однако такой подход может быть осуществим только при обеспечении тесного контакта проводящего покрытия с кремнием, т.е. при отсутствии на границе раздела: пленка-кремний естественной пленки окисла кремния.

Поскольку для повышения чувствительности используют кантилеверы с малой жесткостью (применяют тонкие балки), важным является требование минимизации встроенных механических напряжений при формировании на балке проводящего покрытия, так как в противном случае балка бы кантилевера сильно деформировалась.

Исходя из детального анализа исследовательских задач, связанных с применением проводящих кантилеверов в различных методах СЗМ, авторами были сформулированы следующие основные требования к конструктивным и физическим параметрам проводящих кантилеверов:

–высокая проводимость покрытия кантилеверов;

–повышенная твердость, износостойкость покрытия;

–высокая электромиграционная стойкость;

–сплошность покрытия при его толщине от единиц нм;

75

–отсутствие естественного окисла на поверхности проводящего покрытия и на границе раздела: покрытие – кремний;

–высокая адгезионная способность материала покрытия к

Si и Si3N4

–химическая инертность покрытия;

–малый уровень встроенных механических напряжений в двухслойной структуре: тонкопленочное покрытие – кремниевая балка;

–малый радиус кривизны острия иглы кантилевера.

Как известно, повышенной твердостью обладают карбиды, нитриды, оксиды и силициды тугоплавких металлов. Известно также, что электромиграциоиная стойкость металлов пропорциональна их температурам плавления, следовательно, тугоплавкие материалы потенциально обладают повышенной электромиграционной стойкостью. Указанные материалы являются высокопроводящими, обладают значительной твердостью, высокими температурами плавления. Однако не все они характеризуются высокой химической стойкостью. С учетом имеющихся в литературе сведений о способах получения данных материалов и принимая во внимание простоту технологии создании материалов, в качестве потенциальных материалов для создания на их основе проводящих покрытий кантилеверов, были выбраны W2C и ТiO2-х как одни из материалов в наибольшей степени удовлетворяющие сформулированным выше требованиям. Технологии получения сверхтонких пленок на основе W2C и ТiO2-х. В качестве метода для синтеза данных материалов был использован одни из наиболее простых и воспроизводимых способов: проведение химического взаимодействия предварительно сформированной на поверхности кремниевых кантилеверов сверхтонкой пленки металла с углеродом или кислородом при термообработке металла в соответствующих условиях.

Как было отмечено выше, одним из важных требований при создании универсальных проводящих кантилеверов явля-

76

ется необходимость обеспечения сплошности ультратонкого проводящего покрытия (от 2 нм). В технологии микроэлектроники для нанесения тонких пленок металлов существует ряд методов, которые хорошо зарекомендовали себя в производстве. К таким методам относятся, в частности, метод магнетронного распыления и метод термического испарения и конденсации в вакууме. Однако большинство вакуумных методов нанесения пленок металлов не удовлетворяют требованию получения сплошных сверхтонких пленок, начиная с единиц нанометров.

Как правило, сверхтонкие пленки толщиной 10 нм и менее, полученные традиционными способами, являются дисперсными, т.е. несплошными. Одним из перспективных методов формирования сверхтонких пленок является метод импульсной конденсации электроэрозионной плазмы.

Указанный метод характеризуется рядом достоинств в сравнении с традиционными. К ним относятся:

– сплошность сверхтонких пленок, начиная от 2 нм и вы-

ше;

–высокая чистота материала пленок;

–хорошая адгезия пленок при конденсации на неподогреваемые подложки вследствие эффективного удаления сорбированных молекул при конденсации первых слоев молекул из потока частиц с энергией до 30 эВ;

–высокая воспроизводимость толщины пленок осаждения.

Данный метод чаще всего используется при осаждении сверхтонких пленок вольфрама и титана. Контроль толщины осаждаемых пленок осуществляли в соответствии с методикой, изложенной в и основанной на измерении посредством ACM высоты тестовых полосок, сформированных из пленок металла прямой или обратной литографией. Характерный пример измерения толщины сверхтонкой пленки проиллюстрирован рисунком 6.5

77

Формирование сверхтонких пленок на основе W2C осуществляли двумя способами. Первый представлял собой карбидизацию пленки вольфрама при термообработке в вакууме в присутствии углерода в диапазоне 600–900°С. Вторая методика формирования сверхтонких пленок карбида вольфрама заключалась в последовательном осаждении слоев вольфрама и углерода в одном технологическом цикле напыления и последующей термообработке в вакууме. Синтез пленок ТiO2-х, осуществляли отжигом пленок

титана в парах воды в диапазоне 550–650°С в соответствии с методикой.

Результаты тестирования кантилеверов с покрытиями на основе W2C и ТiO2-х, показали, что данные микромеханические зонды в наибольшей степени удовлетворяют сформулированным выше требованиям, предъявляемым к конструктивным и физическим параметрам проводящих кантилеверов, и могут быть эффективно использованы в сканирующей зондовой микроскопии, в частности, при проведении процесса локального зондового окисления полупроводниковых материалов и сверхтонких металлических пленок.

78

6.3. Кинетика процесса локального зондового окисления полупроводников и сверхтонких металлических пленок

Для изучения условий и режимов формирования оксида на поверхности GaAs были выбраны подложки собственного типа проводимости с ориентацией 111. Характерной особенностью собственного GaAs являются его полуизолирующие свойства, поэтому для генерации носителей заряда на поверхности использовали полупроводниковый лазер с длиной волны 630 нм. Известно, что на поверхности GaAs всегда присутствует естественный окисел. С целью минимизации его толщины была произведена химическая очистка поверхности пластин в 10%-м водном растворе аммиака в течение 1 мин. Зондовое окисление проводили на воздухе с использованием сканирующего зондового микроскопа Solver Р- 47. В качестве зондов для осуществления локального зондового окисления использовали кремниевые кантилеверы с проводящими покрытиями на основе W2C и ТiO2-х. Образец GaAs устанавливали на пьезокерамический сканер микроскопа и осуществляли прижим заземляющим контактом. Затем подводили образец к кантилеверу и осуществляли сканирование выбранного участка поверхности в полуконтактном режиме ACM. Амплитуда колебаний балки кантилевера лежала в пределах 10–20 нм. Перемещение зонда осуществляли по заданной программой траектории с одновременной подачей импульсов отрицательного напряжения на иглу зонда. Напряжение варьировали в диапазоне от 1 до 10 В, а длител ь- ность импульсов – от 1 до 32 мс. После электрического воздействия обработанную область повторно сканировали в полуконтактном режиме ACM с целью определения изменения рельефа поверхности. На рисунке 6.6 показано ACMизображение участка поверхности подложки GaAs после осуществления на нем процесса локального зондового окисления.

79