Лекция 4. Формирование наноструктур

Лекция 4. Формирование наноструктур
Проведем классификацию нанотехнологических процессов в зависимости от уровня
интеграции элементов, зависящего от геометрических размеров формируемых областей.
1. В
настоящее
время
основным
типом
простейших
наноструктур
являются
нанопорошки. Они создаются в основном групповыми процессами: дуговым разрядом,
взрывным
осаждением,
травлением,
химическими
процессами.
Кроме
наночастиц,
фактически однородного состава, изготавливаются также наночастицы со специальным
регулярным расположением атомов. К ним относятся фуллерены, нанотрубки, нитевидные
кристаллы,
квантовые
точки
и
т.д.
однако
при
использовании
традиционных-
макротехнологий создание композитных материалов из таких структур не позволяет создать
области с управляемым размером менее единиц мкм.
2. Для целей микроэлектроники активно развивались методы создания субмикронных и
нано (в десятки нанометров) структур. Данные технологии также являются групповыми, т.к.
с их помощью напыляют, травят и т. д. одновременно всю обрабатываемую поверхность.
Пространственная разрешающая способность данного метода ограничивается разрешающей
способностью методов фотолитографии (не зависящей от типов используемых материалов –
даже наноструктурированных) и составляет доли мкм. Данное уменьшение размеров,
несмотря на технические улучшения производимых конструкций, не приводит к их
качественным изменениям. Важнейшими недостатками современных микроэлектронных
технологий являются: невозможность создания многослойных конструкций с числом слоев
более нескольких десятков и ограничения на температуру при которой создаются слои,
чтобы последующие наносимые слои из-за их высокой температуры не разрушали
предыдущие.
3. Дальнейшее уменьшение характеристических размеров создаваемых структур от 100
нанометров и вплоть до 1 нанометра позволяет управляемо создавать структуры с
размерами, соразмеримыми с длиной волны электрона, что качественно изменяет
функциональные возможности создаваемых структур. Наиболее сложными по структуре и
характеризующиеся наиболее широкими функциональными возможностями являются
наноэлектронные элементы. Для их изготовления используются самые перспективные
нанотехнологические процессы и технологические установки.
К традиционным установкам, которые потенциально могут обеспечить создание
планарных структур нанометровых размеров, относятся установки напыления, молекулярнолучевой и газовой эпитаксии, электронно-лучевой литографии и ионного травления. Однако
данные технологии находятся на пределе своих потенциальных возможностей, не позволяют
1
обеспечить локальность процессов вплоть до атомарной, а также не позволяют осуществить
трехмерную
сборку.
Поэтому
начали
активно
развиваться
зондовые
технологии,
характеризующиеся наивысшей пространственной разрешающей способностью – вплоть до
атомной. На первом этапе данные зондовые технологии, несмотря на недостижимое другими
технологиями
преимущество
по
разрешающей
способности,
уступают
им
в
производительности, однако по мере развития многозондовых нанотехнологических
установок это различие исчезает. Соотношение между различными технологиями
представлено на рисунке 1.
Сравнение групповых и зондовых нанотехнологических процессов
Основой нанотехнологических процессов является проведение локальных атомномолекулярных взаимодействий. В настоящее время наиболее распространены групповые
технологии создания объектов нанометровых размеров с помощью планарного осаждения и
литографии.
Групповые технологии осаждения характеризуются особенностями, существенно
ограничивающими
возможности
создания
структур
нанометровых
размеров.
Из-за
одновременного осаждения материала на различные участки подложки возникают зёрна,
дислокации, поры и другие дефекты.
Применение методов эпитаксии (послойного наращивания кристаллических структур
из жидкой или газовой фазы на подложке – кристаллической пластине, структурные
характеристики которой, как правило, определяют и структуру наращиваемого материала)
позволяет выращивать слои без зерен, однако из-за высокой температуры эпитаксиальных
процессов
(необходимой
возможность
локального
для
повышения
осаждения
поверхностной
структур
миграции)
нанометровых
исключается
планарных
размеров.
Локализация осаждаемого материала возможна в методе графоэпитаксии (выращивание в
заданных границах), однако и его развитие сдерживается разрешающей способностью
методов литографии. Традиционно, основным направлением развития методов литографии,
обеспечивающим повышение разрешающей способности, считалось применение свободно
распространяющихся в пространстве частиц с малой длиной волны. Поэтому разработки,
базирующиеся на применении ультрафиолетового или синхротронного излучения, а также
высокоэнергетичной электронной или даже ионной литографии проводятся в направлении
укорочения длины волны используемого излучения.
2
УРОВНИ ИНТЕГРАЦИИ
Нанометровый
УРОВНИ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Управляемая сборка вещества
зондовыми методами
Трехмерный синтез вещества с
заданными характеристиками,
вплоть до атомарного уровня
Субмикронный
Групповые процессы, напыление,
эпитаксия, электронно-лучевая и
ионная литография,
плазмохимические методы
Субмикронные структуры с
нанометровыми толщинами,
ансамбли нанозерен
Микронный,
Уровень управления составом
hν
Дуговой разряд, взрывное
осаждение, травление
Нанопорошки – кластеры,
фуллерены, нанотрубки
Рис. 1. Соотношения между технологическими процессами.
3
Методы оптической литографии пока ограничены техническими возможностями
фокусирования света – традиционными линзовыми системами, осуществляющими передачу
излучения через открытое пространство в размеры, соизмеримые с длиной волны излучения.
Методы электронной и ионной литографии позволяют осуществить фокусировку
воздействующего электронного потока в области нанометровых размеров. Однако высокая
энергия фокусируемых электронов приводит к значительному разрушению используемых
материалов
(их
аморфизации),
что
ограничивает
пространственную
разрешающую
способность метода. В то же время известен физический эффект, позволяющий получить
пространственное ограничение потока излучения в области, меньшей длины волны
используемых частиц. Главная особенность эффекта заключается в наличии условия,
запрещающего
свободное
распространение
частиц
через
определенную
область
пространства. Выполнение данного условия приводит к значительной локализации частиц.
Этот эффект в ядерной физике первоначально получил название эффекта туннелирования. В
оптике его называют эффектом нарушенного полного внутреннего отражения, а в СВЧтехнике – эффектом запредельного волновода.
Применение данных эффектов на вершинах зондов специальных конструкций
позволило достичь высокой пространственной разрешающей способности без применения
высокоэнергичных частиц и создать новые методы техники сканирующей зондовой
микроскопии на их основе. Например, эффективная ширина потока туннелирующих с
вершины проводящего зонда в подложку электронов при энергии в доли эВ (электрон-вольт)
не превышает 0,1-0,2 нм, а оптическое излучение металооптическими волноводами можно
локализовать в области в сотни меньшей длины волны используемого излучения.
На основе техники сканирующей зондовой микроскопии стали развиваться методы
нанотехнологии, использующие частицы с величинами энергий, определяемыми не
энергией, необходимой для их фокусировки (обычно тысячи электронвольт), а оптимальной
энергией стимуляции нанотехнологических процессов (единицы электрон вольт). Именно
данное сочетание позволило достичь высокой разрешающей способности при формировании
элементов нанометровых размеров.
Рассмотрим основные типы нанотехнологических процессов, проводимых путем
использования процессов локализации и активации.
Основными зондовыми нанотехнологическими процессами, используемыми при
создании наноструктур, являются:
•
Фиксация и перемещение;
•
Осаждение путем разрыва молекул, удаление продуктов реакции и осаждения атомов
или частей молекул на подложку;
•
Полимеризация при разрыве молекул технологической среды и образование более
длинных молекул;
•
Травление путем образования летучих соединений, десорбирующихся с подложки.
Графическое пояснение основных зондовых нанотехнологических процессов приведено на
рисунке 2.
Полимеризация
Фиксация и перемещение
Молекула
технологического газа
Зонд
Цепочки
молекул
Электрическое
поле
Требуемое
положение
атома
Атом
Е
Поверхность
Е
Поверхность
Исходное состояние
Результат
Исходное состояние
Осаждение
Молекула
технологического газа
Результат
Травление
Молекула
травящего
газа
Удаленный
атом
Продукты
реакции
Поверхность
Осажденный
атом
Исходное состояние
Исходное состояние
Результат
Результат
Рис. 2. Изображение фрагментов основных нанотехнологических процессов: фиксации и
перемещения, осаждения, полимеризации и травления.
На основе примера процесса локального осаждения на поверхности алмазоподобной
пленки были созданы области из углеродного материала.
Результаты экспериментов приведены на рисунке 3 [1].
5
а
б
Рис. 3. Экспериментальные результаты поточечного осаждения углеродного материала из
газообразной технологической среды на алмазоподобную подложку.
а) Этапы последовательного осаждения материала. Характеристический размер
осаждаемых областей составляет 40 нанометров.
б) Результаты осаждения углеродного материала, при котором размеры осажденных
областей (на фото выделены красным цветом) составляют 3 нанометра.
На основе разработанного нанотехнологического процесса локального осаждения из
газовой
фазы
стало
возможно
создавать
более
сложные
наноструктуры
типа
информационного массива точек, нанопроводника, полевого нанотранзистора, нанонейрона,
приведенные на рисунке 4 [1].
Рис. 4. Экспериментальные результаты осаждения углеродных материалов в топологии
информационного массива сверхплотной записи информации, нанопроводника,
проводящего канала и затвора полевого6транзистора, трехвходового нейрона.
Дальнейшее развитие нанотехнологий обеспечило возможность локального осаждения
трехмерных объектов. Пример локального осаждения из соединений вольфрама на вершине
иглы приведен на рисунке 5 [1].
25 мкм
Рис. 5. Фотография локально осажденного тензочувствительного элемента,
изготовленного из соединений вольфрама.
Поперечный размер созданной структуры составляет 25 мкм.
Локальное
осаждение
производилось
в
специализированных
зондовых
нанотехнологических установках Луч-1 и Луч-2 (рисунок 6) [2].
а
б
Рис. 6. а) Зондовая нанотехнологическая установка Луч-1 с системой акустической и
сейсмической защиты и газобаллонной системой хранения технологических сред.
б) Настольная нанотехнологическая установка Луч-2.
Увеличение производительности нанотехнологических установок возможно при
использовании многоканальных многозондовых устройств. Один из примеров такого
устройства приведен на рисунке 7.
7
Переключатели
Газовые
потоки
Манипулятор
Нанореактор
а
Манипуляторы с
нанореактором
Синтезируемое
вещество
б
Рис. 7. Пример многоканального многозондового устройства.
а) Фрагмент конструкции нанореактора с управляемой подачей газовых потоков,
размещенного на манипуляторе.
б) Матричный синтезатор вещества.
8
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. P.N.Luskinovich,
V.D.Frolov,
A.E.Shavykin,
V.D.Khavryuchenko,
E.F.Sheka,
E.A.Nikitina. Formation of nanostucture on an a -CH film in presence of an adsorbate.,
JETP Lett.,Vol.62 No.11, 10 Dec,1995 page 881-885
2. П.Н. Лускинович, М.А. Ананян, Е.В. Дадан, А.Н. Косяков, А.Г. Котенков, В.И.
Кузькин, О.А. Николаев, О.В. Объедков, Ю.Э. Поздеев, М.В. Степанов, В.Е.
Фомин, А.Е. Шавыкин "Нанотехнология и наночипы". CHIP News №6 2001 г.
9