Зондовое анодное окисление

Зондовое анодное окисление
Королёв Сергей
Содержание
I.
Введение.
a. Сканирующая зондовая микроскопия.
b. Сканирующая зондовая литография.
II. Зондовое анодное окисление.
a. Импульсная методика.
b. Первые успехи.
c. Окисление металла. Модель Кабрера и Мотта.
d. Зондовое анодное окисление кремния.
e. Встроенный пространственный заряд.
f. Модуляционная методика.
III. Заключение.
Сканирующий зондовый
микроскоп
Исполнительный
элемент
В. Л. Миронов, Основы сканирующей зондовой микроскопии (2004).
Сканирующий зондовый микроскоп
Сканирующий туннельный
микроскоп
Атомно-силовой
микроскоп
В. Л. Миронов, Основы сканирующей зондовой микроскопии (2004).
H. M. Saavedra et. al., Hybrid strategies
in nanolithography (2010).
Импульсная методика зондового
анодного окисления
J. A. Dagata, Science 270 (1995) 1625.
Зондовое анодное окисление. Что лучше:
сканирующий туннельный микроскоп или
атомно-силовой микроскоп?
Сканирующий туннельный микроскоп:
It
Z0
Один свободный параметр
F
Атомно-силовой микроскоп:
Fz
Z0
U
F
Два свободных параметра
Основные успехи зондового анодного окисления связаны с
использованием атомно-силового микроскопа.
Металлизация иглы атомносилового микроскопа
Ti
Si3N4
V
Первые успехи использования проводящего зонда атомносилового микроскопа для окисления поверхности
Si
Полоски SiO2
Полоски SiO2 служат
маской при
травлении Si в
растворе KOH
Незащищённый Si
протравился
примерно 10 нм
E. S. Snow and P. M. Campbell, Appl. Phys. Lett. 64, 1932 (1994).
«Заострение иглы»
Ширина полосок ~ 20 нм
Диаметр иглы ~ 80 нм
E. S. Snow and P. M. Campbell, Appl. Phys. Lett. 64, 1932 (1994).
Сухое травление в плазме
SiO2
Si
Глубина травления ~ 30 нм.
E. S. Snow, W. H. Juan, S. W. Pang and P. M. Campbell, Appl. Phys. Lett. 66, 1729 (1995).
Окисление металла
Окисление – это соединение тел с кислородом.
O2
t0  0
Al
Скорость окисления
определяется
скоростью
химической реакции.
O2
t1  t0
Al2O3
Al
Скорость окисления
определяется
скоростью
прохождения
реагентов через
окисел.
Модель Кабрера и Мотта
O-
O
Al2O3
Al
N. Cabrera and N. F. Mott, Rep. Prog. Phys. 12, 163 (1949).
Источник кислорода при зондовом
анодном окислении
V

O2  2h  2O

H
h
HO 
O
SiO2
Si
H 2O  H   HO 
Реакция окисления кремния
HO 
O
SiO2
Si
Si  2h   2O   SiO2
Si  4h   2OH   SiO2  2H 
Скорость окисления
F  108 V sm 
Скорость дрейфа ионов
F
uF
V
X
W  Wi  U
dX
 N  exp  W kT  exp qaF kT 
dt
dX
 exp  X 1 X 
dt
N. Cabrera and N. F. Mott, Rep. Prog. Phys. 12, 163 (1949).
Скорость окисления кремния:
эксперимент
n-Si(100)
Модель Кабрера и Мотта
dX
 exp  X 1 X 
dt
P. Avouris, T. Hertel and R. Martel, Appl. Phys. Lett. 71, 285 (1997).
Сканирующая микроскопия напряжений Максвелла
F 
F2 
Поверхностный
потенциал
Ёмкость
J. A. Dagata, Nanotechnology 8, A3 (1997).
Наблюдение встроенного пространственного заряда
p,n-Si(100)
Создавались
точечные
окислы
Снимались
карты
топологии,
потенциала,
ёмкости
J. A. Dagata, T. Inoue, J. Itoh and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 73, 271 (1998).
Механизм образования встроенного
пространственного заряда
HO
H

SiO2
H 3O 

H 2O
 Si  H
h
 Si 
Si  4h   2OH   SiO2  2H 
H   OH   H 2O
 Si  H  h   H 2O  Si   H 3O 
Модуляционная методика зондового
анодного окисления
F. Perez-Murano, K. Birkelund, K. Morimoto and J. A. Dagata, Appl. Phys. Lett. 75, 199 (1999).
Заключение
Материалы
Применения
Зондовое
анодное
окисление
Методики
Модели