СОДЕРЖА НИ К:
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. 3
Г Л А В А 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ СТМ (краткий обзор). 1 ■ 1
1.1. Теоретические основы работы СТМ 14
1.2. Технические основы работы СТМ. 23
ГЛАВА 2. ИЗМЕНЕНИЕ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦА В СТМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕЙ СИЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НОЛЯ (обзор основных механизмов и характерных особенностей).
2.1. Введение. 28
2.2. Основные особенности локальной модификации поверхности сильным электрическим полем. 29
2.3. Влияние внешних и внутренних факторов ка процесс модификации импульсом напряжения. Причины трудности объяснения механизма модификации 34
2.4. Возможные механизмы локальной модификации исследуемой поверхности сильным электрическим полем 36
2.4.1. Термический разогрев поверхности образна (резистивный нагрев) 37
2.4.2. Десорбция (испарение) полем. 39
2.4.3. Стимулированное полем перемещение частиц вдоль поверхности. 51
2.4.4. Механизм формирования контакта острия с поверхностью. Термическое расширение острия как возможная причина образования контакта. 54
2 4 5. Стимулированные химические реакции 63
2.5. Заключение. 66
Г Л А ВАЗ. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.
3.1 Описание экспериментальной установки 67
3.2 Калибровка узла микросканирования и узла сближения 75
3.3. Выбор материала для исследований 77
3.4 Методика приготовления образцов и игл. 78
3.5. Условия получения воспроизводимых наноструктур на поверхности. Методика изображения и модификации поверхности. Учет возможных погрешностей и артефактов. 81
Г Л А В А 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.
4 1 Вил изменения морфологии поверхности импульсом напряжения. 86
4.2 Воспроизводимость и вероятностный характер образующихся наноструктур. 89
4 3 Влияние характеристик электронной схемы СТМ на процесс модификации поверхности 95
4.4. Влияние физико-химических свойств материала острия на модификацию поверхности импульсом напряжения в СТМ 102
4.5. Возможный путь управления процессом модификации Влияние физикохимических свойств материала подложки. 107
4.6. Особенности процесса модификации в системе оксид - проводник. 111
4.7 Особенности процесса модификации поверхности халькогенида свинца (РЬТс). 120
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ. 124
ЗАКЛЮЧ 111 И Е. 125
ЛИТЕРАТУРА. 126
2
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Актуальность темы,
С древнейших времен и до настоящего времени технология часто становилась катализатором, который делал возможным и определял прогресс человеческой цивилизации. Прогресс в технологии обычно связан с развитием оборудования и методов, ■сто обеспечивает новые пути осуществления человеческого воздействия на природу В последнее время в связи с развитием принципиально новых технологических процессов и созданием принципиально новых твердофазных материалов с разнообразными физикохимическими свойствами, повсеместным стремлением к миниатюризации приборов и интеграции максимального количества быстродействующих активных элементов на поверхности одного кристалла в единый функциональный элемент (интегральную схему) роль поверхности становится определяющей, и поэтому существенно возрастает потребность детального исследования поверхностного состава веществ и протекающих в этой области процессов и явлений, так как на свойствах именно тонких поверхностных слоев вещества основана работа многочисленных типов приборов электронной промышленности и вычислительной техники
Все это, в совокупности, стимулировало изобретение (Бшшг и Роер [1], 1979-1982 годы) и применение в многочисленных исследованиях уникального прибора для изучения поверхностного состава твердых тел - сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Уникальность его состоит в том, что на сегодняшний день он дает наиболее подробную информацию о свойствах поверхности твёрдого тела в различных средах на истинно атомном уровне. Эго обуславливается уникальным разрешением СТМ по сравнению с другими существующими методами исследования поверхности: до нескольких сотых ангстрема по нормали к поверхности исследуемого образца и единицы ангстрема вдоль нес [2].
Научную и технологическую значимость этого совершенно нового прибора трудно переоценить. Его работа целиком основана на квакгово-механичсских закономерностях, и вследствие этого возможности СТМ близки к фундаментальным физическим пределам С помощью СТМ-микроскопии получили развитие совершенно новые методы исследования поверхности твердых тел, позволяющие исследовать их атомную и электронную структуру и получать их микротопографию с атомным разрешением, что было недоступно для существовавших до этого традиционных методов исследования поверхности (3).
Из множества неоспоримых преимуществ исследования поверхности с помощью СТМ перед другими способами поверхностно-чувствительного контроля изучения твёрдого тела
3
особенно важно выделить следующие:
1) Возможность быстрого и часто без специальной подготовки образца получения реального трехмерного изображения поверхности со сверхвысоким пространственным разрешением (вплоть до атомного) по всем трем координатам с независимым увеличением по любой из них [4].
2) Возможность работы в широком температурном диапазоне (от нескольких сотен градусов до гелиевых температур) и практически в любой непроводящей среде, включая вакуум, обычные атмосферные условия, а также газ и жидкость [5-7].
3) Поверхность анализируется с использованием низкоэнергетического пучка электронов (около нескольких мэВ) без непосредственного контакта с ней, вследствие чего практически не вносится каких-либо искажений в исследуемый материал и реализуется неразрушающий характер анализа поверхности [8].
4) Совмещение в одном приборе метрологических и технологических функций: возможность осуществления наряду с неразрушающим анализом поверхности целенаправленных изменений формы, приповерхностной структуры и электрофизических свойств материала с очень высокой локальностью (вплоть до воздействия на одиночный атом) Этому способствует возможность создания условий в СТМ для получения экстремальных мощностных характеристик, возникающих вследствие сильной локализации электрического поля и электронного тока под иглой СТМ, которые приводят к существенным изменениям как структуры, так и электрофизических характеристик этой локальной области манометровых размеров [9-11 ].
5) Уникальная возможность одновременного исследования на поверхности твердых тел как естественных структур, так и искусственно созданных.
6) Наличие свободною доступа к поверхности, что позволяет изучать происходящие на ней физико-химические процессы как за счСг совмещения всего набора процессов по формированию, контролю и функциональному тестированию структур в одном месте, так и за счбт объединения СТМ с другими методиками анализа и подготовки поверхности.
Во многих областях науки, техники и современных технологий сканирующие туннельные микроскопы уже используются с большим успехом, и число результатов их применений быстро увеличивается [5,11-18] Сканирующая туннельная микроскопия является одним из новых, быстро развивающихся методов анализа и изменения структуры поверхности твердого тела.
Основные области применения СТМ в настоящее время представляются такими [3-4,12-14):
1. Физика и химия поверхности на атомном уровне, именно здесь достигнуты наибо-
4
лее впечатляющие результаты, такие как прямое наблюдение реконструкции поверхности кремния Бинигом и Росром [15]
2. Исследование биологических структур и органическая химия СТМ является многообещающей методикой для экспериментов в этом направлении, поскольку с его помощью биобьскты можно наблюдать в их природном состоянии и в условиях естественной среды обитания, это является принципиально важным для изучения природы и процессов, происходящих в живой материи. Однако, в силу определённых трудностей, эта область находится пока в зачаточном состоянии и исследования в ней немногочисленны (12-14]
3. "Нанометрия* - исследование с манометровым разрешением шероховатости поверхности в связи с проблемой изучения рассеяния поверхностью электронов проводимости. света, рентгеновского излучения и т.п., зародышеобразования при росте пленок, процессов ионного или химического травления, осаждения и т.п. Эта область сейчас получила весьма бурное развитие [12-14,17]
4. "Нанотехнология" - область электроники, охватывающая проблемы получения, исследования и применения манометровых структур в микро- и наноэлектроникс. Важным ее направлением является нанолитографня Под этим термином обычно понимается всякая контролируемая и достаточно стабильная локальная модификация поверхности методами сканирующей туннельной микроскопии. Результатом таких модификаций является изменение морфологии исследуемой поверхности. В зависимости от степени контроля и интенсивности взаимодействий игла-поверхность модификация поверхности может быть осуществлена от микронного до атомного уровня.
Существует четыре фундаментальных процесса реализации модификации поверхности: удаление атомов поверхности, осаждение нового вещества, перемещение адсорбированных атомов и стимулирование поверхностных химических реакций К настоящему времени в области нанолэтографии получены уникальные результаты: на поверхностях создаются искусственные электронные компоненты наномстрового размера в виде холмов и/или ямок [10-12,17-19], проводятся эксперименты по манипулированию отдельными атомами и молекулами (в виде перемещения по поверхности, удаления, осаждения и пр.), составлению рисунков из отдельных атомов и атомному конструированию новых систем [3,4,7,20-21], локальной стимуляции химических процессов [11-14] и др. Наиболее яркие достижения нанотехнологии в последнее время, показывающие её потенциальные возможности, представлены на рис.1. Тем самым, вполне реальным становится развитие совершенно нового направления в электронике - наноэлектроннки [22-23], основанной на физических процессах, имеющих место в объектах атомных размеров
5
В настоящее время рабо-1 ы по переходу от микроэлектроники к наноэлсктроникс получили интенсивное развитие, поскольку резервы дальнейшего повышения быстродействия микроэлектронных приборов, работающих на основе дрейфо-диффузионного переноса носителей, технологически практически уже исчерпаны. Характерной особенностью наноэлектроннки является стремление к предельному уменьшению линейных размеров функциональных элементов вплоть до размеров атомов. Это обусловлено современными практическими потребностями формирования и использования таких элементов Если их характерные размеры становятся сравнимыми с масштабом когерентности электронной волновой функции: с межатомными расстояниями и с дебройлеровской длиной волны электронов, то происходит изменение свойств твердых тел и существенными являются квантовые эффекты, принципиально меняющие физику происходящих процессов. Поэтому переход от микроэлектроники к наноэлектроннкс - это уже не количественный, а качественный переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами. Это открывает новые, нередко необычные возможности использования таких объектов в качестве элементов приборов электронной и вычислительной техники.
Желание модифицировать вещества на атомном уровне стимулируется целями, простирающимися от сохранения информации с высокой плотностью записи до преднамеренного преобразования генетического материала Наблюдающийся в настоящее время большой интерес к нанотехнологии в первую очередь обусловлен сё потенциальными возможностями по удовлетворению потребности дальнейшего усовершенствования элементной базы уже существующих электронных приборов и создания принципиально новых Он стимулируется тем, что СТМ позволяет формировать и исследовать электрические свойства структур, размеры которых недоступны современным методам литографии таким, например, как электронно-лучевая и рентгеновская (~1-10 нм) (3-4) Приборы с такими характерными размерами, по всей видимости, составят основу элементной базы интегральных схем следующего поколения. Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли пути к реализации новых типов диодов, транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие функции за счёт особенностей взаимодействия электронов с наноструктурами (23-24) Достоинством таких приборов является высокая компактность, повышенное быстродействие, исключительно низкое энергопотребление, высокая степень надежности и совместимость с микроэлектронными устройствами, что, несомненно, приведет к качественному совершенствованию всей вычислительной и электронной техники. Стремительное развитие технологических работ по созданию элементов наномстровых размеров приближает реализацию приборов со сверхвысокой плотностью интеграции
6
а)
б)
гИС. 1. Наиболее яркие достижения наногезнолтин н последнее время, а) Последовательные СТМ отображения, полученные во время создания упорядоченного массива из атомов ксенона на поверхности кристалла никеля (110) при -4 К а снерхвысоком вакууме. Высота букв, составленных из атомов ксенона, составляет 5 нм 110,20). б) Последовательные СТМ изображения, подученные в режиме постоянною тока (0.01 В, 1.0 нА) во время сборки круга ю атомов Ре на поверхности Си(111) при очень низкой температуре (-4 К) в сверхвысоком вакууме. Средний диаметр крут составляет 14.25 нм. Структура собиралась посредством поштучной атомной сборки с помошью иглы СТМ. Наблюдаемые на изображении концентрические ko.it.ua есть измыкния и локальной плотности состояний, связанные со стоячими волками, создаваемыми поверхностными электронами, находящимися внутри круга из атомов Ре ("квантовый короля*) [18].
7
(болос 10й элсмснтов/см3) и сверхвысоким быстродействием (более 101: операций/с). К сравнительным недостаткам в настоящее время следует отнести нанвысшне по трудности реализации требования к созданию нанометровых областей наименьших разх»еров, позволяющих осуществить функционирование данных устройств при комнатной температуре, а также высокие требования к однородности и химической совместимости используемых материалов.
Одним из важнейших достоинств нанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможность трехмерного изготовления наноэлектронных схем. Наличие такого свойства у разрабатываемой технологии играет исключительно важную роль, так как полупроводниковая микроэлектроника, фактически, так и осталась планарной, позволив реализовать очень ограниченное число уровнен металлизации для формирования межсоединений Это не только сдерживает развитие интегральных схем с большим числом элементов, но и не позволяет технологически реализовать исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большое число связей между элементами.
Таким образом, казалось бы, что в некотором смысле технология дошла до своего естественного предела: молекулярных и атомных размеров Однако, именно это породило существенные трудности и, несмотря на то, что СТМ сейчас не имеет себе равных по разрешающей способности и потенциальным возможностям манипулирования отдельными атомами, привело к тому, что нанотехнология и базирующаяся на ней наноэлекгроннка не получили пока широкого прюлснсния ввиду целого ряда имеющихся проблем:
-малой области сканирования (до 10 мкм*). трудности локализации шггересующей области образца в пределах сканирования, преимущественно статического метода анализа происходящих на поверхности процессов и ограниченного круга используемых материалов, -ограниченного быстродействия СТМ-литографин и сравнительно невысокой производительности и воспроизводимости процесса модификации в настоящее время по отношению к процессам традиционной планарной технологии.
-отсутствие адекватных теоретических моделей предполагаемых процессов, протекающих на поверхности при её модификации методами СТМ вследствие недостаточной изученности физических процессов, протекающих на локальном участке исследуемой поверхности под иглой микроскопа при осуществлении процесса модификации, а также структуры, свойств, стабильности и воспроизводимости получаемых на нём наноструктур ввиду большой сложности проведения анализа наноразмерных объектов в процессе их формирования;
-неизучснностью технологических параметров и влияния различных факторов, определяющих воспроизводимый процесс модификации.
8
Таким образом, несмотря на радужные прогнозы и большое количество исследований [10-12,14-15,17-19], объем которых постоянно растет, достижения в этой области пока приходится признать, в некотором смысле, достаточно скромными в силу вышеприведенных проблем В связи с этим, в настоящее время работы, направленные на углубление понимания процессов модификации поверхности представляются весьма актуальными. Для практического воплощения достижений нанотехнологии в реально действующих устройствах еще необходимо решить большое число проблем как на уровне исследовательских работ, так и на уровне технологических разработок Тем не менее, это отнюдь не умаляет уже достигнутого в этом направлении, а скорее характеризует существенную сложность решаемых задач, находящихся на границах возможностей различных технологических направлений. Поэтому исследования в области нанотехнологии всё еще остаются предметом искусства экспериментатора, требуя высокого профессионализма и специального оборудования.
В настоящее время в развитии нанотехнологии наступил этап, когда первые рекордные результаты, скорее показывающие сё потенциальные возможности, уже достигнуты, а массовая технология, которой можно пользоваться для создания наноэлектронных схем (также, как сейчас пользуются планарной), пока отсутствует. Главной причиной ее отсутствия является наряду с вышеприведенными проблемами нерешённость задачи создания проводящих наноструктур на «полирующей поверхности диэлектрической подложки. С помощью современной техники на базе сканирующих туннельных микроскопов можно активировать лишь материал, расположенный между вершиной острия и проводящей, а не диэлектрической поверхностью, как это обычно требуется для практических целей
Поэтому главное направление развития нанотехнологии - это создание проводящих элементов на изолирующих материалах. В силу этого, наряду с традиционным исследованием поверхностей металлов в СТМ в настоящее время всё большое внимание уделяется исследованию и модификации поверхностей материалов, имеющих отчётливо выраженные диэлектрические или полупроводниковые свойства [9.11,17-19,23-25].
Теоретическое и экспериментальное исследование СТМ-сисгсмы (игла-образец) в двух её довольно разнородных ипостасях: металл-металл и металл-диэлектрик также весьма важно и интересно и с точки зрения изучения физики и технологии осуществления самого процесса модификации поверхности, который, как уже упоминалось, до сих пор остаётся не полностью понятым.
Доведение методов модификации поверхности с помощью СТМ до уровня технологии. позволяющей с высокой степенью надёжности и воспроизводимости создавать
9
низкоразмерные элементы нужной конфигурации, требует ясного понимания происходящих при этом физических процессов Используемые способы модификации поверхности разнообразны как по техническому исполнению, так и по используемым физическим процессам. В настоящее время известен целый ряд физических процессов, которые могут быть использованы в качестве доминирующих при локальной модификации поверхности. Возможные воздействия острия СТМ на поверхность твердого тела при нанолитографии с определенной долей условности можно разделить на четыре вида [26]: механическое, влияние сильного электрического поля, массопсрснос вследствие градиента температур и стимулированные химические реакции Однако, для получения достоверных и надежно воспроизводимых результатов необходимы более детальные исследования этих процессов
Граница нашего познания всегда находится в движении. Сегодняшнее открытие завтра становится уже составной частью той духовной обстановки, в которой протекает каждодневная исследовательская работа Процесс продвижения границы наших завоеваний, возделывания и освоения нового идет последовательными этапами. Так и нанотехнология медленно, но верно движется в сторону создания регулярных структур малых размеров с высокой плотностью элементов Пока это только разного рода массивы наноструктур на поверхности, но стремительное развитие работ по нанотехнологии, осуществляющееся в настоящее время на базе СТМ, по всей видимости, все же приведет к решению вопроса о создании массовой технологии, к "нанонндустриалыюй революции" и невиданному прогрессу новых технологий [22-23,27].
Цмь и задачи исследования.
Исходя из сказанного выше, главной целью настоящей работы являлось выявление основных закономерностей формирования неоднородностей на исследуемых в СТМ поверхностях разнородных материалов (металлов, диэлектриков и полупроводников) при локальном воздействии на них сильного электрического поля, а также изучение различных факторов, определяющих воспроизводимый процесс модификации.
Для достижения поставленной цели было необходимо решение следующих задач:
1. Исследование влияния сильных электрических полей в СТМ на морфологию поверхности различных по фнзико-химнческим свойствам материалах при одинаковых экспериментальных условиях, изучение стабильности и воспроггзводнмостн возникающих наноструктур
2 Исследование особенностей модификации поверхности при наличии тонких оксидных слой».
3. Исследование влияния физико-химических свойств материала острия на модификацию поверхности в СТМ.
10
4. Изучение влияния характеристик электронной схемы СТМ на процесс модификации поверхности.
Цель достигалась экспериментальным исследованием процессов, протекающих на
исследуемых поверхностях при создании в локальной области сильного электрического
поля; установлением и выявлением оптимальных параметров воздействия иглы СТМ на
приповерхностную область образца, при котором имеет место устойчивое формирование наноструктур.
В качестве объекта исследований использовались тонкие металлические плёнки Аи, естественные оксидные пленки на поверхности металлического N1 и полупроводникового РЬТе.
Научная новизна работы.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней получены новые результаты при исследовании процессов модификации поверхностей и создаваемых при этом наноструктур на основе методики импульсного увеличения напряжения между остриём и образцом в сканирующем туннельном микроскопе на воздухе:
I На примере молельной системы металлическое остриё-плёнка золота впервые показано, что на величину амплитуды импульса, необходимую для модификации, существенное влияние оказывают физико-химические характеристики материала, из которого изготовлено остриё.
2. Впервые продемонстрирована возможность модификации поверхности системы оксид никеля - никель. В результате воздействия одиночных электрических импульсов в зависимости от амплитуды модифицирующего импульса возникают характерные особенности либо в виде холмов манометровых размеров (диаметром 20-70 нм и высотой 7-20 нм), либо в виде ямок (диаметром 100-300 нм), процесс образования которых имеет вероятностный порогообразный характер
3. Впервые обнаружены существенные различия в характеристиках процесса модификации в системе оксид-проводник по сравнению с поверхностями металлов, выражающиеся в большей величине разности потенциалов, необходимой для модификации поверхности, в случае эмиссии электронов из образца и наличии зависимости размеров создаваемых наноструктур от амплитуды импульса
4. Впервые обнаружено, что величина порогового напряжения существенно зависит от характеристик электронной цепи СТМ. Сопоставление значений пороговых напряжений возможно только при условии стандартизации параметров используемого электронного обеспечения микроскопа
Таким образом, в результате проведённых экспериментальных исследований и
II
- Київ+380960830922