Курс лекций НЭ_ч4-ч5_Богач_2013. Курс лекций " Основы наноэлектроники"

• Название: Курс лекций " Основы наноэлектроники"
• Анкор: Курс лекций НЭ_ч4-ч5_Богач_2013.doc
• Дата: 26.04.2018
• Размер: 3.44 Mb.
• Имя файла: Курс лекций НЭ_ч4-ч5_Богач_2013.doc
• Тип: Курс лекций; #18523
• страница: 10 из 17

4.9.Зондовые нанотехнологии.

4.9.1.Физические основы зондовой нанотехнологии.

Зондовая нанотехнология представляет собой совокупность методов и спо­собов обработки и изменения свойств материала на уровне отдельных атомов, молекул и эле­ментов нанометровых размеров с помощью острийного зонда с одновременной визуализацией и контролем процесса.

Вообще слово технология произошло от греческих слов techne — искусство, мастерство, умение и logos — слово, учение. В такой трактовке зондовая нанотехнология является вершиной человече­ской мудрости и искусства создания приборов и устройств из отдель­ных атомов и молекул.

В основе зондовой нанотехнологии лежат уникальные приборы с зондом — сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно­силовой микроскоп (ACM).

В сканирующем туннельном микроскопе зонд представляет собой металлический игольчатый электрод с очень тонким острием, за­крепленный на трехкоординатном сканере. Зонд-острие, находя­щийся под электрическим потенциалом, располагается перпендикулярно поверх­ности на таком расстоянии от нее, при котором возникает туннельный ток. Тун­нельный ток зависит от величины зазора между острием и поверхностью, а также от величины электрического потенциала на зонде. Если с помощью цепи обратной связи при сканировании поверхности под­держивать постоянным туннельный ток, то можно получить информацию о релье­фе исследуемой поверхности. Это метод «постоянного тока».

Если в процессе сканирования с по­мощью петли обратной связи поддержи­вать постоянным зазор между острием и поверхностью, то по величине туннельного тока можно получить информацию о поверхности на уровне атомного разрешения.

Сущность зондовой технологии на базе туннельного микроско­па заключается как в визуализации поверхности и объектов на ней, так и в формировании, модификации этой поверхности а на­нометровой области.
В атомно-силовых микроскопах зонд-острие крепится на свобод­ном конце гибкой консоли — кантилевера.

Между атомами вещества сближающихся тел действуют силы межмолекулярного взаимодействия F. На рис. 2.27 показана зависи­мость силы Ван-дер-Вальса от расстояния. Эта сила обращается в нуль при R=d0, где d0 — расстояние между центрами взаимодей­ствующих молекул. На больших расстояниях (R > d0) происходит притяжение между телами с силой, пропорциональной R-7, на ма­лых расстояниях (R₀) наблюдается отталкивание с силой, про­порциональной R^-13.
Ван-дер-вальсовские силы притяжения или отталкивания дефор­мируют кантилевер при его взаимодействии с поверхностью. По ре­гистрируемой величине и направлению деформации кантилевера можно судить о рельефе поверхности.



Рис.2.27. Зависимость межмолекулярных сил взаимодействия F от расстояния R.

Методы локального зондового воздействия на поверхность можно использовать для проведения нанолитографических процессов. При этом нужно учитывать ряд физико-химических явлений и эффектов.

Эффект полевой эмиссии. В основе работы туннельного микро­скопа лежит явление автоэлектронной (полевой) эмиссии. Автоэлектронная эмиссия представляет собой явление испускания электронов проводящими телами под действием внешнего элект­рического поля высокой напряженности.

На рис. 2.28 представлена энергетическая диаграмма автоэлектронной эмиссии. На границе металл—вакуум существует потенци­альный барьер величиной (q∙φ), где q — заряд электрона, φ — потен­циал, отсчитанный от уровни Ферми E_F(работа выхода электрона).

Рис. 2.28. Энергетическая диаграмма автоэлектронной эмиссии.

В отсутствие электрического поля распределение потенциала представлено в виде кривой E₁. Потенциальный барьер имеет бесконечную ширину.

При приложении к энергетиче­скому барьеру потенциала созда­ется поле высокой напряженности E ( ≈10⁸ В/см), которое снижает высоту потенциального барьера и уменьшает его протяженность до величины х₂— x₁.

Электроны в виде дебройлей­ской волны туннельно просачива­ются сквозь сниженный и суженный барьер, создавая ток автоэлектронной эмиссии. Величина плотности тока автоэлектронной эмис­сии электронов, подчиняющихся статистике Ферми—Дирака,


где:





m-масса; q – заряд электрона; θ(y) – табулированная функция; φ – работа выхода электрона.

Оценки показывают, что при радиусе закругления острия зонда порядка 10 - 20 нм и при напря­жении 5 В, приложенном к зазору величиной 0,5 нм, плотность тока достигает значений порядка 10⁹ А/см².

Пондеромоторные силы. Под пондеромоториыми силами будем подразумевать механические силы, возникающие в проводниках с током.

В рассматриваемом случае проводниками с током являются зонд и область растекания тока в подложке. На поверхность под зондом действует пондеромоторная сила, которая оценивается как отрица­тельное давление, нормальное к поверхности. Создаваемое механи­ческое напряжение оценивается величиной
σ=ε∙ε₀∙E²/2
где ε — диэлектрическая проницаемость среды между зондом и под­ложкой, ε₀— диэлектрическая проницаемость вакуума, E — на­пряженность электрического поля. Величины пондеромоторных сил таковы, что достигаются значения, при которых начинается пласти­ческая деформация вещества и его разрушение. В полупроводнико­вых образцах возможна локальная глубинная деформация.

Электронный пучок большой плотности производит механическое давление на приповерхностный слой. Это давление в паскалях можно оценить из соотношения


где m, υ, q — масса, скорость и заряд электрона соответственно, Р_q — удельная мощность пучка (Вт/см²), W — энергия в пучке (кэВ).

Поляризационные эффекты и модификация среды в зазоре. В области между зондом и подложкой возникает поляризация молекул среды и их перестройка. Формируются проводящие молекулярные мостики из адсорбированных молекул. Если между острием зонда и поверхностью поместить жидкий диэлектрик, то также быстро фор­мируются проводящие мостики. Величина электрического поля E_m, при котором образуются проводящие мостики, можно вычистить из формулы:
E_m={(μ²+2∙α∙k∙T)^0.5-μ}/α
где α — поляризуемость молекулы; μ — дипольный момент моле­кулы; k — постоянная Больцмана; Т — температура.

Таким образом, при E > E_m поляризованные молекулы в проме­жутке зонд—поверхность будут связаны механизмом диполь-дипольного взаимодействия и ориентированы по направлению поля, формируя мостики.

В атмосферных условиях возможно формирование из адсорбиро­ванных молекул молекулярных мостиков длиной до 100 нм, которые имеют электрические контакты с подложкой и острием. Сформирован­ные таким образом мостики обладают нелинейными электрическими характеристиками и нестандартными резистивными свойствами.

При E < E_m тепловое движение молекул эти мостики разрушает.

(2.18)
Полевое испарение. При высоких значениях напряженности электрического поля наблюдается явление испарения ионов элект­рическим полем. Полевое испарение тесно связано с массопереносом в виде потока положительных ионов. Величина напряженности поля в процессе полевого испарения положительно заряженных ионов определяется выражением:
E_p⁺=



где р — кратность ионизации испаряемого атома, I_к — потенциал ионизации, К — кратность ионизации атома, ζ— энергия испаре­ния атома, φ— работа выхода электрона. Ясно, что энергетически более выгодно испарение многократно ионизированных, чем одно­кратно ионизированных атомов.

Для отрицательно заряженных ионов значение напряженности электрического поля определяется выражением:

E_p^- =



где А_К— сродство к электрону в К-кратном зарядовом состоянии.
Процесс стационарного полевого испарения может происходить при выполнении условия для напряженности электрического поля E_исп> E_p. В противном случае будут возникать молекулярные мос­тики между зондом и подложкой.

Локальные потоки тепла. Плотность туннельного тока может достигать значений 10⁸ А/см². Такие сверхплотные значения тока вызывают на подложке локальный разогрев, который может приве­сти к локальным структурным изменениям вещества.

4.9.2.Контактное формирование нанорельефа.

Контактное формирование нанорельфа представляет собой технологический процесс формирования заданного микрорельефа поверхности.

Контактное формирование нанорельефа основано на воздействии зонда (СТМ или ACM) на поверхность подложки при их механиче­ском взаимодействии. В этом случае зонд может быть использован в качестве микромеханического инструмента для обработки подложки.

Существуют различные методики контактного формирования на­норельефа.

Для выравнивания поверхности подложки разработана методика использования адсорбата газа, находящегося на поверхностях зонда и подложки. Условие сохранения формы зонда можно записать в виде:

τ_з= К∙τ_п

где τ_з — напряжение пластической деформации зонда (для вольф­рама 8,9∙10⁹ Н/см²), τ_п — напряжение пластической деформа­ции подложки (для подложки из олова τ_п ≈ 1,1 • 10⁹ Н/см²), К — коэффициент запаса динамической прочности зонда, который при­мем равным К = 4.

Если вертикально расположенный сканер с К = 4 работает в ко­лебательном режиме с частотой f (10² Гц) и амплитудой колебаний d (10^-7 см = 1 нм), то максимальная сила воздействия на подложку F определяется выражением



где М — масса сканера с зондом, обычно она составляет примерно 5 г.

Условие деформации подложки и сохранения зонда записывается в виде

τ_з> >τ_п
где R — усредненный радиус касания зонда с подложкой.

При пластической деформации подложки в процессе касания зонда происходит выдавливание адсорбата из области соприкоснове­ния. Время выдавливания адсорбата оценивается величиной порядка 0.5 мс. Этого достаточно, чтобы предотвратить непосредственное ка­сание зонда с подложкой. Время выдавливания адсорбата увели­чивается при наличии пленок окислов на поверхности элект­родов.

Используют выравнивание участка поверхности, например пленки золота, методом контактного «выглаживания». Гладкие подложки удается получить путем сканирования при вертикальной модуляции зонда на частоте порядка 1 кГц.

В технике контактного формирования нанорельефа по верхности подложек предпочтительно использовать зонды с алмаз­ными остриями. Для этого кристаллы алмаза легируют соответству­ющими примесями для получения достаточной их проводимости.

4.9.3.Бесконтактное формирование нанорельефа.

Бесконтак­тное формирование нанорельфа представляет собой технологиче­ский процесс создания на поверхности металлических подложек заданных наноструктур.

К таким наноструктурам могут быть отнесены, например, от­дельные бугорки на поверхности. В определенной системе наличие такого бугорка означает один бит информации, а его отсутствие, со­ответственно, ноль.

Локальная деформация подложки может быть осуществлена раз­личными путями. Одним из них является воздействие зонда СТМ путем создания механического напряжения σ за счет электро­статического поляE :
σ=ε∙ε₀∙E²/2
где ε — диэлектрическая проницаемость среды между зондом и под­ложкой, ε₀— диэлектрическая проницаемость вакуума, E — на­пряженность электрического поля.

Существует понятие электростатического поля порога пластиче­ской деформации E₀ : E₀= 2.l∙10³∙ τ^0.5 В/см, где τ — механическое напряжение, при котором начинается пластическая деформация.

Другой способ заключается в локальном тепловыделении при прохождении больших плотностей тока через поверхность подлож­ки. Возможны методы «холодной» деформации подложек, основан­ные на поверхностной диффузии атомов подложки в неоднородных электрических полях.

В методе бесконтактного формирование нанорельефа целесооб­разно использовать переменное гармоническое электрическое поле на частотах, лежащих в мегагерцевом диапазоне, в котором исклю­чается возникновение перемычек между зондом и подложкой.

4.9.4.Локальная глубинная модификация поверхности.

Ло­кальная глубинная модификация поверхности представляет собой технологический процесс создании элементов наноэлектроники в полупроводнике под поверхностью оксидного слоя путем локально­го изменения физико-химических свойств материала.

Локальная глубинная модификация проводится с помощью про­водящего зонда по следующей технологической схеме (рис. 2.30). К поверхности полупроводниковой подложки 2, защищенной окисным слоем 1, подводится зонд 3. К зонду с радиусом закругления R при­ложено напряжение U. Электрическое поле проникает в подложку на глубину L, составляющую десятки и сотни нанометров. Под по­верхностью на глубине z₀ формируется область пластической моди­фикации радиусом r, который определяется приложенным электри­ческим напряжением.



Рис.2.30. Схема локальной глубинной модификации полупроводника.
Максимальная глубина залегания области модификации наблю­дается при пороговом напряжении U_пор , которое определяется как



где τ₁— предел пластичности, ε₁, ε₂ — диэлектрические проницае­мости соответственно пленки и полупроводника, q — заряд элект­рона, п₀ — концентрация равномерно распределенных ионизиро­ванных примесей.

При этом напряжении глубина залега­ния области модификации определяется выражением:


Оценки показывают, что при n₀= 5∙10¹⁸ см^-3 при пороговом напряже­нии 144 В максимальная глубина залега­ния области локальной модификации со­ставляет z_0max = 195 нм.

Процесс локальной модификации по­лупроводников должен проходить так, чтобы исключить эмиссию электронов с зонда. В противном случае возможен локальный разогрев поверхности и инжекцин электронов в область пространственного заряда. Таким образом, неправильная полярность приложенного напряжения может существенно умень­шить глубину модификации.

4.9.5.Межэлектродный массоперенос.

Межэлектродн ый массоперснос с нанометровым разрешением представляет собой тех­нологический процесс создания наноразмерпых элементов путем осаждения эмитированных с острия ионов.

В основе процесса межэлектродного массопереноса лежит явле­ние полевого испарения проводящих материалов под воздействием сильных электрических полей.

В сильных электрических полях формируется поток эмитирован­ных положительных ионов с плотностью тока



где п — плотность атомов распыляемого вещества; М — масса ато­мов; а — амплитуда колебаний атомов на поверхности.

Оценки показывают, что характерное значение j составляет по­рядка 10⁵ А/см², что соответствует потоку 10¹⁰ частиц с квадратного нанометра. Поток атомов с зонда имеет тенденцию к расширению, и поэтому для контроля процесса массопереноса им необходимо управлять.

Для целенаправленного массопереноса с помощью туннельного мик­роскопа необходимо сформировать острие зонда и поддерживать его форму, контролировать нагрев острия проходящим током.

С помощью зонда можно осущест­вить массоперенос отдельных атомов. С этой целью из газовой фазы на подложке адсорбируются необходи­мые атомы. В процессе сканирования в режиме постоянного туннельного тока зонд подводится к адсорбирован­ному атому. Траектория зонда иска­жается и в этом случае легко полу­чить информацию об измененной ад­сорбированным атомом топологии по­верхности (рис. 2.31а).


Рис. 2.31. Схема траектории зонда над адсорбированным ато­мом (а) и режим манипуляции с адсорбированным атомом (б).
Если острие приблизить к адсорбированному атому, то зонд за счет ван-дер-влальсовских сил может захватить атом. Захваченный таким образом адсорбированный атом можно оставить в любой точ­ке поверхности (рис. 2.316). Для этого необходимо изменить прило­женное к острию напряжение. Таким способом можно пере­группировывать атомы, поатом­но строить на поверхности раз­личные наноструктуры по наме­ченной программе.

На рис. 2.32 приведен класси­ческий пример самых маленьких в мире букв IBM, состоящих из 35 атомов ксенона, которые размещены на поверхности кристалла никеля. Каждый атом был посажен на свое место с помощью с по­мощью острия, на котором менялся потенциал. Время написания та­кой рекламной вывески составило примерно один час.

4.9.6.Электрохимический массоперенос.

Электрохимический массоперенос представляет собой технологический процесс электросаждения атомных слоев металла на подложку с помощью туннельного микроскопа.

Электрохимический массоперенос осуществляется с помощью электрохимического сканирующего туннельного микроскопа. Его от­личительной особенностью является то, что зонд и подложка погружены в электролит. С помощью петли обратной связи зонд удержи­вается на расстоянии до микрометра за счет сохранения постоянства тока Фарадея в электролите.

Масса осажденного металла определяется из первого закона Фа­радея, в соответствии с которым масса металлического осадка М за время процесса t определяется из формулы


где η— токовая эффективность массопереноса, 1 — ток в цепи, т — масса ионов, χ— кратность ионизации иона, q — заряд элек­трона.

Методом электрохимического массопереноса проводят осаждение пленок серебра на проводящие подложки из пленок полимерных ионных проводников, а также формирование элементов металличе­ского рисунка на внешней поверхности полимера.

4.9.7.Массоперенос из газовой фазы.

Массоперенос из газовой фазы представляет собой технологический процесс формирования пленок из газовой фазы металлоорганических соединений с по­мощью сканирующего туннельного микроскопа.

В основе этой технологии лежат процессы разложения газообраз­ных металлсодержащих соединений в зазоре между зондом и под­ложкой и последующее локальное формирование металлических пленок. Разложение происходит в процессе неупругого рассеяния электронов, эмитированных острием. Возможен также процесс осаждения металлических пленок, связанный с образованием микроплазмы между зондом сканирующего электронного микроскопа и подложкой.

Технологией массопереноса из газовой фазы были осаждены пленки кадмия из газа диметила кадмия, вольфрама из гексакарбо­нила вольфрама, золота из диметилтрифторацетилацетоната золота и др. Давление газа находилось в пределах 60 - 250 Па, напряжение от­рицательной полярности на зонде составляло 30 - 40 В, эмиссион­ный ток в пределах 5 нА. Создавались локальные участки металли­зации с характерным размером 10 нм.

Существует также процесс, в котором потоком электронов инициируется травление материала предварительно осажденной тонкой пленки в среде активного (как правило, галогенсодержаще­го) газа. Локальная обработка здесь уже идет по материалу, полученному отдельно в заданных условиях, а значит, и с жела­емыми свойствами.

Первые результаты для СТМ были получены при травлении кремнии в парах WF₄ при давлениях 1.33∙10² Па -3.99∙10³ Па. Игла СТМ при этом находилась под напряжением от -15 В до -20 В, размер протравленных элементов составил около 20 нм.

Заметим, что металлоорганика и металлгалогены являются весь­ма токсичными и поэтому требуют специальных мер защиты.

4.9.8.Локальное анодное окисление.

Локальное анодное окисление представляет собой технологический процесс транс­формации проводящих подложек путем их окисления в диэлектрические структуры с одно­временной визуализацией и контролем формирующихся структур.

В обычных атмосферных условиях поверхности, как правило, покрыты пленкой из нескольких монослоев адсорба­та, основу которой составляет вода. В процессе стимулирова­ния током зонда атомного си­лового микроскопа под зондом образуется мениск (рис. 2.34). Под острием формируется на- ноячейка, в которой происхо­дит окисление поверхности подложки.

Процесс анодного окисле­ния происходит в результате протекания следующих цепных реакций на аноде:



на катоде



В зазоре устанавливается равновесие:




Рис. 2.34. Схема процесса локального анодного окисления титана: 1 - прово­дящее покрытие кантилевера; 2 - слой адсорбата: 3 — анодный оксид, 4 — собственный оксид титана; 5 — титано­вая пленка.
На процесс зондового окисления существенное влияние оказывает адсорбционно-десорбционный баланс в наноячейке.

Реакции свидетельствуют о значительном потреблении воды в ходе анодного окисления.

Толшина образующегося оксида зависит от приложенного потен­циала и длительности процесса и может быть определена из урав­нения



где ΔU — прикладываемая к наноячейке разность потенциалов, Δφ - скачки потенциала в электрохимической цепи, Е_с — напряженность электрического поля, χ — электрохимический эквивалент окисле­ния пленки, R -сопротивление цепи, S — площадь окисленной поверхности, t - время.

Пример формирования окисленных участков на поверхности пленки титана приведен на рис. 2.35. Окисление проводилось зон­дом атомно-силового микроскопа при потенциале 10 В и длительно­стью процесса от 10 до 1000 мс.

Рис. 2.35. Распределение высоты рельефа оксидных линий на поверхности титановой пленки в перпен­дикулярном линиям сечении. Три последние цифры в секундах.
Окисленные участки титановой пленки удалось визуализировать вследствие их разбуха­ния. Разбухание пленки связано с окислительным процессом и переходом кристаллической струк­туры титановой пленки в аморфное состояние. В зависимости от времени процесса окисления ме­няется высота окислен­ной пленки (рис. 2.35).

С помощью специаль­ного программного обес­печения можно создавать векторные рисунки с од­новременным формиро­ванием наноструктур. Обеспечена ширина оксидной пленки 8 - 10 нм. С помощью такой технологии можно создавать тонкие туннельно-прозрачные барьеры, одноэлектронные приборы и другие типы наноприборов.

4.9.9.СТМ-литография.

Литография с помощью СТМ предъ­являет особые требования к качеству пленки резиста с точки зрения ее однородности и постоянства толщины. Традиционные полимеры из-за большой степени полимеризации (до 10⁴) при создании особо тонких пленок требуют специальных методов их нанесения, чтобы полимерные молекулы располагались вдоль по­верхности. Высокая степень полимеризации является препятствием соблюдения постоянства толщины пленки. В этом отношении для литографии с помощью СТМ хорошо бы подошли ленгмюровские пленки, если среди них обнаружатся негативные и позитивные резисты. Ленгмюровские пленки представляют собой упорядочен­ную структуру из сильно асимметричных линейных молекул, ко­торые выстраиваются параллельно друг другу и вертикально по отношению к поверхности. Нанесение на поверхность нескольких мономолекулярных слоев позволяет добиться очень высокого ка­чества получаемой пленки.

Следует отметить, что возможность использования СТМ для ли­тографии по диэлектрической пленке резиста не является очевид­ной. Энергии туннелирующих электронов может оказаться недоста­точно для разрушения (или сшивания) молекул резиста. Поэтому вначале предлагалось использовать СТМ в автоэлектронном режи­ме. В связи с этим здесь интересно сравнить разрешающие способности и традиционной электроннолучевой литографии (ЭЛЛ) и лито­графии с использованием СТМ.

Разрешающая способность ЭЛЛ ограничена несколькими факто­рами, связанными с конструктивными особенностями оборудования и физикой процесса экспонирования. Основными ограничениями яв­ляются эффекты пространственного заряда и аберрация линз, а так­же рассеяние электронов в резисте и подложке. Литография с СТМ лишена всех этих проблем.

Прежде всего, СТМ лишен каких бы то ни было элементов элект­ронной оптики и, следовательно, всех присущих ей недостатков. В то же время эффекты пространственного заряда в СТМ должны быть бо­лее выражены. Действительно, электронная плотность п вблизи ост­рия СТМ определяется из выражения п = J/(q∙ v), где J — плотность тока, v — скорость электронов, q — заряд электрона. Как уже говори­лось, по плотности тока СТМ значительно превосходит существующие электронно-лучевые ускорители (ЭЛУ), а скорость электронов в СТМ на один-два порядка меньше. В результате электронная плотность вблизи острия СТМ превышает соответствующее значение для ЭЛУ более чем в 10⁴ раз. Соответственно увеличивается расходимость элек­тронного пучка вследствие взаимодействия электронов друг с другом. Влияние пространственного заряда туннелирующих электронов нель­зя считать слабым, а расходимость электронного пучка достигает 45°, и тем не менее малая величина туннельного зазора позволяет добиться хороших результатов при экспонировании резиста.

Несколько сложнее ситуация с рассеянием электронов в мишени. Известно, что у современных ЭЛУ, имеющих ускоряющее напряже­ние 10 - 30 кВ, пробег электронов в мишени составляет 2-4 мкм и сравним с размерами формируемых элементов. Обратнорассеянные электроны экспонируют близлежащие области резиста, что приво­зит в ряде случаев к смыканию соседних элементов топологии. Для устранения этого эффекта предлагается, в частности, существенно повысить ускоряющее напряжение ЭЛУ. При этом увеличение дли­ны пробега электронов в мишени приведет к выравниванию фона обратнорассеянных электронов, который затем может быть отсечен подбором режимов проявления резиста. Такой метод в настоящее время считается одним из наиболее перспективных.

Что касается рассеяния электронов в мишени при использовании СТМ, то при напряжении всего в несколько десятков вольт эта про­блема решается таким образом, что уже основную роль в эффекте близости играют не рассеянные в мишени электроны, а отраженные от поверхности. При этом характерный радиус эффекта (в зависи­мости от параметров прибора) уменьшается до 100 - 300 нм. Тем не менее, литография под действием электронного пучка может быть осуществлена в наноразмерах с использованием сканирующего тун­нельного микроскопа. Для этих целей применяется обычная методи­ка облучения электронами резиста, порог срабатывания которого со­ответствует U = 8 эВ. т. е. СТМ работает в режиме автоэлектронного микроскопа. Минимальные размеры формируемых структур со­ставляли около 20 нм.

Модификация химического состава поверхности может быть осу­ществлена путем разложения вещества на поверхности и активации процессов сегрегации отдельных компонентов химического соедине­ния. Однако для записи информации в целях ее хранения этот спо­соб слишком громоздок и требует много времени (порядка секунд).

Следует отметить одно препятствие в создании металлического рисунка на поверхности подложки. Дело в том, что изображение с характерными размерами около 10 нм деградирует за счет диффу­зии металла вдоль поверхности за несколько часов. Этот факт, яв­ляющийся общим для всех рассматриваемых технологических про­цессов, требует дополнительных исследований.

СТМ нанолитография с лазерной активацией.

При всех своих преимуществах СТМ как литографиче­ский прибор имеет некоторые недостатки. Чтобы сообщить туннели­рующим электронам энергию, достаточную для модификации моле­кул резиста, необходимо прикладывать высокое ускоряющее напряжение и поддерживать ток выше некоторого критического зна­чения. Типичное значение энергии деструкции молекул резиста ти­па РММА составляет примерно 25 эВ. Чтобы достичь таких энергий, приходится, увеличивая напряжение, смещаться из области тунне­лирования в область автоэмиссии, что затрудняет работу в воздуш­ной среде. В то же время большое значение тока может привести к нежелательным эффектам, например, разогреву резиста и острия иглы, накоплению заряда в резисте. Избавиться от этого недостатка можно путем совместного использования лазера и СТМ. При сов­местном использовании прецизионного, но маломощного СТМ и мощного лазера с широким пучком на лазер возлагается функция возбуждения молекул резиста, которые затем могут быть легко раз­рушены под действием туннельного тока.

При облучении резиста светом видимой части спектра или мягким ультрафиолетовым светом энергии фотонов, которая в этом случае со­ставляет 2 - 20 эВ, недостаточно для фотодеструкции или фотоиони­зации полимерных молекул. Постоянно приложенное напряжение к игле СТМ сообщает электронам недостающую энергию, что вызывает деструкцию молекул резиста. Выбирая соответствующим образом ра­бочую частоту лазера, получаем возможность селективного возбужде­ния и разрыва связей в молекулах резиста. Существует несколько факторов, способствующих реализации описанного метода. Во-первых, поглощение острием иглы СТМ электромагнитного поля (фото­нов) приводит к фотоэмиссии электронов. Поскольку значение тун­нельного тока поддерживается постоянным, то данный эффект вызы­вает увеличение средней энергии туннелирующих электронов, кото­рые теперь способны вызвать ударную ионизацию молекул резиста. Во-вторых, вблизи острия иглы СТМ имеет место эффект усиления электромагнитного поля на несколько порядков, что дает возможность не только использовать лазер меньшей мощности, но и локализовать его влияние в активной области вблизи острия иглы СТМ.

Рассмотренный выше метод литографии предъявляет повышен­ные требования к стабильности лазерного излучения ввиду сильного влияния последнего на характер туннелирования электронов.

Если обобщить все сказанное о применении СТМ в нанолитогра­фии, то в итоге можно сформулировать следующее; формирование и сборка наноструктур с помощью сканирующего зонда по существу перспективна, но есть два ограничения — она относительно дорогая и относительно медленная. Хотя достигнуты значительные успехи в построении машин, в том числе и СТМ, использующих сотни или даже тысячи зондов одновременно, создание наноструктур с приме­нением методов зондового сканирования все еще очень похоже на ручную сборку.