Локальное анодное оксидирование
Нанолитография
Создатели сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) первыми предложили
использовать его и в качестве инструмента для модификации поверхности образца.
Действительно, в области локального контакта зонда с образцом могут возникать
достаточно большие силы, напряженности электрического поля и плотности
электрических токов. Раздельное или совместное действие этих факторов может
приводить к заметной локальной модификации поверхности образца и зонда. То
есть, повышая уровень взаимодействия между зондом и образцом, можно перевести
СЗМ из измерительного режима работы с нулевым или минимальным уровнем
разрушения исследуемой поверхности, в литографический режим, обеспечивающий
создание на поверхности образца заранее заданных структур с нанометровым
уровнем пространственного разрешения. Таким образом, было открыто новое
направление – зондовая нанотехнология.
Виды сканирующей зондовой литографии
В соответствии с видами локального взаимодействия СЗМ зонда с поверхностью
выделяют следующие виды зондовой литографии:
- СТМ литография;
- АСМ анодно-окислительная литография;
- АСМ силовая литография;
- Другие специфические виды (электростатическая зарядовая литография,
литография с помощью зонда ближнепольного оптического микроскопа
и др.).
СТМ литография
Существует множество разновидностей СТМ литографии. Наиболее простой
способ модификации поверхности с помощью СТМ заключается в непосредственном контактном воздействии СТМ зонда на поверхность. Это приводит к появлению ямки на поверхности образца, но при этом может повреждаться и сам зонд. Более щадящий способ воздействия на поверхность заключается в подаче на образец импульса тока высокой плотности или электрического поля высокой напряженности. Поверхность образца под зондом при этом может расплавляться и даже частично испаряться (Рис. 5-1). СТМ зонд может перемещать частицы материала по поверхности образца, либо удалять их оттуда,
манипулировать большими молекулами и даже отдельными атомами (Рис. 5-2).
Локальное анодное оксидирование
В этом виде литографии изменяется не только рельеф образца, но и локальные электрофизические свойства его поверхности. Например, при подаче напряжения на
проводящий АСМ зонд на поверхности образца может начаться электрохимический процесс, и металлический слой под зондом начнет окисляться. Этот метод
используется на воздухе, когда зонд и поверхность материала покрыты тонким слоем абсорбированной воды. Когда зонд приближается достаточно близко к поверхности образца, эти абсорбированные слои соприкасаются, и вследствие капиллярного эффекта, между острием и образцом возникает водяная перемычка.
Таким образом, при подаче напряжения возникает электрохимическая реакция между зондом и поверхностью образца в водной среде. Если поверхность имеет положительный заряд, а острие – отрицательный, то они будут электрохимически взаимодействовать соответственно как анод и катод, и непосредственно под острием начнет расти оксидный слой (Рис. 5-3).
Необходимо отметить, что диаметр оксидных наночастиц, измеренный по
полувысоте, составляет 8-10 нм. При использовании таких наночастиц в качестве элементов записи эффективная плотность записи информации может составить 1
Тб/кв. дюйм.
Наномодификация поверхности не ограничивается только формированием точек.
Используя соответствующее программное обеспечение можно организовать
перемещение зонда вдоль заданных векторов и формировать линии и более сложные
объекты.
Для сложных рисунков можно проводить растровую литографию, которая
осуществляется в процессе сканирования поверхности. То есть зонд проходит по
всем точкам выбранной области сканирования, а не только по точкам и линиям,
соответствующим рисунку шаблона, как в векторной литографии. В качестве
шаблона в растровой литографии служит заранее загружаемый графический файл.
Разница между наибольшим и наименьшим возможным напряжением на образце
делится пропорционально в соответствии с наибольшим и наименьшим значениями
яркости на исходном изображении, и, в соответствии с этим, будет меняться высота
анодного оксидного слоя на поверхности образца, формируя на ней
топографический контраст. Пример растровой литографии приведен на Рис. 5-4 б, на
котором изображен нобелевский лауреат Жорес Алферов.
Силовая литография
СЗМ позволяет осуществлять непосредственное силовое воздействие зондом на
поверхность образца. Это может производиться двумя способами – статическим
воздействием (наногравировка) и динамическим воздействием (наночеканка).
· Процесс гравировки хорошо известен как средство формирования рисунка на
поверхности предмета. Реализация такого процесса с использованием методов
сканирующей зондовой микроскопии позволяет осуществлять наногравировку с
нанометровым разрешением. При осуществлении наногравировки с использованием
методики обычной контактной силовой микроскопии зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с достаточно большой силой прижима, так что на подложке (или на расположенном на ней слое резиста) формируется рисунок в виде углублений (царапин) (Рис. 5-5). Такая методика использует принцип вспашки: материал извлекается из подложки вполне определенным образом, оставляя канавки с характерным сечением, определяемым формой кончика зонда.
Для проведения силовой литографии необходимо, очевидно, чтобы твердость материала зонда была выше твердости образца. При этом не должно происходить залипание кантилевера и налипание частиц материала подложки на зонд.
Шероховатость образца должна быть небольшой (обычно не более 1-10 нм). Также необходимо, чтобы поверхность была чиста от загрязнений. Для осуществления силовой литографии хорошо подходят некоторые полимеры, такие как поликарбонат и полиэтилен.
Такая технология нанолитографии достаточно проста и дешева, однако у нее есть
определенные недостатки. При формировании наноканавки статическим воздействием зонда случайные торсионные изгибы кантилевера приводят к краевым неоднородностям рисунка. Кроме того, при работе с твердыми поверхностями этот метод приводит к быстрому разрушению зонда.
· С использованием динамической силовой литографии (наночеканки) модификация поверхности происходит за счет формирования углублений на поверхности образца колеблющимся зондом (Рис. 5-6), при этом используется прерывисто-контактный метод сканирования. Такой метод нанолитографии свободен от торсионных искажений и позволяет производить визуализацию сформированного рисунка без серьезного воздействия на поверхность подложки или резиста. Кратковременное «укалывание» поверхности также защищает зонд от быстрого разрушения.
Динамическая литография может производиться с использованием векторного
(Рис. 5-6 а) или растрового (Рис. 5-6 б) сканирования.
· Векторная литография осуществляется по заранее заданному рисунку, ее преимущество заключается в относительно большой скорости, однако она не позволяет варьировать силу воздействия на подложку в процессе литографии.
· Растровая литография осуществляется более медленно, поскольку при ее проведение сканирование осуществляется по всей площади участка подложки, на которой формируется рисунок, однако она позволяет осуществлять различное (в зависимости от рисунка шаблона) по силе воздействие зонда на подложку.
В получении хороших результатов в растровой литографии с использованием
наночеканки большую роль играет предварительная подготовка графического
изображения-шаблона. Белому цвету на изображении соответствует отсутствие
воздействия на образец, черному цвету – воздействие с максимальной силой. При
подготовке изображения наиболее важные детали необходимо окрашивать в черный
цвет таким образом, чтобы области черного цвета были достаточно большими и не
чередовались с малыми белыми участками, а фон и ненужные детали, как правило,
заливаются белым цветом. Также иногда бывает полезно повысить контрастность
изображения.
Литография сканирующими зондами даёт высокое разрешение, обеспечивая возможность манипулирования отдельными атомами. Основным недостатком этой
