eng
Развитие современной электроники требует постоянного уменьшения размеров создаваемых структур, одним из перспективных способов получения которых являются методы литографии с помощью атомно-силового микроскопа. Эти методы включают механическое индентирование поверхности, в том числе термомеханическое, манипуляцию отдельными молекулами, различные воздействия с помощью электрического поля: анодное окисление, испарение с поверхности, химическое осаждение вещества, изменение зарядов, создание микровзрывов и ударных волн [1]. Из них одним из первых был реализован метод локального анодного окисления (ЛАО), который в настоящее время изучается наиболее интенсивно.
Теги: afm lithography atomic force microscopy graphite local anodic oxidation (lao) атомно-силовая микроскопия графит литография локальное анодное окисление лао
Суть метода – к зонду прикладывается напряжение, отрицательное относительно подложки. Во влажном воздухе поверхность зонда адсорбирует воду, в зазоре между ним и подложкой образуется столб воды (мениск), в котором под действием напряжения возникают ионы Н+ и ОН– и существование которого подтверждают опыты по выращиванию оксида при различной влажности: чем более влажная среда, тем больше мениск и число ионов, тем быстрее растет оксид. Такие ионы окисляют поверхность подложки, а поскольку объем оксида часто больше, чем исходного вещества, то формируется выступающий рельеф.
С момента своего появления метод ЛАО активно применялся для создания оксидных структур, причем в случае сверхпроводящих пленок термическое воздействие позволяет локально изменять величину критического тока [2], а с помощью математического моделирования удается получать картину распределения силовых линий между концом иглы и образцом [3].
В данном исследовании изучалось воздействие ЛАО на высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ). Выбор материала обусловлен тем, что при его скалывании образуются обширные атомно-гладкие террасы: графит проводит электрический ток и является самой распространенной подложкой для бионанообъектов, поскольку обладает высокой биосовместимостью и не оказывает разрушающего воздействия [4] на осаждаемые биоматериалы. Если создать на поверхности такого графита при выращивании оксида структуры из зон разной проводимости, то к биобъекту можно будет подвести микроконтакты из неокисленных областей и изучать его локальные проводящие свойства.
Экспериментальные результаты
Исследования проводились с помощью СЗМ «ФемтоСкан». В экспериментах использовался свежесколотый высокоориентированный пиролитический графит [5] и кантилеверы с проводящим покрытием производства НИИФП им. Ф.В.Лукина. Задача заключалась в том, чтобы продемонстрировать что при использовании графита метод ЛАО позволяет получать оксидные структуры высокого качества.
Одно из преимуществ ЛАО – литографии заключается в том, что не требуется изготовление маски на материальном носителе с разрешением в 10 нм. В этом случае она рисуется с помощью графического редактора, причем, чем светлее участок на маске, тем большее к нему прикладывается напряжение. Если выбрать размер кадра для литографии порядка 1×1 мкм и воспользоваться маской, изображенной на рис.1, в результате на поверхности получится изображение енота, причем этот енот с полным правом может называться наноенотом, так как размер его глаза составляет примерно 40 нм.
Основным фактором в литографии с использованием АСМ является качество зонда. Хорошо зарекомендовали себя зонды с золотым покрытием. Вместе с тем использование платинового покрытия в основном не позволяло уверенно осуществлять качественную литографию. Кроме того, собственно радиус кривизны острия зонда влияет на толщину линий, которая составляла 10–15 нм.
Качество литографии и количество сформированного оксида зависят не только от влажности, но и от времени приложения напряжения и его величины. По этой причине иногда для получения непрерывной линии на площадке 1×1 мкм приходится тратить около 30 мин. При такой скорости значительную роль начинает играть тепловой дрейф: происходит расширение нагреваемого лазером и внешней средой участка образца, расширяются детали самого микроскопа. В результате зонд не контролируемо уходит от выбранного места. Это может привести к значительным искажениям. На рис.2 представлены изображения двух енотов, в разной степени пострадавшие от такого дрейфа.
Серьезные сбои, нарушающие целостность рисунка, вызываются внешними вибрациями, которые могут приводить к сильным смещениям на результирующем изображении. Так, на рис.3 в результате внешнего воздействия наблюдается сдвиг верхней части слова RACCOON.
Часто на изображении возникает "полярность", т.е. его фрагменты с одного края оказываются более низкими (рис.4). Этот эффект наблюдался при экспериментах с платиновыми зондами: меньший по высоте край совпадал с местом начала процесса литографии. Поэтому эффект можно объяснить тем, что зонд сначала под действием напряжения очищался от налипших чешуек очень мягкого материала – графита, и только после этого начинал полноценно растить оксид.
Еще одна проблема связана с достоверностью данных, получаемых с помощью СЗМ. Известно, что вследствие конечной толщины зонда формируются уширенные объекты. При литографии при быстром сканировании подвергнутые локальному анодному окислению области получаются завышенными, причем очень часто один и тот же участок при прямом и обратном движении иглы оказывается сначала возвышенностью (отображается более светлым цветом), а потом ямой (более темное отображение). На рис.5 представлены более светлое и темное изображения, соответствующие одному и тому же участку поверхности, но один из них получен при прямом проходе иглы, а другой – при обратном.
Для преодоления такой ситуации следует уменьшить скорость сканирования, тогда обратная связь позволит обеспечить более точное отображение действительной формы поверхности. Три профиля для одной строки, где чередуются участки, подвергнутые ЛАО, и обычные участки, полученные при разной скорости, представлены на рис.6. Видно, что линии прямого и обратного прохода с уменьшением скорости сближаются, и рельеф становится менее гладким.
Данные от двух проходов не противоречат друг другу. Однако результаты, полученные на малой скорости, когда успевает срабатывать обратная связь, вызывают больше доверия.
В целом, несмотря на серьезные трудности, сопряженные с процессом нанолитографии с помощью ЛАО (тепловой дрейф, внешние вибрации, неподходящие зонды), получение качественной картинки возможно, и метод нуждается в дальнейшем развитии.
Литература
X.N. Xie, H.J. Chung, C.H. Sow, A.T.S. Wee. Nanoscale materials patterning and engineering by atomic force microscopy nanolithography. – Mat. Sci. and Eng. R 54 (2006) 1–48.
Hyeong-Gon Kang, Seong Kyu Kim, Haeseong Lee. The analysis of superconducting thin films modified by AFM lithography with a spectroscopic imaging technique. – Surf. Sci. 600 (2006) 3673–3676.
V.Cambel, J.Martaus, J.Soltys, R.Kudela, D.Gregusova. AFM nanooxidation process – Technology perspective for mesoscopic structures. – Surf. Sci. 601 (2007) 2717–2723.
V.Stary, L.Bacakova, J.Hornэk, V.Chmelэk. Bio-compatibility of the surface layer of pyrolytic graphite. – Thin Solid Films 433 (2003) 191–198.
http://www.nanoscopy.net/rus/products/accessories
С момента своего появления метод ЛАО активно применялся для создания оксидных структур, причем в случае сверхпроводящих пленок термическое воздействие позволяет локально изменять величину критического тока [2], а с помощью математического моделирования удается получать картину распределения силовых линий между концом иглы и образцом [3].
В данном исследовании изучалось воздействие ЛАО на высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ). Выбор материала обусловлен тем, что при его скалывании образуются обширные атомно-гладкие террасы: графит проводит электрический ток и является самой распространенной подложкой для бионанообъектов, поскольку обладает высокой биосовместимостью и не оказывает разрушающего воздействия [4] на осаждаемые биоматериалы. Если создать на поверхности такого графита при выращивании оксида структуры из зон разной проводимости, то к биобъекту можно будет подвести микроконтакты из неокисленных областей и изучать его локальные проводящие свойства.
Экспериментальные результаты
Исследования проводились с помощью СЗМ «ФемтоСкан». В экспериментах использовался свежесколотый высокоориентированный пиролитический графит [5] и кантилеверы с проводящим покрытием производства НИИФП им. Ф.В.Лукина. Задача заключалась в том, чтобы продемонстрировать что при использовании графита метод ЛАО позволяет получать оксидные структуры высокого качества.
Одно из преимуществ ЛАО – литографии заключается в том, что не требуется изготовление маски на материальном носителе с разрешением в 10 нм. В этом случае она рисуется с помощью графического редактора, причем, чем светлее участок на маске, тем большее к нему прикладывается напряжение. Если выбрать размер кадра для литографии порядка 1×1 мкм и воспользоваться маской, изображенной на рис.1, в результате на поверхности получится изображение енота, причем этот енот с полным правом может называться наноенотом, так как размер его глаза составляет примерно 40 нм.
Основным фактором в литографии с использованием АСМ является качество зонда. Хорошо зарекомендовали себя зонды с золотым покрытием. Вместе с тем использование платинового покрытия в основном не позволяло уверенно осуществлять качественную литографию. Кроме того, собственно радиус кривизны острия зонда влияет на толщину линий, которая составляла 10–15 нм.
Качество литографии и количество сформированного оксида зависят не только от влажности, но и от времени приложения напряжения и его величины. По этой причине иногда для получения непрерывной линии на площадке 1×1 мкм приходится тратить около 30 мин. При такой скорости значительную роль начинает играть тепловой дрейф: происходит расширение нагреваемого лазером и внешней средой участка образца, расширяются детали самого микроскопа. В результате зонд не контролируемо уходит от выбранного места. Это может привести к значительным искажениям. На рис.2 представлены изображения двух енотов, в разной степени пострадавшие от такого дрейфа.
Серьезные сбои, нарушающие целостность рисунка, вызываются внешними вибрациями, которые могут приводить к сильным смещениям на результирующем изображении. Так, на рис.3 в результате внешнего воздействия наблюдается сдвиг верхней части слова RACCOON.
Часто на изображении возникает "полярность", т.е. его фрагменты с одного края оказываются более низкими (рис.4). Этот эффект наблюдался при экспериментах с платиновыми зондами: меньший по высоте край совпадал с местом начала процесса литографии. Поэтому эффект можно объяснить тем, что зонд сначала под действием напряжения очищался от налипших чешуек очень мягкого материала – графита, и только после этого начинал полноценно растить оксид.
Еще одна проблема связана с достоверностью данных, получаемых с помощью СЗМ. Известно, что вследствие конечной толщины зонда формируются уширенные объекты. При литографии при быстром сканировании подвергнутые локальному анодному окислению области получаются завышенными, причем очень часто один и тот же участок при прямом и обратном движении иглы оказывается сначала возвышенностью (отображается более светлым цветом), а потом ямой (более темное отображение). На рис.5 представлены более светлое и темное изображения, соответствующие одному и тому же участку поверхности, но один из них получен при прямом проходе иглы, а другой – при обратном.
Для преодоления такой ситуации следует уменьшить скорость сканирования, тогда обратная связь позволит обеспечить более точное отображение действительной формы поверхности. Три профиля для одной строки, где чередуются участки, подвергнутые ЛАО, и обычные участки, полученные при разной скорости, представлены на рис.6. Видно, что линии прямого и обратного прохода с уменьшением скорости сближаются, и рельеф становится менее гладким.
Данные от двух проходов не противоречат друг другу. Однако результаты, полученные на малой скорости, когда успевает срабатывать обратная связь, вызывают больше доверия.
В целом, несмотря на серьезные трудности, сопряженные с процессом нанолитографии с помощью ЛАО (тепловой дрейф, внешние вибрации, неподходящие зонды), получение качественной картинки возможно, и метод нуждается в дальнейшем развитии.
Литература
X.N. Xie, H.J. Chung, C.H. Sow, A.T.S. Wee. Nanoscale materials patterning and engineering by atomic force microscopy nanolithography. – Mat. Sci. and Eng. R 54 (2006) 1–48.
Hyeong-Gon Kang, Seong Kyu Kim, Haeseong Lee. The analysis of superconducting thin films modified by AFM lithography with a spectroscopic imaging technique. – Surf. Sci. 600 (2006) 3673–3676.
V.Cambel, J.Martaus, J.Soltys, R.Kudela, D.Gregusova. AFM nanooxidation process – Technology perspective for mesoscopic structures. – Surf. Sci. 601 (2007) 2717–2723.
V.Stary, L.Bacakova, J.Hornэk, V.Chmelэk. Bio-compatibility of the surface layer of pyrolytic graphite. – Thin Solid Films 433 (2003) 191–198.
http://www.nanoscopy.net/rus/products/accessories
Отзывы читателей
