Разработка и исследование технологических основ процесса фотонностимулированного локального анодного окисления наноструктур на основе si/SiO 2 /Ti
Скачать 323.25 Kb.
|
| В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований режимов формирования ОНС в тонкой пленки титана методом ЛАО, в условиях фотонной стимуляции. Экспериментальные исследования активируемых процессов формирования ОНС в пленке титана методом ЛАО проводилось на СЗМ Solver P47 Pro (производитель - ЗАО “Нанотехнология - МДТ”, г. Зеленоград) с использованием поставляемых в комплекте принадлежностей и программного обеспечения. Описывается методика получения ОНС методом фотонностимулированного ЛАО, основанная на облучении области, в которой проводилось ЛАО, УФ-светодиодом (CREE, USA) и ИК-светодиодом (АЛ-103А) максимальные значения интенсивности излучения которых соответствовали длинам волн 395 и 900 нм. При проведении векторной нанолитография в динамическом режиме АСМ, интенсивность взаимодействия зонда с поверхностью подложки обратно-пропорциональна току цепи обратной связи системы управления сканирующего зондового микроскопа (в программе Nova RC1 – параметр Set Point). Влажность внутри технологической камеры контролировалась с помощью цифрового измерителя влажности Oregon Scientific ETHG913R и составляла 50, 70 и 90±1%. Используя кремниевые кантилеверы марки NSG10 с проводящим W2C покрытием, при приложении импульсов напряжения амплитудой в диапазоне от 5 до 10 В, длительностью 100 мс и скорости сканирования – 1 мкм/с, на поверхности тонкой пленки титана формировались матрицы регулярных оксидных наноразмерных структур в виде точек. Выбор структуры обусловлен тем, что, с одной стороны, она обеспечивает достаточное количество объектов для достоверной статистической обработки экспериментальных результатов, а с другой стороны широко применяется в приборах наноэлектроники в качестве матрицы центров рассеяния с регулируемыми топологией и параметрами. Затем проводилась статистическая обработка полученных АСМ-изображений с использованием программного пакета Image Analysis 2.0 (ЗАО “Нанотехнология-МДТ”, г. Зеленоград). По полученным статистическим данным были построены зависимости средних значений высоты и диаметра оксидных наноразмерных структур от амплитуды напряжения, приложенного к системе зонд-подложка, при различных значениях влажности и тока цепи обратной связи системы управления СЗМ, представленные на рис. 3-4.
Анализ полученных зависимостей показывает, что при увеличении тока цепи обратной связи системы управления СЗМ происходит уменьшение геометрических размеров оксидных наноразмерных структур (рис. 3). Причиной этого эффекта является увеличение расстояния между зондом и поверхностью подложки, за счет изменения параметра SetPoint. Помимо этого установлено, что стимуляция УФ- и ИК-излучением оказывает подавляющее воздействие на процесс ЛАО пленки титана, в результате чего происходило уменьшение высоты и диаметра оксидных наноразмерных структур. Также из полученных экспериментальных данных следует, что УФ-стимуляция процесса ЛАО пленки титана приводит к увеличению значение порогового напряжения с 5,5 до 6 В при относительной влажности 90% (рис. 3,а) и с 6 до 7 В при относительной влажности 50% (рис. 4,а).
Выявлены закономерности влияния длительности импульсов напряжения на геометрические параметры формируемых ОНС в пленке титана методом ЛАО в условиях фотонной стимуляции. ЛАО проводилось путем подачи импульсов напряжения амплитудой 10 В с длительностью в диапазоне от 10 до 1000 мс при трех значениях относительной влажности (50, 70 и 90%), как при стимуляции УФ- и ИК-излучением, так и без нее. Ток цепи обратной связи системы управления СЗМ (параметр SetPoint) составлял 0,5 нА, скорость сканирования – 1,5 мкм/с. На рис. 5,а показано АСМ-изображение полученных ОНС. В результате статистической обработки АСМ-изображений были получены зависимости высоты ОНС от длительности импульса приложенного напряжения, приведенные на рис. 5,б. Из полученных зависимостей следует, что высота ОНС, сформированных при УФ- и ИК-стимуляции меньше, чем при проведении ЛАО без стимуляции, что подтверждает представленные ранее результаты, приведенные на рис. 3-4. Из представленных данных также следует, что при относительной влажности 50% УФ-стимуляция увеличивает пороговое значение длительности импульсов напряжения с 50 до 100 мс. Более слабое влияние УФ-стимуляции на пороговую длительность импульсов напряжения наблюдалась при относительной влажности 70 и 90%. Зависимость высоты оксида, сформированного при влажности 50% и УФ-стимуляции соответствует с рассчитанными зависимостями по разработанной модели.
Описываются закономерности влияния фотонной стимуляции на однородность и воспризводимость геометрических параметров ОНС, а также наноразмерных каналов, формируемых в пленке титана методом ЛАО в условиях фотонной стимуляции. В качестве основных параметров, характеризующих разрешающую способность и воспроизводимость процесса нанолитографии методом ЛАО, использовались средние значения и стандартные отклонения площади основания и максимальной высота оксидных наноразмерных структур. Плоскость сечения, в которой определялась площадь основания структур, проводилась параллельно плоскости подложки на высоте 0,5 нм. Затем, используя полученный массив данных и программный пакет MathCAD, построены гистограммы плотности распределения полученных геометрических параметров наноразмерных структур. Анализ полученных данных показывает, что при проведении ЛАО с УФ- и ИК- стимуляцией средние значения и стандартные отклонения площади основания и максимальной высоты наноразмерных структур меньше, чем при проведении нанолитографии без стимуляции. Меньшие значения стандартных отклонений указывают на большую однородность геометрических параметров наноразмерных структур при проведении ЛАО с УФ- и ИК- стимуляцией. В сочетании с уменьшением средних значений площади основания, это приводит к увеличению латеральной разрешающей способности и воспроизводимости нанолитографии методом ЛАО при УФ- и ИК- стимуляции. Для проверки полученных выводов и исследования влияния фотонной стимуляции на процессы нанолитографии проводилось формирование наноразмерных каналов методом ЛАО. Растровая нанолитография, по шаблону в виде трех пар линий с одинаковым расстоянием между ними, проводилось на пленке титана при облучении области окисления источниками УФ- и ИК- излучения.
Анализ показывает, что при УФ-стимуляции между оксидными линиями формировался канал из титана с поперечными размерами порядка 11 нм, однородный по всей длине (рис. 6,а). В случае отсутствия фотонной стимуляции, и при облучении ИК-излучением оксидные линии сращивались, и канал не формировался (рис. 6,б). Описывается методика исследования термической активации процессов формирования ОНС в пленке титана методом ЛАО. В которой подложка Si/SiO2 с нанесенной тонкой пленкой титана подвергалась нагреву с помощью температурного столика SU003 в диапазоне от 25 до 110 ○С. При проведении ЛАО влажность в технологической камере составляла 80±1%. Используя кремниевые кантилеверы с проводящим W2C покрытием, при приложении импульсов напряжения (длительность - 100 мс, амплитуда – 10 В, SetPoint - 0,1 нА, скорость сканирования - 0,5 мкм/с), в пленке титана формировались оксидные наноразмерные структуры в виде линий. На рис. 7 показаны АСМ-изображения ОНС, полученных при температуре подложки 25○С (рис. 7,а) и 110 ○С (рис. 7,б). По результатам статистической обработки полученных АСМ-изображений построены графики зависимости геометрических параметров (высота и ширина) ОНС от температуры подложки, показанные на рис. 8. Анализ зависимостей (рис. 8, а,б) показывает, что при повышении температуры подложки от 25 до 55○С происходит постепенное увеличение высоты ОНС с 4,6±0,4 нм до 5,6±0,2 нм.
В результате показано, что геометрические размеры ОНС, сформированных в пленке титана методом ЛАО, зависят от температуры подложки. Формирование ОНС при температуре 100○С и выше показывает, что наличие пленки воды на поверхности подложки не является единственным лимитирующим фактором, ограничивающим проведение ЛАО.
При исследовании влияния материала кантилеверов на геометрические параметры ОНС, зондовая нанолитография методом ЛАО проводилась в векторном режиме на пленке титана при подаче импульсов напряжения к системе зонд-подложка (амплитуда – 10 В, длительность импульсов – 300 мс, SetPoint – 0,3 нА). В условиях постоянной относительной влажности – 70±1% формировались ОНС в виде точек с использованием кремниевых кантилеверов с различным проводящим покрытием (W2C, Pt, TiN, поликремний и алмазное покрытие). По полученным статистическим данным были построены зависимости высоты и диаметра ОНС от работы выхода материала покрытия кантилевера – φК, а также разности работ выхода материала покрытия кантилевера и материала подложки (титан) φК- φTi, приведенные на рис. 9. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что ОНС, сформированные кантилеверами с меньшей работой выхода материала проводящего покрытия (TiN) имели большие значения диаметра, по сравнению с другими покрытиями (W2C, поли-Si). При этом явно выраженной зависимости высоты ОНС от материала покрытия кантилевера не наблюдалось. Геометрические параметры ОНС, сформированных кантилеверами с алмазным покрытием, имели самые большие значения за счет большого диаметр зонда (~70 нм). Полученные экспериментальные результаты также коррелировали с результатами, показанными на рис. 4,б (в виде □), исследований разрешающей способности метода ЛАО от материала покрытия кантилевера [2]. Также при УФ-стимуляции ЛАО наблюдалось уменьшение геометрических параметров ОНС.
Актуальной задачей является отработка режимов формирования каталитических центров на основе ОНС никеля, формируемых с помощью метода ЛАО, для повышения воспроизводимости синтеза упорядоченных массивов нанокристаллов, а также управление их геометрическими размерами. В диссертационной работе были отработаны режимы формирования ОНС в пленке никеля, которые могут быть использованы в качестве каталитических центров для роста углеродных нанотрубок, а также нитевидных нанокристаллов ZnO, ZnxMg1-xO. В четвертой главе приведены экспериментальные результаты влияния фотонной стимуляции некогерентным УФ- и ИК-излучением на процесс формирования и геометрические характеристики (поперечная ширина) наноразмерных каналов проводимости в пленке титана. Формирование наноразмерных каналов проводилось в режиме растровой нанолитографии методом ЛАО при подаче импульсов напряжения амплитудой 10 В, скорости сканирования – 1 мкм/с, относительной влажности 70±1% и SetPoint -0,5 нА. На рис. 10 приведены АСМ-изображения полученных наноразмерных каналов проводимости методом фотонностимулированного ЛАО некогерентным УФ- и ИК-излучением. Светлые области на скане соответствуют оксиду титана, тёмные соответствуют неокисленным участкам плёнки титана. Анализ АСМ-изображений показывает, что наиболее однородный по всей длине канал шириной порядка 10 нм (рис. 10, г), показанный на рис. 10, в, был получен при УФ-стимуляции. При проведении ЛАО в условиях стимуляции ИК-излучением и без сформированнные наноразмерные каналы (рис. 10, а и д) при одних и тех же режимах были неоднородными по всей длине (рис. 10, б), а также в некоторых областях канала происходило сращивание двух оксидных линий между собой, при этом канал не формировался (рис. 10, е).
На рис. 11 и 12,а показаны АСМ-изображения наноразмерных структур на основе каналов проводимости с поперечными размерами порядка 10 нм, сформированных методом ЛАО с помощью СЗМ Solver P47 Pro, используя кремниевых кантилеверы с W2C покрытием в атмосфере влажного воздуха, относительная влажность которого поддерживалась постоянной и составляла 80 ±1%, при приложении импульсов напряжения 10 В, скорости сканирования – 1 мкм/с. На рис. 12,б приведена ВАХ наноразмерной структуры, измеренная в режиме АСМ спектроскопии. Схема проведения измерений показана на рис. 12,б. На ВАХ структуры с наноразмерным каналом проводимости, показанной на рис. 12,б, наблюдается несколько ступенек проводимости, что может быть связано с квантованием проводимости наносужения. ВАХ пленки титана, измеренная за пределами оксидной наноструктуры, была омической и имела много большие значения проводимости.
Структуры с такими характеристиками могут быть пригодны для создания диодов наноэлектронных цепей. Кроме того такие структуры, сформированные в полупроводниковых гетероструктурах, содержащих двумерный электронный газ, могут использоваться в качестве наноразмерных ячеек памяти [3]. Представлены разработанные топологии различных типов наноэлектронных структур. Такие структуры могут быть сформированы как на системах металл-окисел-полупроводник, так и на полупроводниковых гетероструктурах, содержащих слой двумерного электронного газа. Формирование структур элементов наноэлектроники проводилось на поверхности пленки титана с помощью зондовой нанолаборатории (ЗНЛ) Ntegra Aura (производитель – ЗАО “Нанотехнология–МДТ”, г. Зеленоград) методом ЛАО в динамическом режиме АСМ. Полученные структуры на основе каналов проводимости будучи планарными структурами, являются гибкими элементами для конструирования схем наноэлектроники, имеющих относительно меньшие проблемы соединения элементов. Это может быть показано на примере разработки и формирования выпрямителя на основе 4-х наноразмерных каналов (рис. 13). Основным достоинством таких структур является то, что операция литографии осуществляется за один шаг.
На рис. 14 показано АСМ-изображение структуры логического вентиля (ИЛИ) на основе двух наноразмерных каналов проводимости, сформированного в пленке титана методом ЛАО. Такая простая планарная структура при приложении напряжения к входу 1 и входу 2 может выполнять функцию логического вентиля, работающего при комнатной температуре. Для формирования элементов наноэлектроники на основе наноразмерных каналов проводимости, выполненных в тонкой пленке титана методом ЛАО, был разработан шаблон многофункциональной тестовой структуры с использование многофункционального нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 (ЗАО “Нанотехнология-МДТ”, г. Зеленоград). Внешние электроды связаны с центральной модифицируемой областью, в основе которой лежит анодоокисляемый материал. Ширина дорожек связана с минимальным размером фотолитографии. Критическим параметром является шероховатость модифицируемой части образца в виде «квадрата», которая должна удовлетворять следующим требованиям: 1. обеспечение стабильного протекания тока с минимальным вкладом собственного сопротивления; 2. прокисление металлической пленки на всю толщину. Многофункциональный нанотехнологический комплекс НАНОФАБ НТК-9 (ЗАО “Нанотехнология-МДТ”, г. Зеленоград) является модульной технологической платформой, включающей технологические установки с возможностями групповых и нанолокальных методов обработки подложек диаметром до 100 мм. В единую в сверхвысоковакуумную систему технологических модулей входят модули для групповых (МЛЭ) и для локальных воздействий (ФИП, СЗМ и др.) с возможностью прецизионного транспорта и позиционирования образца. Технический потенциал НАНОФАБ НТК-9 позволяет формировать наноразмерные структуры методами зондовой нанолитографии и методом фокусированных ионных пучков, что характеризует данное устройство, как мощный инструмент для разработки и изготовления наноструктур и элементов наноэлектроники на их основе. Для реализации приборов были разработаны технологические маршруты изготовления элементов наноэлектроники на основе металлических пленок и полупроводниковой гетероструктуры применительно к НАНОФАБ НТК-9.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
В приложениях приведены: список публикаций по теме диссертации, акты внедрения на промышленных предприятиях и в научных организациях, акты использования научных результатов в учебном процессе. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | Исследование вокальной речи как нестацинарного случайного процесса... Работа выполнена на кафедре теоретических основ радиотехники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге... | | Дипломную работу по теме «Исследование кинетики окисления цитохрома р-450 методом флеш-фотолиза» Медицинский, на Медико-биологический факультет, отделение биохимии. На 6-ом курсе выполняла дипломную работу по теме «Исследование... |
| Разработка научных и технологических основ создания эффективных алюмоводородных... Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенном институте высоких температур Российской академии... | | +2 их акцептором. В реакции (2) происходит перемещение электронов... Окислительно-восстановительные реакции – реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих... |
| Отчет о научно-исследовательской работе исследование и разработка... Директор ресурсного центра информатизации образования (рцио), канд техн наук, доцент | | Разработка и исследование методов распознавания объектов в массивах... |
| Разработка и исследование алгоритмов распознавания изображений на... | | Аннотация отчет «Исследование влияния электромагнитных полей разных частотных диапазонов на свойства органических наноструктур и живых систем» аналитической... |
| Исследование гетерогенно-каталитических реакций окисления органичесих соединений Курина Лариса Николаевна, д хим н., профессор, заслуженный деятель науки рф, член-корр. Рае, академик рае | | Окислительно-восстановительные реакции Уметь определять степени окисления элементов в простых и сложных веществах, различать понятия: степень окисления, составлять уравнения... |
| Интенсификация обработки плоскостей с учетом технологических требований... Ведущее предприятие: фгуп научно-производственный центр газотурбостроения «Салют», г. Москва | | Методическая разработка по дисциплине «Современные системы технологии» Актуальность изучения учебной дисциплины «Современные системы технологий» определена задачами подготовки специалистов в понимании... |
| Разработка и исследование интегрированных алгоритмов размещения элементов... Специальности: 05. 13. 12 – Системы автоматизации проектирования, 05. 13. 17 – Теоретические основы информатики | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Определение степени окисления атомов по формуле вещества. Составление формулы вещества по степени окисления элементов |
| Разработка и исследование моделей поведения динамических объектов... Специальность: 05. 13. 18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ | | Ее Величества Реакции Цель: продолжить формировать умения учащихся в определении степени окисления элементов, процессов окисления и восстановления в овр;... |
