Наноразмерная модификация поверхности полупроводников и металлов зондом атомно-силового микроскопа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ЩЕГЛОВ Дмитрий Владимирович

НАНОРАЗМЕРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И МЕТАЛЛОВ ЗОНДОМ АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА

Специальность - 01.04.07 Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск-2004

Работа выполнена в Институте физики полупроводников СО РАН и Новосибирском государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Неизвестный Игорь Георгиевич

Ведущая организация: Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых веществ, Черноголовка, Московской обл.

Защита состоится «29» июня 2004 г. в «10» часов на заседании диссертационного совета К003.037.01 при Институте физики полупроводников Сибирского отделения Российской Академии наук по адресу:

630090, Новосибирск, пр. Лаврентьева, 13, конференц-зал, адм. корп.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики полупроводников Сибирского отделения Российской Академии наук.

Автореферат разослан «27» мая 2004 г.

Латышев Александр Васильевич

кандидат физико-математических наук Зайцев Борис Николаевич

Учёный секретарь

диссертационного совета,

кандидат физико-математических паук,

доцепт

С.И.

Чикичев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Значительный прогресс в структурной диагностике низкоразмерных систем достигнут благодаря развитию и широкому применению методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ): сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и др. [1]. Эти методы, основанные на эффектах взаимодействия заострённой иглы с исследуемой поверхностью, в кратчайшие сроки стали основными инструментариями структурных исследований поверхности в физике, геологии, химии, биологии, медицине. Относительная простота интерпретации получаемых изображений при высокой разрешающей способности и прецизионной точности измерений зондовой микроскопии позволяет решать многочисленные задачи, которые невозможно решить другими экспериментальными методами.

Достоинством методов сканирующей зондовой микроскопии является возможность получения трёхмерного изображения рельефа поверхности, формирование которого оптической или электронной микроскопией затруднено и сопряжено со значительными математическими расчётами. Другим преимуществом СЗМ диагностики является способность получения карт распределения по поверхности ряда параметров, таких как потенциал, кулоновский заряд, электрическая ёмкость, намагниченность, твёрдость, оптические характеристики и др. Возможности проведения локальной спектроскопии, основанной на взаимодействии зонда-острия с поверхностью, продолжают расширяться, превращая СЗМ в важный инструмент многосторонней диагностики поверхности на нанометровом и даже атомном уровне.

К неоспоримому превосходству методов СЗМ можно причислить способность точного позиционирования острозаточенного зонда относительно исследуемого образца. В частности, это открывает возможность применения этих инструментов для создания нанораз-мерных объектов. В качестве примера, можно привести работы по переносу на острие зонда и укладыванию на поверхности единичных атомов, что является предельным разрешением литографии [2].

Модификация поверхности этим методом обладает высокой локальностью, т.е. не вызывает возмущен гутой

области, тогда как, например, ионная или электронная литография могут искажать потенциальный профиль получаемой структуры, легировать материал подложки, или даже вводить повреждения, разрушающие структуру. Следует отметить, что приёмы СЗМ литографии могут быть реализованы не только в сверхвысоковакуумных условиях, но и воздушной среде, что указывает на их совместимость с существующими кремниевыми технологическими линейками. Достоинством метода нанолитографии СЗМ зондом является возможность проведения в едином цикле прецизионной диагностики рельефа подложки, проведения модификации поверхности и немедленной визуализации полученной структуры, избегая при этом промежуточных процессов нанесения резиста, травления, окисления и т.п.

В последние несколько лет активно исследуются возможности создания наноразмерных объектов на поверхности полупроводников посредством зондовой нанолитографии. Так, например, компания «IBM» разрабатывает несколько видов памяти для электронной промышленности, которая будет основана на технологии «Millepede» модификации поверхности зондом АСМ [3]. Таким образом, изучение физико-химических основ прецизионного наност-руктурирования, основанного на взаимодействии иглы с подложкой, является одним из актуальнейших и приоритетных направлений современных нанотехнологий и нанофизики.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Несмотря на многочисленные исследования р области создания твердотельных полупроводниковых наноструктур, в том числе и в области зондовой нанолитографии, отсутствует детальная информация о физических процессах ианомодификации поверхности полупроводников и металлов посредством зонда сканирующего зон-дового микроскопа.

Целью настоящей работы является развитие основ зондовой нанолитографии для создания действующих наноприборов с уникальными свойствами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

♦ Установление особенностей локального анодного окисления и механического воздействия иглы атомно-силового микроскопа на полупроводниковые и металлические подложки.

♦ Определение основных физических факторов, ограничивающих пространственное разрешение модификации подложки иглой атомно-силового микроскопа.

♦ Оптимизация процессов наномодификации поверхности зондом атомно-силового микроскопа для увеличения латерального разрешения и глубины модификации подложки.

♦ Разработка воспроизводимой технологии литографии на-нометрового диапазона на основе взаимодействия иглы канти-левера с подложкой.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

Изучены и дополнены данные о процессах наномодификации

поверхности полупроводников и металлов посредством зонда СЗМ,

что отражается в следующих результатах:

♦ За счёт прецизионных измерений на специально сформированных плоских подложках со средней шероховатостью менее 1 ангстрема, определены или уточнены параметры, характеризующие физические механизмы локального анодного окисления поверхностей кремния, арсенида галлия, титана и кремния-на-изоляторе.

♦ Показано, что механические напряжения, возникающие на границе между кристаллом и анодным оксидом в объёме кристалла, ограничивают перенос носителей заряда в зону реакции.

♦ Рассчитана модель протекания тока в системе проводящая игла-подложка, учитывающая наличие диэлектрической плёнки на поверхности подложки и напряжённого слоя в объёме кристалла на границе с оксидом.

♦ Обоснован и успешно реализован механизм уменьшения падения напряжения на слое естественного оксида на поверхности полупроводников за счёт формирования в нём каналов проводимости при периодическом механическом разрушении проводящей иглой.

♦ Разработана методика измерения и построены зависимости геометрической формы мениска адсорбированной на подложке

водяной плёнки при различной влажности и температуре для различного удаления иглы кантилевера от подложки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

♦ Практическая ценность работы состоит в разработке технологии нанолитографии на основе модификации поверхности подложки проводящей иглой атомно-силового микроскопа, которая позволяет проведение литографии с глубиной модификации до ЮОнм, что в несколько раз превышает значения, известные в литературе.

♦ На основе анализа механизмов локального анодного окисления поверхности под зондом атомно-силового микроскопа определены пути управления латеральным разрешением зондовой литографии за счёт оптимизации относительной влажности окружающего воздуха и напряжения, прикладываемого к проводящей игле микроскопа.

♦ Предложен способ количественной характеризации адсорбированного на поверхности слоя водяного пара, основанный на анализе взаимодействия иглы с подложкой при её приближении и удалении.

♦ Разработаны основы векторной и растровой зондовой нанолитографии, позволяющей формирование низкоразмерных объектов и совместимой со стандартными технологическими маршрутами твердотельной электроники.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: IV, V и VI Российские конференции по физике полупроводников, 1999, Новосибирск, 2001, Нижний Новгород и 2003, Санкт-Петербург; Scanning Probe Microscopy-2001, 2002, 2003 International Workshop, Nizhny Novgorod; 8-я российская конференция "GaAs и полупроводниковые соединения группы III-Y', Томск, 2002; 5-th Russia-Japan seminar on semiconductor surfaces issue, Vladivostok, B-2, 2002; Международное рабочее совещание «Кремний-2002», Новосибирск, 2002; Tenth АРАМ topical seminar and third conference "Materials of Siberia" "NANOSCIENCE AND TECHNOLOGY', Novosibirsk, 2003; 11th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and

Technology, St Petersburg, 2003; 12th International Conference on Scanning Tunneling Microscopy Eindhoven, Netherlands (STM'03); HI Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе, Кремний 2003, Москва.

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертационной работы опубликовано 4 работы по зондовой нанолитографии, 5 работ по зондовой диагностике в центральных отечественных и международных изданиях и более 20 тезисов.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

Экспериментальные результаты по прецизионному измерению параметров, характеризующих основные физические механизмы локального анодного окисления поверхностей кремния, арсенида галлия и титана, инициированного электростимули-рующим воздействием иглы сканирующего зондового микроскопа в атмосферных условиях.

Разработка метода и результаты измерения зависимости геометрической формы мениска адсорбированной на подложке водяной плёнки вокруг острия зонда АСМ при различной влажности для различного удаления зонда от поверхности подложки.

Выявление возможности управления латеральными и вертикальными размерами (аспектным отношением) областей локального анодного окисления посредством контроля эффективного сечения реакции при изменении площади смачивания острия кантилевера в приповерхностном слое воды.

Разработка и успешная апробация технологии сверхглубокой (до 100 нм) зондовой нанолитографии с латеральными разрешением менее 40 нм, включающей оптимизацию ряда параметров локального анодного окисления при повышенных потенциалах для минимизации влияния слоя естественного оксида в системе зонд-подложка и релаксацию механических напряжений, возникающих на границе оксид-кристалл.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертационная работа состоит из введения, пяти основных разделов с выводами, заключения с общими выводами и списка литературы из 123 наименований. Основное содержание диссертации изложено на 149 страницах и содержит 44 рисунка.

Краткое содержание работы

Во введении дается обоснование актуальности темы исследования, сформулирована цель работы, указана её новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации.

В первом главе рассмотрено современное состояние методов диагностики и модификации поверхности. Анализируются физические факторы, ограничивающие возможности по диагностике поверхности и созданию совершенных поверхностных элементов методами направленных корпускулярных пучков: фотоиндуцирован-ной модификации поверхности, модификации направленными пучками заряженных частиц. Рассмотрены перспективы и тенденции по совершенствованию методов корпускулярной литографии. Далее изложены и охарактеризованы методы исследования поверхности, основанные на эффектах взаимодействия с поверхностью твердотельного острого зонда. В частности, рассмотрены особенности сканирующей туннельной микроскопии. Уделено внимание сканирующей микроскопии атомных сил - атомно-силовой микроскопии.

Проанализированы литературные данные о возможности модификации поверхности твердотельным зондом сканирующих микроскопов. Рассмотрены результаты по изменению свойств поверхности полупроводников и металлов посредством электроиндуциро-ванного зондом локального анодного окисления. Изложена харак-теризация локального анодного окисления в рамках современных моделей, описывающих окисление поверхности, как в присутствии внешнего электрического поля, так и в естественных условиях.

На основе анализа литературных данных о модификации поверхности и их соответствия современным физическим моделям сформулированы основные задачи, решаемые в работе.

Вторая глава посвящена исследованию возможностей метода атомно-силовой микроскопии для прецизионной диагностики поверхности. Рассмотрены основные принципы, лежащие в основе регистрации атомных сил острым твердотельным зондом. Анализируются режимы взаимодействия иглы атомно-силового микроскопа с исследуемой поверхностью. Рассмотрены вибрационно-модуляционные методики работы атомно-силового микроскопа: контактная, полуконтактная и бесконтактная моды сканирования, а так же мода регистрации боковых сил трения. Проанализированы преимущества и недостатки системы позиционирования зонда, основанной на пьезокерамическом сканере, и системы детектирования сигнала, основанной на многосекционном фотодиоде.

С точки зрения получения корректной физической картины поверхности, рассмотрены основные требования к зондам атомно-силового микроскопа.

Анализируются возможности интерпретации результатов, полученных атомно-силовой микроскопией, посредством математического аппарата.

Рассматриваются физические причины, изменяющие качественные и количественные характеристики получаемого изображения поверхности. Для диагностики структуры поверхности полупроводников и металлов изучаются условия формирования оптимального контраста изображений атомно-силовой микроскопии на базе АСМ

Рис.1 Топографическое АСМ-изображение поверхности титановой плёнки на ступенчатой поверхности кремния с массивом из линий локального анодного окисления. Время приложения и величина прикладываемого напряжения увеличивалось на рис. 1а снизу вверх и слева направо, соответственно. Кривые профиля поверхности вдоль линий a-b (Ь) и ^ (с).

«Solver P47-H». Определяются критерии выбора оптимальных условий сканирования и типа зонда для различного вида поверхностей. Проведён анализ влияния формы иглы атомно-силового микроскопа на получаемые АСМ-изображения поверхности («эффект острия» - "tip" - эффект).

Третья глава посвящена исследованию физических механизмов, определяющих локальное анодное окисление поверхности полупроводников и металлов зондом атомно-силового микроскопа. Проведено детальное изучение временных зависимостей интенсивности локального анодного окисления поверхности кристаллов кремния, арсенида галлия и плёнок титана. На поверхностях плёнок титана были созданы окисленные участки посредством локального анодного окисления зондом АСМ при приложении импульсов потенциала в 10В с длительностью от 10 до 1000 мс. На рисунке 1 представлены АСМ-изображения оксидных линий на поверхности титановой плёнки, которые формировались при изменении амплитуды . (слева направо) и длительности приложения (снизу вверх) анодного потенциала, инициирующего локальное анодное окисление.

Представлены результаты аналогичных экспериментов по анодному окислению на поверхности кремния (111) и арсенида галлия

Длительность приложения потенциала,

Рис.2 Зависимости высоты оксидных линий от времени окисления для титана А, арсенида галлия 0 и кремния а при напряжении 10 В.

(001). Зависимости высоты оксидных линий для И, ОаА и от времени окисления показаны на рисунке 2. Было обнаружено, что процесс окисления на поверхности титана более интенсивный, чем на поверхностях кремния и арсенида галлия. Результаты всех измерений находятся в пределах погрешности в соответствии с моделью окисления Мотта [4]:

1юс}1<1п(Мд,

где к - высота оксидной линии, Ис - длина, которая характеризуется энергией электрона, t - время окисления, и ^ - пороговое время для окисления.

Для выяснения механизма локального анодного окисления был проведён анализ полученных данных, учитывающий роль пространственного заряда в процессе локального анодного окисления. При использовании теории Фромхольда [5] логарифмическая модель Мотта дополняется членами, отвечающими за пространственный заряд на границах раздела.

Таким образом, полученная логарифмическая зависимость высоты линий окисления от длительности приложения на зонд АСМ анодного потенциала позволила сделать вывод, что процесс окисления регулируется обменом электронами (дырками). Минимальные времена (пороговое время) приложения на зонд потенциала в 10В, при которых регистрировалось локальное анодное окисление, для титана, арсенида галлия и кремния составили величины 1.4х10-4, 6.5Х104 и 14.5x10" с, соответственно. Пороговая толщина оксида для титана, арсенида галлия и кремния составила величину нм. Высота металл-оксидного барьера для просачивания электрона для титана, арсенида галлия и кремния составила ~60 мэВ. Эти результаты оказались несколько меньше параметров, полученных в других работах от 100 до 300 мэВ [6,7,8]. Поскольку точность определения пороговой высоты напрямую зависит от точности измерения высот линий, а, следовательно, от начальной шероховатости поверхности, мы считаем, что представляемые в данной работе результаты являются более корректными, так как в данной работе все эксперименты проводились на поверхностях с шероховатостями не более 1 ангстрема, что позволило определить пороговую толщину оксида с точностью 20%.

Также представлены результаты особенностей прокисления ультратонких титановых плёнок, толщиной в 4 нанометра. Для вре-

мён окисления вплоть до 5 мс, наблюдался логарифмический характер роста высоты оксида, что, как показано выше, согласуется с первой моделью окисления Мотта [4]. Наблюдаемое насыщение высоты оксида титановой плёнки с увеличением времени приложения потенциала в интервале времён от 5 до 103 мс интерпретировалось, как полное прокисление титановой плёнки толщиной 4 нм под зондом АСЫ. Увеличение времени окисления более 103 мс приводило к дальнейшему увеличению высоты оксидной линии. Предположено, что это связано с начальной стадией процесса окисления кремниевой поверхности сквозь ~6 нм плёнку титанового оксида и естественный оксид кремния под ней.

На поверхности КНИ также были получены линии локального окисления с характерными размерами до 10 нм высотой и до 50 нм шириной.

Сделаны выводы, что за счёт прецизионных измерений на специально сформированных плоских подложках со средней шероховатостью менее 1 ангстрема, определены или уточнены параметры, характеризующие физические- механизмы локального анодного окисления поверхностей кремния, арсенида галлия, титана и крем-ния-на-изоляторе. Поскольку для различных поверхностей пороговая толщина оксида в рамках модели .Мотта была одинаковой, а различалось только пороговое время, вклад которого в рост логарифмически подавлен, сделан вывод, что именно параметр пороговой толщины оксида, является критическим для увеличения глубины окисления до 10 нм и более.

Четвёртая глава посвящена вопросам оптимизации модификации поверхности зондом атомно-силового микроскопа.

Анализируются физические аспекты взаимодействия иглы с поверхностью в присутствии воды. Показано, что благодаря возможности точно измерять искривление балки кантилевера при приближении или отводе иглы от поверхности, на кривой зависимости искривления от расстояния до поверхности можно заметить некото -рые особенности, которые проявляются при наличии на поверхности слоя жидкости. Существование воды на поверхности и игле, изменяет зависимость искривления балки кантилевера от его расстояния до поверхности. В этом случае при приближении к поверхности игла касается слоя жидкости, смачивается, в этот момент

Относительная влажность, 1

Рис.3 Зависимость толщины слоя жидкости от относительной влажности воздуха, измеренная в контактном режиме (а) для поверхности кремния (111). Зависимость добавки к амплитуде колебаний канти-левера от относительной влажности для кремния (111) в полуконтактном режиме (b).

Рис. 4 Топографические АСМ-изображения поверхности кремния (111) с точками локального анодного окисления, полученными при относительной влажности воздуха 75%, потенциале -8В, с увеличением расстояния от поверхности с интервалом 1 нм. Полуконтактный режим (а) и контактный режим (Ь).

менисковые силы инициируют скачкообразное приближение иглы к поверхности (см. рис За, подвод), что вызывает обратный изгиб кантилевера. Вертикальное расстояние от точки «смачивания» до гипотетической точки касания поверхности в отсутствии жидкости может свидетельствовать о суммарной толщине слоя жидкости между иглой и поверхностью в точке касания. При отводе же от поверхности менисковые силы удерживали кантилевер на значительно большем интервале (в ~ 2 раза) расстояний (рис.3а, отвод). Вертикальное расстояние от точки «смачивания», которую можно определить из зависимости изгиба балки от расстояния при приближении, до точки разрыва касания поверхности может свидетельствовать о величине максимального мениска, образующегося вокруг иглы. Таким образом, показана возможность прямым измерением контролировать величшгу слоя жидкости (воды) на поверхности в зависимости от давления паров (влажности) (рис.3Ь). На основе проведённых экспериментов были сделаны следующие выводы: 1) в контактном режиме сканирования на взаимодействие иглы с поверхностью влияет адсорбированная на поверхности жидкость (вода), 2) разработан метод, позволяющий контролировать толщину адсорбированного на поверхности слоя жидкости (воды).

Рис.5. Топографическое АСМ-изображение поверхности GaAs с точками локального анодного окисления иглой АСМ при повышенных анодных потенциалах (а). Изменения инициирующего анодное окисление потенциала от 7 до 40 вольт происходило от точки А к точке В. Профиль рельефа вдоль линии АВ (Ь).

а,

Ь)

На основе анализа взаимодействия иглы с поверхностью в присутствии воды, в рамках предположения о критическом влиянии воды на процесс локального анодного окисления, как источника кислородсодержащих анионов, предложен способ оптимизации латерального разрешения локального анодного окисления посредством контроля эффективной площади реакции анодного окисления (площади мениска). Процесс образования мениска анализируется, с учётом реальной формы иглы зонда и шероховатости поверхности. Рис.4 демонстрирует возможность управления размерами точек локального анодного окисления в контактной моде сканирования посредством контроля эффективного сечения смачивания иглы водой при изменении расстояния до поверхности. Для учёта влияния электростатического поля на образование мениска проведён анализ конфигурации электростатического поля. Выяснено, что 1) радиус кривизны иглы не влияет на напряжённость поля непосредственной под иглой в плоскости поверхности, 2) расстояние иглы до поверхности: не влияет на конфигурацию поля, сохраняя максимальное поле под иглой и быстрое затухание в области вне, 3) радиус кривизны влияет на ширину области с повышенным электрическим полем.

На основании полученных результатов сделаны выводы: 1) изменяя расстояние иглы до поверхности в пределах области смачивания в контактном режиме, можно изменять эффективное сечение смачивания иглы АСМ, а, следовательно, и управлять латеральным разрешением литографии, 2) как в контактном, так и в полуконтактном режиме, влажность воздуха критически влияет на площадь реакции.

Далее в главе представлены результаты модификации поверхности вторым распространённым методом посредством зонда АСМ -непосредственным механическим воздействием иглы на поверхность, - «прямым процарапыванием» [9]. Однако, для относительно мягкого материала ОаАз, такой метод позволил получать глубины лишь до 2 нм, после чего начинала наблюдаться критическая декон-волюция иглы зонда АСМ. На основе данного результата, был сделан вывод о том, что прямое «процарапывание», также как анодное окисление, не позволяет достичь характерной глубины модификации поверхности более десяти нанометров.

Исследование кинетики роста и структуры оксидных линий, полученных АСМ-литографией, установило три лимитирующих фактора процесса наноокисления. Первый фактор - это существование естественного оксида на поверхности, который существенно ограничивает взаимную диффузию ионов, определяющую интенсивность окисления. Второй фактор - это возникновение механических напряжений в объёме полупроводника при разрастании оксида, обусловленных разными молярными объёмами самого полупроводника и его оксида. И, третий фактор - это малая разность потенциалов которая традиционно используется при анодном окислении, так как при повышении напряжения окисление проходит неустойчиво, отсутствует воспроизводимость результатов модификации.

В связи с этим следующим вопросом, который был рассмотрен в этой главе, стало влияние на локальное анодное окисление механического напряжения. Разность в молярных объёмах металла (полупроводника) и его оксида ограничивает глубину получаемой методом локального анодного окисления модификации поверхности. Возникающие при анодном окислении механические напряжения в объёме металла (полупроводника) признаются некоторыми рабочи-

Рис. 6 Топографическое АСМ-изображение поверхности GaAs с действующей структурой, полученной на основе локального анодного окисления иглой АСМ при повышенных анодных потенциалах (а). Профиль рельефа вдоль линии АВ (Ь). Радиус внутреннего канала составил величину около 100 нм [10].

ми группами, как основной фактор, ограничивающий рост при глубинах линий в 5 и более нм [6]. Сравнение энергии механического напряжения с энергией активации диффузии ионов показало, что в интервале максимально возможных упругих напряжений изменение энергии активации диффузии, а, следовательно, изменение диффузии позволит увеличить глубину окисления приблизительно на полпорядка.

На основе детального анализа физических аспектов АСМ-литографии, был предложен метод одновременной механической модификации и анодного окисления поверхности при повышенных потенциалах. Другими словами, реализован метод одновременного приложения на иглу как механического, так и электрического напряжений. «Прямое процарапывание» поверхности иглой АСМ во время роста анодного оксида, с одной стороны, позволило снять естественный оксид с поверхности полупроводника, а, с другой стороны, позволило снять механические напряжения в объёме анодного оксида.

После рассмотрения механизмов локального анодного окисления и факторов, которые лимитируют качество получаемых структур, были произведены усовершенствования рабочей установки. Для успешного гашения электромагнитных помех необходима отдельная металлическая заземлённая ячейка. Контроль влажности необходим в приборе при диагностике и модификации поверхности, так как адсорбированная на образце вода влияет на получаемые результаты. Поскольку основным направлением работы нашего микроскопа является нанолитография посредством электростимулирован-ного иглой наноокисления, то отдельным важным узлом в схеме микроскопа является присутствие согласованной системы подачи напряжения на систему кантилевер-образец.

Для уменьшения влияния малой разности потенциалов было предложено увеличить анод-катодную разность потенциалов. Как видно из рис. 5b, высота линии локального анодного окисления составила величину ~ 35 нм, причём для этих линий наблюдается высокое отношение высота/ширина (~1/3), что делает его перспективным для создания наноструктур.

Пятая глава посвящена особенностям зондовой нанолитогра-фии, с точки зрения формирования совершенных структур. Анали-

зируются преимущества и недостатки векторного и растрового способа проецирования изображения на подложку. Рассматриваются артефакты изображения, влияющие не только на интерпретацию получаемой информации, но и на качество получаемых в результате литографии нанообьектов. В рамках вопроса о совершенстве наноструктур анализируется влияние шероховатости модифицируемой поверхности. Представлены наноструктурные объекты, полученные методом одновременной модификации поверхности гетерострукту-ры AlGaAs/GaAs с эффективными размерами менее 100 нм (рис.6) [10]. Рассматривается вопрос о создании периодичных структур. Показана возможность создания структуры с размерами элемента 25 нм и периодом 50 нм. Проанализировано соответствие рельефа поверхности, получаемого после модификации, с реально существующей в объёме геометрией оксида. Определено соотношение высоты анодного оксида к глубине его проникновения в объём для GaAs. Показано сужение латерального размера части линии локального анодного окисла в объёме по сравнению с выдающейся над поверхностью его частью. Обнаружено соответствие визуально регистрируемой геометрии и физических характеристик получаемых наноструктур.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ СОСТОЯТ В СЛЕДУЮЩЕМ:

1. В результате прецизионного измерения параметров, характеризующих основные физические механизмы локального анодного окисления поверхностей кремния, арсенида галлия и титана, инициированного электростимулирующим воздействием зонда сканирующего зондового микроскопа в атмосферных условиях, получены кинетические зависимости роста анодного оксида, находящиеся в соответствии с логарифмической моделью окисления Мотта: минимальные времена (пороговое время) приложения на зонд потенциала в 10В, при которых регистрировалось локальное анодное окисление, для титана, арсенида галлия и кремния составили величины 1.4Х10-4, 6.5Х10"4 и 14.5x10"4«;, соответственно. Установлено, что характеристическая толщина оксиданезависимо от вида окисляемого материала составила величину Высота металл-оксидного барьера для просачивания электрона для титана, арсени-

да галлия и кремния также составила одинаковую величину ~60 мэВ.

Поскольку для различных поверхностей характеристическая толщина оксида в рамках модели Мотта была одинаковой, а различалось только пороговое время, вклад которого в анодный рост оксида логарифмически подавлен, сделан вывод, что именно параметр характеристической толщины оксида, является критическим для увеличения глубины окисления до 10 нм и более.

2. Разработан и апробирован метод измерения зависимости геометрической формы мениска адсорбированной на подложке водяной плёнки вокруг острия зонда АСМ при различной влажности для различного удаления зонда от поверхности подложки. Продемонстрирована возможность измерения толщины адсорбированного на поверхности слоя воды при изменении влажности воздуха.

3. На основе анализа взаимодействия иглы с поверхностью в присутствии воды, как источника кислородсодержащих анионов, выявлен способ увеличения латерального разрешения и глубины локального анодного окисления посредством контроля эффективной площади реакции анодного окисления (площади мениска). Посредством использования этого метода получены точки локального анодного окисления с уменьшенными латеральными размерами, и увеличенными высотами, что соответствует увеличению отношения высоты к ширине (аспектное отношение).

4. На основе детального анализа физических аспектов локального анодного окисления разработана и успешно апробирована технология сверхглубокой (до 100 нм) зондовой нанолитографии с латеральными разрешением менее 40 нм, включающая оптимизацию ряда параметров локального анодного окисления при повышенных потенциалах для минимизации влияния слоя естественного оксида в системе зонд-подложка и релаксацию механических напряжений, возникающих на границе оксид-кристалл.

5. В результате оптимизации условий растровой и векторной зон-довой нанолитографии при одновременной модификации поверхности гетероструктуры ЛЮаА/ОаАз, кремния-на-изоляторе разрабо-

таны и созданы наноструктурные объекты, с эффективным размером элементов менее 100 нм.

Основные результаты диссертации изложены в рецензируемых работах:

по зондовой нанолитографии -

1. D.V. Sheglov, A.V. Latyshev and A.L. Aseev, "Nano-patterning On Flat Surfaces By AFM Tip', - AIP proceedings, Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy and Related Techniques: 12th International Conf., 2003, CP696, pp.550-554.

2. D.V. Sheglov, Yu.V. Nastaushev,A.V. Latyshev and A.L.Aseev, "Nano-patterning of silicon based nanostructures by AFM probe", -International Journal ofNanoscience, 2004, v. 3,1.

3. D.V. Sheglov, A.V. Prozorov, D.A. Nasimov, A.V. Latyshev and A.L. Aseev, "Peculiarities of nanooxidation on flat surface", - Phys. Low-Dim. Struct., 2002, v. 5/6, pp. 239-247.

4. Ткаченко В.А., Квон З.Д., Щеглов Д.В., Латышев А.В., Торопов А.И., Ткаченко О.А., Бакшеев Д.Г., Асеев А.Л. «Амплитуда осцилляции Ааропова-Бома в малых баллистических интерферометрах», - Письма в ЖЭТФ, 2004, т. 93, № 3, с. 168-172.

по зондовой диагностике-

5. D. A. Nasimov, D. V. Sheglov, E. E. Rodyakina, S. S. Kosolobov, L. I. Fedina, S. A. Teys and A. V. Latyshev, "AFMand STMstudies of quenched Si(lll) surface", - Phys.Low-Dim.Struct., 2003 v. 3/4, pp. 146-152.

6. A.K. Бакаров, А.А. Быков, Н.Д. Аксенова, Д.В. Щеглов, А.В. Латышев, А.И. Торопов, «Соизмеримые осцилляции магнетосопро-тивлепия двумерного электронного газа в GaAs квантовых ямах с корругированными гетерограницами», - Письма в ЖЭТФ, 2003, т. 77, №12, с. 662-665.

7. I.E. Kalabin, T.I. Grigorieva, L.D. Pokrovsky, D.V. Sheglov, D.I. Shevtsov and V.V. Atuchin, "Nanofaceting ofLiNbO3 X-cut surface by high temperature annealing and titanium diffusion", Optics Communications, 2003, V221/4-6, pp. 359-363.

8. S.S. Kosolobov, D.A. Nasimov, D.V. Sheglov, E.E. Rodyakina , A.V. Latyshev, "Atomic force microscopy of silicon stepped surface", -Phys. Low-Dim. Struct., 2002, v. 5/6, pp. 231-239.

9. V.N. Savenko, D.V. Sheglov, E.V. Grigoryev, A.V. Matveev, V.A. Cherepanov, A.S. Zolkin and B.A. Kolesov, "Synthesis of diamond crystals from oxygen-acetylene flames on a metal substrate at low temperature", - Carbon, 1998, v. 36, № 5-6, pp. 581-585.

Результаты работы также апробированы в следующих материалах конференций:

10. Д.В. Щеглов, В.Л. Альперович, Н.С. Рудая, А.С. Терехов, А.В. Латышев и А.Л. Асеев, «Диагностика электрофизических свойств поверхности полупроводников зондом АСМ». VI Российская конференция по физике полупроводников, Полупроводники 2003, Санкт-Петербург, Тезисы докладов, с.232.

11. Dmitry Sheglov, Dmitry Kwon, Alexander Toropov, Alexander Latyshev and Alexander Aseev, "Nanoscale local anodic oxidation and direct scratching of GaAs films by AFM probe", Tenth АРАМ topical seminar and third conference "Materials of Siberia" "Nanoscience and Nanotechnology", Novosibirsk, Proceedings, 2003, pp.245-246.

12. D. V. Sheglov, Yu. V. Nastaushev, A. V. Latyshev and A. L. Aseev, "Nano-patterning of silicon based nanostructures by AFMprobe", 11th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St Petersburg, 2003, Proceedings, pp.143-144.

13. Д.В. Щеглов, С.С. Косолобов, А.В. Латышев и А. Л. Асеев, "Структурные трансформации поверхности кремния (111) при субмонослойной адсорбции золота и меди", III Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе, Кремний 2003, Москва, тезисы докладов, с. 277.

14. D.V.Sheglov, A.V. Latyshev, A.L. Aseev, "Nano-patterning onflat surfaces by AFM tip", 12th International Conference on Scanning Tunneling Microscopy Eindhoven, Netherlands (STM'03), 2003, Fr-8-C5.

15. D.V. Sheglov, A.V. Prozorov, D.A.Nasimov, A.V. Latyshev and A.L. Aseev, "Peculiarities ofnanooxidation on flat surface" SPM-2002 International Workshop Issue, 2002, pp. 146-150.

16. Д.В. Щеглов, Е.Е. Родякина, А.В. Латышев, А.Л. Асеев «Нано-размерная модификация поверхности кремния зондом АСМ», труды международного рабочего совещания «Кремний-2002», Новосибирск/2002, с. 68.

17. Д.В. Щеглов, Е.Е. Родякина, А.В. Латышев, А.Л. Асеев, «Нано-размерная модификация поверхности GaAs зондом АСМ», труды 8-й российская конференция "GaAs и полупроводниковые соединения группы III-V", Томск, 2002, с. 192.

18. Yu. V. Nastaushev, T.A. Gavrilova, M.M. Kachanova, O.V. Nau-mova, I.V. Antonova, V.P.Popov, L.V. Litvin, D. V. Sheglov, A. V. Latyshev and A. L. Aseev, "Field effect nanotransistor on ultrathin sili-con-on-insulator", 11th International Symposium "Nanostructures*': Physics and Technology, Proceedings, St Petersburg, 2003, pp.240-241.

19. Ю.В. Настаушев, В.М. Кудряшов, Т.А. Гаврилова, Д.В. Щеглов, M.M. Качанова, Ф.Н. Дульцев, В.П. Попов, А.В. Латышев, АЛ.Асеев, "Особенности электронно-лучевой литографии при создании полевых нанотранзисторов на КИИ", XIII Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел, тезисы докладов, Черноголовка, 2003, с. 102.

Список цитированной литературы:

1 Binnig G., Rorer H., Gerber Ch., Weibel E., "Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy", -Phys.Rev.Lett, 1982, v. 49, pp. 57-61.

2 Eigler D.M. and Schweizer E.K., "Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope", - Nature, 1990, v. 344, pp. 524-526.

3 Durig U., Cross G., Despont M., Drechsler U., Haberle W., Lutwyche M.I., Rothuizen H., Stutz R., Widmer R., Vettiger P., Binnig G.K., King W.P., Goodson K.E., " 'Millipede': An AFMData Storage System at the Frontier of Nanotribology", - Tribology Letters, 2000, v. 9, № I, pp. 25-32.

4 Mott N.F., Trans.Farady Soc, 1939, v. 35, p. 1175. Mott N.F., Trans.Farady Soc, 1940, v. 36, p. 472. Mott N.F., Trans.Farady Soc, 1947, v. 43, p. 429.

5 Fromhold A.T, "The anodic behavior of metal and semiconductor series", Jr., edited by J.W. Diggle, A.K. Vijh (Marsel Dekker, Inc., New York, 1976).

6 Avouris P., Hertel T., Martel R., "Atomicforce microscope tip-induced local oxidation ofsilicon: kinetics, mechanism, and nanofabrication ", -Appl.Phys.Lett, 1997, v. 71, pp. 285-287.

7 Stievenard D., Fontaine P.A., Dubois E., "Nanooxidation using a scanning probe microscope: An analytical model based on field induced oxidation", - Appl.Phys.Lett, 1997, v. 70, pp. 3272-3274.

8 Dagata J.A., Inoue T., Itoh J., Matsumoto K., Yokoyama H., "Role of space charge in scannedprobe oxidation", - J.AppLPhys., 1998, v. 84, pp.6891-6900.

9 Bertrand-Lambotte P., Loubet J.L., Verpy C, Pavan S., "Nano-indentation, scratching and atomic force microscopy for evaluating the mar resistance of automotive clear coats: study of ductile scratches", -Thin Solid Films, 2001, v. 398-399, pp. 306-312.

10 Tkachenko V.A. et al, "Aharonov-Bohm Oscillation Amplitude in Small Ballistic Interferometers", - JETP Lett, 2004, v. 93, № 3, pp. 168172.

Подписано в печать 17.05.04 Формат бумаги 60x84 1/16. Офсетная печать. Уч.-изд. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ № 271

Лицензия ЛР №021285 от 6 мая 1998г. Редакционно-издательский центр НГУ 630090, Новосибирск, 90, ул. Пирогова, 2.

i 12 8 8 7

ВВЕДЕНИЕ.

1. СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ - МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ.

1.1. Высокоразрешающие методы анализа и модификации структуры поверхности.

1.1.1. Методы диагностики и модификации поверхности корпускулярными пучками.

1.1.2. Фотоиндуцированная модификация поверхности.

1.1.3. Изменение свойств поверхности направленными пучками заряженных частиц.

1.2. Диагностика свойств поверхности твердотельным зондом.

1.2.1. Профилометрия и туннельная микроскопия.

1.2.2. Сканирующая микроскопия регистрации атомных сил.

1.3. Преобразование структуры поверхности твердотельным зондом.

1.3.1. Изменение свойств поверхности полупроводников и металлов посредством вызванного зондом локального анодного окисления.

1.3.2. Общая модель окисления Вагнера и процессы естественного окисления.

1.3.3. Модели Кабреры и Мотта.

Выводы и постановка задач.

2. АТОМНО-СИЛОВ АЯ МИКРОСКОПИЯ.

2.1. Основные принципы метода атомно-силовой микроскопии.

2.2. Режимы взаимодействия иглы атомно-силового микроскопа с исследуемой поверхностью.

2.2.1. Вибрационные и модуляционные методики.

2.2.2. Система позиционирования зонда и система детектирования сигнала

2.2.3. Кантилевер - зонд атомно-силового микроскопа.

2.3. Методы математического анализа изображений поверхности, полученных атомно-силовой микроскопией.

2.3.1. Ир-эффект.

Результаты и выводы.

3. ЛОКАЛЬНОЕ АНОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЗОНДОМ АТОМНО-СИЛОВ ОГО МИКРОСКОПА.

3.1. Локальное анодное окисление поверхности 81, ОаАэ.

3.2. Особенности локального анодного окисления зондом СЗМ.

3.3. Особенности зондового окисления тонких пленок титана и тонких пленок кремния в системе кремний-на-изоляторе.

Выводы.

4. ОПТИМИЗАЦИЯ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ЗОНДОМ АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА.

4.1. Физические аспекты взаимодействия иглы с поверхностью в присутствии воды.

4.2. Электрическое поле в системе зонд-поверхность.

4.3. Латеральные размеры.

4.4. Влияние механического напряжения.

4.5. Механическая модификация поверхности зондом атомно-силового микроскопа.!.

4.6. Модификация поверхности ОаАэ и^.

4.7. Локальное анодное окисление поверхности при повышенном анодном потенциале.

4.8. Комплексная модификация поверхности полупроводников.

Выводы.

5. ОСОБЕННОСТИ ЗОНДОВОЙ НАНОЛИТОГРАФИИ.

5.1. Режимы зондовой нанолитографии.

Режим ручного управления зондом во время окисления.

5.2. Артефакты и погрешности изображений атомно-силовой микроскопии

5.2.1. Механические и электронные шумы.

5.3. Влияние шероховатости.

5.4. Наноразмерные структуры на поверхности гетероструктур AlGaAs/GaAs.

5.5. О совершенстве наноструктур, полученных локальным анодным окислением иглой АСМ.

Выводы.

Значительный прогресс в структурной диагностике низкоразмерных систем достигнут благодаря развитию и широкому применению методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ): сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и др. [1]. Эти методы, основанные на эффектах взаимодействия заостренной иглы с исследуемой поверхностью, в кратчайшие сроки стали основными инструментариями структурных исследований поверхности в физике, геологии, химии, биологии, медицине. Относительная простота интерпретации получаемых изображений при высокой разрешающей способности и прецизионной точности измерений зондовой микроскопии позволяет решать многочисленные задачи, которые невозможно решить другими экспериментальными методами.

Достоинством методов сканирующей зондовой микроскопии является возможность получения трехмерного изображения рельефа поверхности, формирование которого оптической или электронной микроскопией затруднено и сопряжено со значительными математическими расчетами. Другим преимуществом СЗМ диагностики является способность получения карт распределения по поверхности ряда параметров, таких как потенциал, кулоновский заряд, электрическая емкость, намагниченность, твердость, оптические характеристики и др. Возможности проведения локальной спектроскопии, основанной на взаимодействии зонда-острия с поверхностью, продолжают расширяться, превращая СЗМ в важный инструмент многосторонней диагностики поверхности на наномётровом и даже атомном уровне.

К неоспоримому превосходству методов СЗМ можно причислить способность точного позиционирования острозаточенного зонда относительно исследуемого образца. В частности, это открывает возможность применения этих инструментов для создания наноразмерных объектов. В качестве примера, можно привести работы по переносу на острие зонда и укладыванию на поверхности единичных атомов, что является предельным разрешением литографии [2].

Модификация поверхности этим методом обладает высокой локальностью, т.е. не вызывает возмущение подложки в нетронутой области, тогда как, например, ионная или электронная литография может искажать потенциальный профиль получаемой структуры, легировать материал подложки, или даже вводить повреждения, разрушающие структуру. Следует отметить, что приемы СЗМ литографии могут быть реализованы не только в сверхвысоковакуумных условиях, но и воздушной среде, что указывает на их совместимость с существующими кремниевыми технологическими линейками. Достоинством метода нанолитографии СЗМ зондом является возможность проведения в едином цикле прецизионной диагностики рельефа подложки, проведения модификации поверхности и немедленной визуализации полученной структуры, избегая при этом промежуточных процессов нанесения резиста, травления, окисления и т.п.

В последние несколько лет активно исследуются возможности создания наноразмерных объектов на поверхности полупроводников посредством зондовой нанолитографии. Так, например, компания «1ВМ» разрабатывает несколько видов памяти для электронной промышленности, которая будет основана на технологии «Millepede» модификации поверхности зондом АСМ [3]. Таким образом, изучение физико-химических основ прецизионного наноструктурирования, основанного на взаимодействии иглы с подложкой, является одним из актуальнейших и приоритетных направлений современных нанотехнологий и нанофизики.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Несмотря на многочисленные исследования в области создания твердотельных полупроводниковых наноструктур, в том числе и в области зондовой нанолитографии, отсутствует детальная информация о физических процессах наномодификации поверхности полупроводников и металлов посредством зонда сканирующего зондового микроскопа. Целью настоящей работы является развитие основ нанолитографии для создания действующих наноприборов с уникальными свойствами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Установление особенностей локального анодного окисления и механического воздействия иглы атомно-силового микроскопа на полупроводниковые и металлические подложки.

• Определение основных физических факторов, ограничивающих пространственное разрешение модификации подложки иглой атомно-силового микроскопа.

• Оптимизация процессов наномодификации поверхности зондом атомно-силового микроскопа для увеличения латерального разрешения и глубины модификации подложки.

• Разработка воспроизводимой технологии литографии нанометрового диапазона на основе взаимодействия иглы кантилевера с подложкой.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

Изучены и дополнены данные о процессах наномодификации поверхности полупроводников и металлов посредством зонда СЗМ, что отражается в следующих результатах:

• За счет прецизионных измерений на специально сформированных плоских подложках со средней шероховатостью менее 1 ангстрема, определены или уточнены параметры, характеризующие физические механизмы локального анодного окисления поверхностей кремния, арсенида галлия, титана и кремния-на-изоляторе.

Показано, что механические напряжения, возникающие на границе между кристаллом и анодным оксидом в объеме кристалла, ограничивают перенос носителей заряда в зону реакции.

Рассчитана модель протекания тока в системе проводящая игла-подложка, учитывающая наличие диэлектрической пленки на поверхности подложки и напряженного слоя в объеме кристалла на границе с оксидом.

Обоснован и успешно реализован механизм уменьшения падения напряжения на слое естественного оксида на поверхности полупроводников за счет формирования в нем каналов проводимости при периодическом механическом разрушении проводящей иглой.

Разработана методика измерения и построены зависимости геометрической формы мениска адсорбированной на подложке водяной пленки при различной влажности и температуре для различного удаления иглы кантилевера от подложки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

Практическая ценность работы состоит в разработке технологии нанолитографии на основе модификации поверхности подложки проводящей иглой атомно-силового микроскопа, которая позволяет проведение литографии с глубиной модификации до ЮОнм, что в несколько раз превышает значения, известные в литературе.

На основе анализа механизмов локального анодного окисления поверхности под зондом атомно-силового микроскопа определены пути управления латеральным разрешением зондовой литографии за счет оптимизации относительной влажности окружающего воздуха и напряжения, прикладываемого к проводящей игле микроскопа.

• Предложен способ количественной характеризации адсорбированного на поверхности слоя водяного пара, основанный на анализе взаимодейстия иглы с подложкой при ее приближении и удалении.

• Разработаны основы векторной и растровой зондовой нанолитографии, позволяющей формирование низкоразмерных объектов и совместимой со стандартными технологическими маршрутами твердотельной электроники. В частности, методом АСМ литографии созданы электронные интерферометры с радиусом менее 100 нм, которые демонстрировали осцилляции Ааронова-Бома.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ''

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: IV, V и VI Российские конференции по физике полупроводников, 1999, Новосибирск, 2001, Нижний Новгород и 2003, Санкт-Петербург; Scanning Probe Microscopy-2001, 2002, 2003 International Workshop, Nizhny Novgorod; 8-я российская конференция "GaAs и полупроводниковые соединения группы III-V", Томск, 2002; 5-th Russia-Japan seminar on semiconductor surfaces issue, Vladivostok, B-2, 2002; Международное рабочее совещание «Кремний-2002», Новосибирск, 2002; Tenth АРАМ topical seminar and third conference "Materials of Siberia" "NANOSCIENCE AND TECHNOLOGY", Novosibirsk, 2003; 11th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, St Petersburg, 2003; 12th International Conference on ' Scanning Tunneling Microscopy Eindhoven, Netherlands (STM'03); III Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе, Кремний 2003, Москва.

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертационной работы опубликовано 4 работы по зондовой нанолотиографии, 5 работ по зондовой диагностике в центральных отечественных и международных изданиях и более 20 работ апробированно на ведущих отечественных и международных конференциях.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

• Экспериментальные результаты по прецизионному измерению параметров, характеризующих основные физические механизмы локального анодного окисления поверхностей кремния, арсенида галлия и титана, инициированного электростимул ирующим воздействием иглы сканирующего зондового микроскопа в атмосферных условиях.

• Разработка метода и результаты измерения зависимости геометрической формы мениска адсорбированной на подложке водяной пленки вокруг острия зонда АСМ при различной влажности для различного удаления зонда от поверхности подложки.

• Выявление возможности управления латеральными и вертикальными размерами (аспектным отношением) областей локального анодного окисления посредством контроля эффективного сечения реакции при изменении площади смачивания острия кантилевера в приповерхностном слое воды.

• Разработка и успешная апробация технологии сверхглубокой (до 100 нм) зондовой нанолитографии с латеральными разрешением менее 40 нм, включающая оптимизацию ряда параметров локального анодного окисления при повышенных потенциалах для минимизации влияния слоя естественного оксида в системе зонд-подложка и релаксацию механических напряжений, возникающих на границе оксид-кристалл.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертационная работа состоит из введения, пяти основных разделов с выводами, заключения с общими выводами и списка литературы из 123 наименований. Основное содержание диссертации изложено на 149 страницах и содержит 44 рисунка.

Результаты работы также апробированы на следующих отечественных и международных конференциях:

1. Д.В. Щеглов. B.JI. Альперович, Н.С. Рудая, А.С. Терехов, А.В. Латышев и A.JI. Асеев, « Диагностика электрофизических свойств поверхности полупроводников зондом АСМ». VI Российская конференция по физике полупроводников, Полупроводники 2003, Санк-Петербург, Тезисы докладов, стр.232.

2. Dmitry Sheglov, Dmitry Kwon, Alexander Toropov, Alexander Latyshev and Alexander Aseev, "Nanoscale local anodic oxidation and direct scratching of GaAs films by AFM probe", Tenth АРАМ topical seminar and third conference "Materials of Siberia" "NANOSCIENCE AND TECHNOLOGY", Novosibirsk, Proceedings, 2003, pp.245-246.

3. D. V. Sheglov, Yu. V. Nastaushev, A. V. Latyshev and A. L. Aseev, Nano-patterning of silicon based nanostructures by AFM probe, 11th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, St Petersburg, 2003, Proceedings, pp.l43-144.

4. Д.В. Щеглов, C.C. Косолобов, A.B. Латышев и A. JI. Асеев, Структурные трансформации поверхности кремния (111) при субмонослойной адсорбции золота и меди, III Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе, Кремний 2003, Москва, тезисы докладов, стр. 277. ф 5. D.V.Sheglov, A.V. Latyshev, A.L. Aseev, "Nano-patterning on flat surfaces by

AFM tip", 12th International Conference on Scanning Tunneling Microscopy Eindhoven, Netherlands (STM'03), in Press, 2003.

6. D.V. Sheglov, A.V. Prozorov, D.A.Nasimov, A.V. Latyshev and A.L. Aseev, "PECULIARITIES OF NANOOXIDATION ON FLAT SURFACE" SPM-2002 International Workshop Issue, 2002, 146-150.

7. Д.В. Щеглов, E.E. Родякина, A.B. Латышев, А.Л. Асеев «Наноразмерная модификация поверхности кремния зондом АСМ», труды международного рабочего совещания «Кремний-2002», Новосибирск, 2002, стр. 68.

8. Д.В. Щеглов, Е.Е. Родякина, А.В. Латышев, А.Л. Асеев, «Наноразмерная модификация поверхности GaAs зондом АСМ», труды 8-й российская конференция "GaAs и полупроводниковые соединения группы III-V", Томск, 2002, стр. 192.

9. Yu. V. Nastaushev, Т.А. Gavrilova, М.М. Kachanova, O.V. Naumova, I.V. Antonova, V.P.Popov, L.V. Litvin, D. V. Sheglov, A. V. Latyshev and A. L. Aseev, Field effect nanotransistor on ultrathin silicon-on-insulator, 11th

International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, St

Petersburg, 2003, Proceedings, pp.240-241.

10.Ю.В. Настаушев, В.М. Кудряшов, Т.А. Гаврилова, Д.В. Щеглов, М.М. Качанова, Ф.Н. Дульцев, В.П. Попов, A.B. Латышев, А.Л.Асеев, Особенности электронно-лучевой литографии при создании полевых нанотранзисторов на КНИ, XIII Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, Черноголовка, тезисы докладов, 2003, стр. 102.

1. Y.Kondo, K.Ohi, Yu.Ishibashi,- H,Hirano, Y.Harada, K.Takayanagi, Y.Tanishiro,

2. Y.Kobayashi and K.Yagi, Design and development of an ultrahigh vacuum highresolution transmission electron microscope, Ultramicroscopy, 35(1991) 111-118.

3. Bauer E., Mundschau M., Swiech W. and Telieps W. Surface studies by low-energyelectron microscopy (LEEM) and conventional UV photoemission electron microscopy (РЕЕМ), Ultramicroscopy 31 (1989) 49-57.

4. Telieps W. and Bauer E. The (7x7)<=>(lxl) phase transition on Si(lll), Surf.Sci.162(1985) 163-168.

5. R.M.Tromp, In situ studies with low-energy electron microscopy, Surf.Rev.Lett. 21995) 103-107.

6. M.Kubosoe, M.Tomita, I.Matsui, S.Isakozawa, S.Kamimura, Recent developmentin Hitachi ТЕМ. Mat.Res.Soc.Symp.Proc. 139 (1989) 256-270.

7. Ichikawa M. and Doi T. Microprobe reflection high-energy electron diffraction //

8. Reflection high energy electron diffraction and reflection imaging of surfaces. Plenum Publishing Corporation. (1988) 343-369.

9. G.E. Moore, Proc. IEEE IEDM, 11 (1975).

10. E. Abbe, Archif. f. Mikroskop. 9 (1873) 413.

11. K.A. Valiev, The physics of submicron lithography-microdevices: Physics and fabrication technologies (Plenum Press, New York, 1992).

12. S. Hector, V. Pol, A. Krasnoperova, J. Maldonado, A. Flamholz, D. Heald, C. Stalhammer, D. Galburt, R. Amodeo, T. Donohue, S. Wind, J. Buchigniano, R. Viswathan, M. Khan, S. Bollepali, and F. Cerrina, J. Vac. Sci. Technol. В 16 (1998)2517.

13. J.P. Silverman, J. Vac. Sci. Technol В 16 (1998) 3137.

14. W. Chen and H. Ahmed, J. Vac. Sci. Technol. В 11, (1999) 2519.

15. D.R.S. Cumming, S. Thorns, S.P. Beaumont, and J.M.R. Weaver,

16. Appl.Phys.Lett 68(1996)322.

17. S.D. Berger and J.M. Gibson, Appl. Phys. Lett. 57 (1990) 153.

18. Y. Lee, R.A. Gough, K.N. Leung, J. Vujic, M.D.-Williams, N.Zahir, W. Fallman, M. Tockler, and W. Bruenger, J. Vac. Sci.Technol. B 16 (1998) 3367.

19. J.B.P.Williamson, Proc.Inst.Mech.Eng.London, 182, 21 (1967-68) Ansi B46.1.

20. R.Young, J.Ward, F.Scire, Phys.Rev.Lett. 27 (1971) 922, R.D. Young , Phys. Rev. 113 (1959) 173, R.D. Young, Physics today 24 (Nov.1971) 42.

21. R.Young, J.Ward, F.Scire, Rev. Sei. Instrum, 43 (1972) 999.i

22. G.Binnig, H.Rorer, Ch.Gerber, E.Weibel, Phys.Rev.Lett. 49 (1982) 57. G.Binnig, H.Rorer, Ch.Gerber, E.Weibel, Appl.Phys.Lett. 40 (1982) 178. G.Binnig, H.Rorer, Ch.Gerber, E.Weibel, Phys.Rev.Lett.50(2) (1983) 120.

23. K. Itaya, S. Sugawara, K. Sashikata, N. Furuya. In situ scanning tunneling microscopy of platinum(lll) surface in aqueous solutions. J. Vac.Sci. Technol. A 8(1990)515-519.

24. K. Sashikata, N. Furuya, K. Itaya. In situ electrochemikal scanning tunneling microcopy of Pt(l 11), Rh(l 11), and Pd(l 11) in aqueous acid solutions. J. Vac. Sei. Technol. B 9(2) (1991) 457-464.

25. S. Manne, J. Massie, V.B. Elings, P.K. Hansma, A.A.Gewirth. Electrochemistry on a gold surface observed with the atomic force microscope. J. Vac. Sei. Technol. B 9(2) (1991) 950-954.

26. N. J. Tao, S.M. Lindsay. Observation of the 22x3 reconstruction of Au(l 11) under aqueous solutions using scanning tunneling microscopy. J. Appl. Phys. 70 (1991) 5141-5143.

27. G. Binnig, C.F. Quate and Ch. Gerber. Atomic force microscope., Phys. Rev. Lett. 56 (9) (1986) 930-933.

28. U. Durig, D.Pohl, F.Rohner, IBM, J.Res.Develop.30(5), 478 (1986). U. Durig, D.W. Röhl, F.Rohner, J.Appl.Phys.59(10) (1986) 3318.

29. Moyer P.J. Kammer S.B., Appl.Phys.Lett. 68 (24) (1996) 3380.

30. D.M. Eigler and E.K. Schweizer, Nature 344 (1990) 524.

31. M.F. Crommie, C.P. Lutz, and D.M. Eigler, Science 262 (1993) 218.

32. J.W. Lyding, Proceedings of the IEEE 85 (1997) 589.

33. E.J. Van Loenen, D. Dijkkamp, A.J. Hoeven, J.M. Lenssinck, and J. Dieleman, Appl Phys. Lett. 55 (1989) 1312.

34. H.J. Mamin, P.H. Guethner, and D. Rugar, Phys. Rev. Lett. 65 (1990) 2418.

35. I. Heyvaert, E. Osquiguil, C. Van Haesendonck, and Y. Bruynse-raede, Appl. Phys. Lett. 61 (1992) 111.

36. M.A. McCord and R.F.W. Pease, J. Vac. Sci. Technol. B 5 (1987) 430.

37. K. Wilder, C. Quate, B. Singh, and D.F. Kyser, J. Vac. Sci. Technol. B 16 (1998) 3864.

38. L. Stockman, G. Neuttiens, C. Van Haesendonck, and Y. Bruyn-seraede, Appl. Phys. Lett. 62 (1993) 2935.

39. S.W. Park, H.T. Soh, C.F. Quate, and S.-I. Park, Appl. Phys. Lett.67 (1995) 2415.

40. L.L. Sohn and R.L. Willet, Appl. Phys. Lett. 67 (1995) 1552.

41. J.A. Dagata, J. Schneir, H.H. Harary, C.J. Evans, M.T. Postek, and J. Bennett, Appl. Phys. Lett. 56(1990) 2001.

42. O. Tabata, R. Asahi, H. Funabashi, K. Shimaoka, and S.Sugiyama, Sensors and Actuators A 34 (1992) 51.

43. H.C. Day and D.R. Allee, Appl. Phys. Lett. 62(21) (1993) 2691.

44. N. Kramer, H. Birk, J. Jorritsma, and C. Schonenberger, Appl Phys. Lett. 66 (1995)1325.

45. H. Sugimura, T. Uchida, N. Kitamura, and H. Masuhara, Appl.Phys. Lett. 63 (1993) 1288.

46. R.J.M. Vullers and C. Van Haesendonck, Nanolithographic patterning of silicon wafers with a scanning probe microscope, B VM-SBM letter 2(1997) 13-14. .

47. R.J.M. Vullers, M. Ahlskog, C. Van Haesendonck, Titanium nanostructures made by local oxidation with the atomic force microscope, Applied Surface Science 144-145(1999)584-588.

48. R.J.M. Vullers, M. Ahlskog, M. Cannaerts, and С. Van Haesendonck, The fieldinduced oxidation of mesoscopic Ti structures by AFM with diamond coated tips, J.

49. Vac. Sei. Technol. B. 17(6) (1999) 2417.

50. R.Held, T. Heinzel, P. Studerus, K. Ensslin, Nanolithography by local anodic oxidation of metal films using an atomic force microscope, Physica E 2 (1998) 748-752.

51. T. Thundat, L.A. Nagahara, P.I. Oden, S.M. Lindsay, M.A. George, W.S. Glaunsinger, J. Vac. Technol A 8(4) (1990) 3537-3541.

52. A. Notargiacomo etal, Nanotechnology 10 (1999) 458.

53. E.S. Snow and P.M. Campbell,' Science 270 (1995) 1639.

54. D.V. Sheglov, A.V. Prozorov, D.A. Nasimov, A.V. Latyshev and A.L. Aseev, "Peculiarities of nanooxidation on flat surface", Phys. Low-Dim. Struct. 5/6 (2002) 239-247.

55. A.Szekeres,P.Lytvyn, S. Alexandrova, Appl.Surf.Sci. 191, 1-4, 148-152 , 2002.

56. C. Vallee, C. Cardinaud, L. Rolland, M.-C. PeignontAppl. Surf. Sei. 164 (2000) 147.

57. H. Lee, J.W. Rabalais, S.M. Lee, E.T. Ada, J. Kulik, Surf. Sei. 453 (2000) 159.

58. J.T. Sheu, K.S.You, C.H.Wo, K.M.Chang, J. Vac. Sei. Technol В 20 (2002) 2824.

59. Соколов Д.В., ЖТФ, 72/1 (2002) 60-65.

60. Y.-R.Ma, C.Yu, Y.-D. Yao, Y.Liou, S.-F.Lee, Phis.Rev.B., 64 (2002) 1953.

61. N.F. Mott, Trans.Farady Soc. 35 (1939) 1175.

62. G. Tamman, Zeitschrift fur Anorganische Chemie 111 (1920) 78.

63. N.B. Pilling, R.E. Bedworth, J. Inst. Metals 29 (1923) 529.

64. N.F. Mott, Trans.Farady Soc. 36,(1940) 472.

65. N.F. Mott, Trans.Farady Soc. 43 (1947) 429.

66. N.Cabrera, N.F.Mott, Rep. Prog. Phys. 12 (1949) 163.

67. D. Sarid, Scanning Force Microscopy (Oxford University Press,Oxford, 1994).1 * 64 W.A. Ducker, R.F. Cook, D.R. Clarke. Force measurement using an AC atomicforce microscope. J. Appl. Phys. 67 (9) (1990) 4045-4052.

68. H. Ueyama, М. Ohta, Y. Sugawara, S. Morita. Atomically resolved InP(llO) surface observed with noncontact ultrahigh vacuum atomic force microscope. Jpn. J. Appl. Phys. V. 34 (1995) L1086-L1088.

69. V.A.Bykov, V.A.Fedirko. Scanning probe microscopy for biological object investigation. In "Spectroscopy of Biolog. Molecules, ed. by J.C.Merlin, S. Turrell and J.P.Huvenne. Kliver Acad. Publ., Dordrecht/ Boston/ London, (1995) 471472.

70. M.-H. Whangbo, S. N. Magonov, H. Bengel. Tip-sample force interactions and surface stiffness in scanning probe microscopy. Probe Microscopy, 1 (1997) 23.

71. V. I. Shevyakov., S.V. Lemeshko, V.M. Roschin Conductive SPM probes of base Ti or W refractory compounds. Nanotechnology. 9 (1998) 352-355.71 www.ntmdt.ru

72. C.Wagner, Z.Physik. Chem. B21 (1933) 25. C.Wagner, Z.Physik. Chem. B32 (1936)447. ~

73. C.M. Репинский, Процессы окисления полупроводников и строение границ раздела, Физика и техника полупроводников 35 (2001) 9.

74. H.Sugimura, N. Kitamura, Н. Masuhara, Jpn. J. Appl.Phys. 1 33 (1994) L143.

75. J.Servat, G.P.Gorostiza, F.Sanz, X.F. Perez-Murano, J.N. Barniol, P.G. Abadal, FX. Aymerich, J. Vac. Sci. Technol. A 14(1996) 1.

76. E.S. Snow, G.G. Jernigan, P.M. Campbell, "The Kinetics and Mechanizm of Scanned Probe oxidation of Si", Appl. Phys. Lett. 16 (2000) 1782-1784.

77. M.Yasutake, Y.Y.Ejiri, T.Hattori, Jpn. J. Appl. Phys. 1 33 (1993) 2586.

78. T.Teuschler, K.Mahr, S. Miyazaki, M.Hundhauzen, L.Ley, Appl. Phys. Lett. 66 (1995) 2499.

79. E. Dubois, J-L. Bubbendorff, "Kinetic of scanned probe oxidation: space-charge limited growth", J.Appl.Phys 87 (2000) 8148-8154.

80. L.Ley, T. Teuschler, K.Mahr, S.Miyazaki, M. HundHausen, "Kinetics of field-induced oxidation for Hydrogen-terminated Si(l 11) by means of a scanning force microscope" J. Vac. Sci.Technol. B 14 (1996) 2845-2849.

81. J.A.Dagata, F.Peres-Murano, G.Abadal, K.Morimoto, T.Inoue, J.Itoh, H. Yokoyama, "Predictive model for scanned Probe oxidation kinetics", Appl. Phys. Lett.76 (2000) 2710-2712.

82. P.M. Campbell, E.S. Snow, P.J. .McMarr, Physica B 227 (1996) 315.

83. J.A. Dagata, T.Inoue, J.Itoh, K. Matsumoto, H.Yokoyama, J.Appl.Phys. 84 (1998) 6891.

84. A.T Fromhold, "The anodic behavior of metal and semiconductor series" , Jr., edited by J.W. Diggle, A.K. Vijh (Marsel Dekker, Inc., New York, 1976).

85. A.T. Fromhold, Theory of metal oxidation, VI fundamentals (North Holland Publishing Company, Amsterdam, 1976).

86. P. Avouris, T. Hertel, R. Martel, Appl. Phys. Lett., 71 (1997) 285

87. D.Stievenard, P.A. Fontaine, E.Dubois, Appl. Phys. Lett., 70 (1997) 3272.

88. J.A. Dagata, T.Inoue, J.Itoh, K. Matsumoto, H.Yokoyama, J. Appl. Phys: 84 (1998)6891.

89. J.L. Murray and H.A. Wriedt, in Phase diagrams of binary titanium alloys, edited by J.L. Murray (ASM International, Materials Park, Ohio, 1987).

90. F.P.Bowden, D.Tabor The friction and lubrication solids (Oxford, Clarendon) (1950).

91. J.S. McFarlane, D Tabor, Adhesion of solids and the effects of surface films, Proc. R.Soc. A 202 (1950) 224-43.

92. A.W. Adamson Physical chemistry of surfaces 5th edn (New York Wiley) (1990).

93. J.N.Israelashvili, Intermolecular and surface forces 2nd edn (San Diego, Academic) (1992.).

94. G.F. Teletske, H.T.Davis, L.E. Scriven, How liquids spread on solids Chem. Eng. Commun 55 (1987) 41-82.

95. V.J.Novotny, Migation of liquid polimers on solid sufaces, J.Chem.Phys. 92 (1990)3189-3196.

96. Y.Li, F.E.Talke, Tribology and mechanics of magnetic storage systems ed B/ Bhushan (Park Ridge IL STLE) sp29 79-84 (1990).

97. S.L. Konsek, RJ.N. Coope, T.P. Pearsall, and T. Tiedje, Appl.Phys. Lett. 70 (1997) 1846.

98. R. Garcia, M. Calleja, and F. Perez-Murano, Appl. Phys. Lett. 72 (1998) 2295.

99. M. Binggeli and C.M. Mate, J. Vac. Sei. Technol. B 13 (1995) 1312.

100. Ph. Avouris, R. Martel, T. Hertel, and R. Sandstrom, Appl. Phys.A 66 (1998) S659.•» ■101A.E. Gordon, R.T. Fayeld, D.D. Litn, and T.K. Higman, J. Vac. Sei. Technol. B 13 (1995)2805.

101. F. Marchi, V. Bouchiat, H. Dallaporta, V Safarov, D. Tonneau,and P. Doppelt, J. Vac. Sei. Technol. B 16 (1998) 2952.

102. I.V. Bradley, W.P.Gilln, K.P.Homewood and R.P.Webb , J.Appl.Phys. 73 (1993) 1686.

103. W.P.Gillin, D.J.Dunstan, Phys.Rev.B., 50 (1994) 7495.

104. Data in Science and Technology Semiconductors, (Springer-Verlag, Berlin, 1991).

105. P.D. Warren, O.V. Kolosov, S.G. Roberts, G.A.D. Briggs, " Characterization of surface damage via contact probes", Nanotechnology 7 (1996) 288-294.

106. P.Bertrand-Lambotte, J.L.Loubet, C.Verpy, S.Pavan, Thin Solid Films, 398-399 (2001)306-312.

107. W. Allers, C. Hahn, M. Lohndorf, S. Lucas, S. Pan, U.D. Schwarz and R. Wiesendanger, Nanotechnology, 7 (1997) 346-350.

108. M. Wendel, S Kuhn, H. Lorenz, J.P. Kotthaus, M. Holland., "Nanolothography with an atomic force microscope for integrated fabrication of quantum electronic devices", App. Phys. Lett., 65(14) (1994) 1775-1777.

109. М. Wendel, Н, Lorenz, J.P. Kotthaus, "Sharped electron beam deposited tips for high resolution atomic force microscope lithography and imaging", App. Phys. Lett, 67(25) (1995) 3732-3734.

110. J. Cortes Rosa, M. Wendel, H, Lorenz, J.P. Kotthaus, M. Thomas and H. Kroemer, "Direct pattering of surface quantum wells with an atomic force microscope", Appl. Phys. Lett., 73(18) (1998) 2684-2686.

111. H. J. Mamin, "Thermal writing using a heated atomic force microscope tip", Appl. Phys. Lett., 69(3) (1996) 433-435.

112. L.P. Ma, W.J.Yang, Z.Q.Xue and S.J. Pang, "Data storage with 0,7 nm recording marks a crystalline organic thin films by a scanning tunneling microscope", Appl. Phys. Lett., 73(6) (1998) 850-852.

113. G. E. Engelmann, J.C. Zieger, D. M. Kolb, "Electrochemical fabrication of large array of nanoclusters", Surf. Sei., 401 (1998) L420-L424.

114. R. Maoz, E. Frydman, S Cohen, J. Sagiv, "Constructive Nanolithography: Site-defined silver self-assembly on nanoelectrochemically patterned monolayer templates", Adv. Mat., 12(6) (2000) 424-429.

115. G.Abadal, F.Peres-Murano, N.Barniol, X.Aymerich, "Field induced oxidation of silicon by SPM: study of mechanism at negativ sample voltage by STM, ESTM and AFM", Appl.Phys. A, 66 (1998) S791-795.

116. D. A. Nasimov, D. V. Sheglov, E. E. Rodyakina, S. S. Kosolobov, L. I. Fedina, S. A. Teys and A. V. Latyshev, AFM and STM studies of quenched Si(lll) surface, Phys.Low-Dim.Struct. 3/4 (2003) 146.

117. A.V. Latyshev, A.L. Aseev, A.B. Krasilnikov and S.I. Stenin., Surf. Sci., 213 (1989) 157

118. S.S. Kosolobov, D.A. Nasimov, D.V. Sheglov, E.E. Rodyakina , A.V. Latyshev "Atomic force microscopy of silicon stepped surface", Phys. Low-Dim. Struct. 5/6 (2002)231-239.

119. Д.В. Щеглов, E.E. Родякина, A.B. Латышев, А.Л. Асеев, «Наноразмерная модификация поверхности GaAs зондом АСМ», труды 8-й российская конференция "GaAs и полупроводниковые соединения группы III-V", Томск, (2002) 192.

120. A.V. Latyshev, S.S. Kosolobov, D.A. Nasimov, D.V. Scheglov and A.L. Aseev, "Structural transformations and nanostuctural formation on the stepped silicon surface", 5-th Russia-Japan seminar on semiconductor surfaces issue, Vladivostok, B-2, 2002.

121. Tkachenko V A et al JETP Lett. 93 3 (2004) 168.