2
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ........................................................................4
ГЛАВА 1. ФОРМИРОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР ПОСРЕДСТВОМ СКАНИРУЮЩИХ ЗОНДОВЫХ МИКРОСКОПОВ, МЕХАНИЗМЫ ЛОКАЛЬНОГО ОКСИДИРОВАНИЯ. 10
1.1 Методы локального оксидирования с помощью СЗМ..........................1 з
1.1.1. Локальное оксидирование с помощью СТМ..............................15
1.1.2. Локальное оксидирование с помощью АСМ..............................16
1.1.2.1. Локальное оксидирование с помощью ПКАСМ........................18
1.2. Материалы для локального оксидирования с помощью АСМ...................18
1.3. Факторы процесса локального оксидирования..............................21
1.3.1. Потенциал зонда....................................................21
1.3.2. Время экспонирования...............................................22
1.3.3. Влажность окружающей среды.........................................24
1.3.4. Покрытие иглы зонда................................................25
1.3.5. Усилие зонда КАСМ..................................................27
1.3.6. Амплитуда колебаний зонда ПКАСМ....................................27
1.3.7. Норма роста оксида.................................................28
1.4. Преимущества и ограничения методов локального оксидирования с помощью СЗМ.......................................................................28
1.4.1. СТМ-оксидирование..................................................29
1.4.2. АСМ-оксидирование..................................................31
1.4.2.1. Контактный режим...............................................32
1.4.2.2. Полуконтактный режим...........................................32
1.4.3. Рабочая атмосфера модификации......................................33
1.4.4. Перспективы развития методов СЗМ-оксидирования.....................33
1.5. Механизм локального оксидирования......................................34
1.5.1. Потенциал зондов относительно поверхности образца..................34
1.5.2. Пороговое время пассивации поверхности.............................35
1.5.3. Свидетельства электрохимической природы формирования оксидов с помощью СЗМ...................................................................36
1.5.4. Химические реакции локального оксидирования........................37
1.6. Физические ограничения метода локального оксидирования.................37
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ....................................40
2.1. Экспериментальная установка локального оксидирования...................40
2.2. Методика локального оксидирования ШСаАэ................................43
2.2.1. Контактный АСМ.....................................................43
2.2.2. Полуконтактный АСМ.................................................44
2.3. Методика макрооксидирования поверхности м-ШОаАэ в гликоль-водном РАСТВОРЕ ДЛЯ АНОДИЗАЦИИ (АГВ).............................................46
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ЛОКАЛЬНОМУ ОКСИДИРОВАНИЮ ІЧ-І^ААЗ........................................................47
3.1. Введение...............................................................47
3.2. Описание эксперимента..................................................48
3
3.3. Результаты и обсуждения...............................................49
3.3.1. АСМ-оксидирование в контактном режиме.............................49
3.3.2. АСМ-оксидирование в полуконтактном режиме.........................62
3.3.3. Травление оксидных линий в растворе НР............................64
3.4. Выводы................................................................68
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ И ЗНАЧИМЫХ ФАКТОРОВ ЛОКАЛЬНОГО ОКСИДИРОВАНИЯ.....................................................69
4.1. Введение..............................................................69
4.2. Описание эксперимента.................................................75
4.3. Результаты и обсуждение...............................................76
4.3.1. Результаты по АСМ-оксидированию и травлению.....................76
4.3.2. Обсуждение механизма оксидирования................................91
4.3.3. Макрооксидирование в растворе АГВ при освещении образца...........94
4.3.4. Воспроизводимость процесса АСМ-оксидирования......................96
4.4. Выводы.............................................................100
5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.............................................101
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................... 104
4
Введение.
В последнее время разнообразные виды нанопроизводственных технологий были исследованы в попытке получить квантовые и одноэлекгронные приборы (ОЭП) с хорошими характеристиками. [55, 35] В числе таких технологий - процесс сухого травления, самоорганизованный и селективный рост наноструктурированных массивов, [20, 55, 35, 51, 24] технология оксидирования, зависящая от геометрии 81 наноструктур (РАООХ)[84] и оксидирование, базирующееся на сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). [32, 45, 66, 57,46, 33]
В отличие от перечисленных методов, СЗМ-оксидирование реализует резкую смену материала от полупроводника (или металла) к оксиду, обеспечивая резкий потенциальный барьер для носителей, что способствует сильной квантовой локализации и применению оксида в качестве барьеров тунеллирования. В добавок к тому, нанометровое разрешение и способность квазинепрерывного (ш-яОД наблюдения за процессом также привлекательны для нанопроизводства с помощью СЗМ. И в самом деле, сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) или атомно-силовая микроскопия (АСМ) уже применялась для формирования различных видов единичных квантовых приборов и ОЭП.[32,45]
Актуальность темы обусловлена тем, что метод оксидирования поверхности с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) стоит в ряду прецизионных методов экспериментальной физики, используемых при создании квантовых и одноэлектронных приборов, являющихся основой микро- и наноэлектроники ближайшего будущего. Для реализации подобного класса приборов необходима новая техника и методы литографии материалов с нанометровой точностью. В настоящее время ведется интенсивная разработка таких методов и процессов для литографии на нано-уровне.
Интенсивные исследования были проведены по СЗМ-оксидированию металлов, 81, баАБ, АЮаАя, Оа8Ь, АЮа8Ь и других полупроводников. [32, 45, 66, 57, 46, 33] Основанные
5
на InGaAs/InAlAs переходах структуры занимают важное место в производстве будущих высокотемпературных квантовых и одноэлектронных приборов благодаря наилучшим транспортным свойствам и большому разрыву зоны проводимости. Наряду с этим, основанная на зондовом оксидировании литография обладает рядом преимуществ перед традиционными методами в плане величины вовлеченных в процесс энергий. Применение процессов со сравнительно малыми значениями энергии ведет к снижению дефектности зон литографии, прецизионности литографии, возможности наблюдения за результатами литографии в процессе и относительной дешевизной оборудования и применяемых материалов.
До настоящего времени не проводилось работ по зондовому нанооксидированию п-InGaAs, несмотря на эффективность и прецизионность метода АСМ-оксидирования и непревзойденные электронные качества указанного материала при производстве квантовых и одноэлектронных приборов.
Также, несмотря на множество публикаций по АСМ-литографии, до настоящего времени проблема воспроизводимости процесса нанолитографии с помощью ACM не была рассмотрена детально.
Цель диссертационной работы - исследование основных закономерностей процесса АСМ-литографии и выявление механизмов локального оксидирования n-InGaAs.
Основные задачи работы включали:
- Создание методики АСМ-литографии и экспериментальной установки на базе сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) NanoScope II и Ilia (Digital Instruments).
- Развитие метода локального оксидирования применительно к слоям InGaAs, согласованным по параметру решетки с InP.
- Определение основных параметров процесса оксидирования слоя InGaAs, оптимальных для прямого формирования потенциальных барьеров квантовых приборов.
- Экспериментальное подтверждение электрохимической природы окисных образований, полученных с помощью АСМ-литографии, в терминах модели Кабрера-Мотта оксидирования полупроводников под воздействием электромагнитного поля.
6
- Экспериментальное исследование зависимостей основных геометрических параметров сформированных окисных образований от разницы потенциалов зонда и поверхности, времени экспонирования потенциала зонда, влажности рабочей атмосферы и рабочего усилия зонда.
- Сравнительное исследование геометрических параметров наноструктур, полученных при помощи АСМ-оксидирования в контактном и полуконтактном (tapping) режимах.
Научная новизна работы состоит в комплексном исследовании процесса и механизмов локального оксидирования n-InGaAs. В результате проведенных исследований получены следующие новые результаты:
1) Исследованы зависимости геометрических характеристик сформированных линий и точек от разности потенциалов между зондом и поверхностью InGaAs, скорости сканирования зонда при формировании оксида, влажности окружающей среды и силе взаимодействия зонда и поверхности.
2) Проведена экспериментальная оценка величины капиллярной составляющей силы взаимодействия зонда и поверхности в процессе оксидирования InGaAs;
3) Показана электрохимическая природа локального образования оксида.
4) Показана возможность формирования на поверхности п-InGaAs оксидных линий с высокой степенью равномерности по высоте и ширине на длине до 2 микрометров. Практическая значимость работы заключается в том, что в ней:
1) показана возможность формирования линий шириной менее 30 нм и высотой более 5 нм, геометрические характеристики которых удовлетворяют условиям формирования одноэлектронных структур;
2) показана возможность формирования линий и точек на поверхности InGaAs методом зондового оксидирования с флуктуацией высоты и ширины по длине линий в пределах шероховатости исходной поверхности;
3) показано, что оксидные формирования на InGaAs легко стравливаются в растворе HF.
4) экспериментально показано, что смещение порогового напряжения АСМ-оксидирования обусловлено износом проводящего покрытия вершины иглы зонда, в то время как норма оксидирования зависит от электрохимической природы процесса.
Представляемые к защите научные положения.
1. Процесс АСМ-нанооксидирования представляет собой комбинацию традиционной модели Кабрера-Мотта и наведенного пространственного заряда в оксиде в процессе оксидирования.
7
2. Макро- и АСМ-нанооксидирование имеют единую природу; на это указывает близость значений порогового напряжения и нормы роста оксидов.
3. Норма роста оксида обусловлена природой электрохимических реакций, происходящих в процессе АСМ-оксидирования.
4. Смещение порогового напряжения в область большего напряжения со временем эксплуатации зонда при АСМ-оксидировании вызвано, в основном, износом проводящего покрытия на вершине зонда.
5. Уменьшение доли времени пассивации в общем времени процесса локального оксидирования приводит к улучшению однородности размеров сформированных линейных наноструктур по сравнению с точечными наностру югу рами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:
- на национальных конференциях Японского Общества Прикладной Физики, Токио, Акита, Фукуока, 1998-1999;
- на международном симпозиуме International Symposium on Surface Science for Micro- and Nano-Dcvicc Fabrication (ISSS-3), Токио, 1999;
- на региональных конференциях Японского Общества Прикладной Физики, Хакодате, Саппоро, 1998-1999;
- на научных семинарах Научно-исследовательского Центра квантовой электроники университета Хоккайдо, в Физико-Техническом институте им. А.Ф. Иоффе и Институте Аналитического Приборостроения Российской академии наук, 2000-2001.
Публикации. Основное содержание работы раскрыто в публикациях:
1. Соколов Д.В. Нанооксидирование и нанотравление n-Ino^Gao^As с помощью атомно-силового микроскопа: Научное приборостроение (2001) 11, 1, с. 15-21.
2. Соколов Д.В. Воспроизводимость процессов нанооксидирования n-Ino.53Gao.47As с помощью атомно-силового микроскопа: Микросистемная техника (2001), 5, с.25-29.
3. Sokolov, D. V.; Fujikura, Н.; Hasegawa, Н. "Scanned-Probe Nano-Scale Oxidation and Etching of n-Type In_0.53Ga_0.47As" In International Symposium on Surface Science for Micro- and Nano-Device Fabrication (ISSS-3): Tokyo, Japan, 1999; p 45.
4. Sokolov, D. V.; Fujikura, H.; Hasegawa, H. "Nanometer-Scale Patterning on n-InGaAs by AFM Probe-Induced Oxidation in Air (2)" In The 60th Autumn Meeting, 1999; The Japan Society of Applied Physics and Related Societies: Kobe, Japan, 1999.
5. Sokolov, D. V.; Fujikura, H.; Hasegawa, H. "Nanometer-Scale Patterning on n-InGaAs by AFM Probe-Induced Oxidation in Air" In The 46th Spring Meeting, 1999; The Japan Society of Applied Physics and Related Societies: Tokyo, 1999; Vol. 1; p 520.
8
Содержание работы излагается в четырех главах.
В первой главе представлен обзор работ по получению наноструктур посредством сканирующих зондовых микроскопов и обзор возможных механизмов локального оксидирования.
Вторая глава посвящена описанию методик эксперимента. Приведено описание установки, на которой производилось локальное оксидирование поверхности 1пОаАв; процесса локального оксидирования в контактном и полуконтактном режимах АСМ; методики макроанодизапии образца 1пОаАз в гликоль-водном растворе для анодизации (АГВ) на базе виноградной кислоты.
В третьей главе представлены результаты исследований локального образования оксида п-1пСаАз посредством сканирующей зондовой микроскопии; приведены результаты по травлению окисных образований в растворе НР.
В четвертой главе представлены результаты экспериментов по определению механизма локального оксидирования и значимых факторов воспроизводимости процесса АСМ-оксидирования. Представлены результаты электронно-зондового микроанализа (ЭЗМА) окисных образований, полученных методом зондовой литографии. Заметное увеличение концентрации оксида в месте локальной модификации поверхности позволяет говорить о преимущественно окисном характере роста образований. Обсужден предполагаемый механизм локального оксидирования и описан процесс формирования окисного слоя при макроанодизации в АГВ. Сравнение зависимостей толщины оксидного слоя от приложенного напряжения при макро- и локальном оксидировании показало полное соответствие порогового напряжения формирования оксида при КАСМ-оксидировании и нормы роста оксида в полуконтактном режиме соответствующим величинам процесса макрооксидирования. Представленные результаты травления локального оксида в плавиковой кислоте в течение 10 секунд выявили соотношение глубина канавки/высота оксида, равное 1.5, что находится в хорошем соответствии с результатами по травлению
9
локальных оксидов на материалах с близкими химическими свойствами (ваАв и 1пА1А5). Уменьшение ширины после травления в плавиковой кислоте говорит об отсутствия бокового растравливания образца. Этот факт также является косвенным свидетельством окисной природы образований при зондовой литографии в силу высокой селективности плавиковой кислоты при травлении оксида 1пСаАз на 1пОаАз.
Диссертационную работу завершает раздел "Основные результаты и выводы".
Формулы и рисунки пронумерованы по главам. Нумерация цитируемой литературы - единая для всей диссертационной работы.
- Київ+380960830922