Пристрій зондового анодного окислення наноструктур

Пристрій зондового анодного окислення наноструктур, який містить блок вибору режимів роботи атомно-силового мікроскопа (АСМ), блок скану 3 структур, що обмежує його функціональні можливості. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий пристрій, в якому через введення нових елементів було б можливо реалізувати кероване формування наноелектронних структур з потрібними параметрами, що дозволить суттєво розширити функціональні можливості пристрою, що пропонується. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій зондового анодного окислення наноструктур, який містить блок вибору режимів роботи атомносилового мікроскопа (АСМ), блок сканування зонда з робочим полем підкладки, блок контролю вологості, блок прив'язки зонда, виходи АСМ з'єднані з входом блока сканування зонда, з входом блока прив'язки зонда і входом блока контролю вологості, вихід якого з'єднаний з робочим полем підкладки, вихід блока сканування з'єднаний з робочим полем підкладки, вихід блока прив'язки зонда з'єднаний з входом блока сканування зонда, згідно з корисною моделлю, додатково містить блок керованого анодного окислення, входи якого з'єднані з виходами блока контролю вологості, блока прив'язки зонда та блока сканування зонду, а вихід блока керованого анодного окислення з'єднаний з входом блока вибору режимів роботи АСМ. Запропонована сукупність суттєвих ознак запропонованого пристрою зондового анодного окислення наноструктур дозволяє реалізувати кероване формування необхідних наноелектронних структур з потрібними параметрами, що дозволить суттєво розширити функціональні можливості пристрою, що пропонується. На кресленні представлена структурна схема пристрою зондового анодного окислення наноструктур. Структурна схема пристрою зондового анодного окислення наноструктур містить блок вибору режимів роботи АСМ 1, виходи якого зв'язані з блоком сканування зонда 2, блоком прив'язки зонда 4 та блоком контролю вологості 5, виходи якого зв'язані з робочим полем підкладки 3, вихід блока сканування зонда 2 зв'язаний з робочим полем підкладки 3, блок прив'язки зонда 4 з'єднаний з блоком сканування зонда 2, блок керованого анодного окислення 6, входами якого є виходи блока контролю вологості 5, блока прив'язки зонда 4 та блока сканування зонда 2, а вихід з'єднаний з блоком вибору режимів роботи АСМ 1. Блок вибору режимів роботи АСМ 1 складається з двонаправленого конвертора МАХ3371М, вхід-вихід якого з'єднаний з входом-виходом центрального комп'ютера та входом-виходом мікроконтролера ADuC842, що дозволяє здійснювати прийом-передачу інформації з USD-сигналів комп'ютера в ТТЛ-рівні мікроконтролера. Блок вибору режимів роботи АСМ 1 дозволяє задавати основні режими роботи пристрою - величину напруги в робочій зоні зонда, рівень вологості в зоні робочого поля підкладки та параметри прив'язки зонда до робочого поля підкладки. Блок сканування зонда 2 складається з трьох цифро-аналогових перетворювачів МАХ5535, виходи яких зв'язані з входом вузла біморфних п'є 62412 4 зоманіпуляторів, які забезпечують керування вістревою структурою по X, У,Z координатам. Робоче поле підкладки 3 складається з мікроплощі на підкладці, на поверхню якої наноситься напівпровідникова структура легованого кремнію. Блок прив'язки зонда 4 містить трикоординатний сканер на основі біморфних п'єзоелементів та п'єзоелектричного крокового двигуна. Біморф являє собою дві пластини п'єзоелектрика, з'єднаних між собою таким чином, що вектори поляризації в кожній з них направлені в протилежні напрямки, а вигинання біморфів під дією електричних полів забезпечує роботу п'єзосканера. В режимі сканування зонд робить коливальний рух паралельно поверхні робочої зони підкладки. Вимірювання сили взаємодії зонда з поверхнею здійснюється за допомогою реєстрації зміни амплітуди й фази коливань кварцового резонатора на частоті порушення (по змінній складовій напруги на електродах резонатора. Блок контролю вологості 5 складається із системи датчиків, що дозволяють контролювати параметри вологості в різних точках. Для роботи з кількома датчиками блок комплектується вузлом комутації для їх підключення та узгодження роботи. Датчики розміщуються в об'ємі, що контролюється, знімають інформацію по вологості і передають в блок, який обробляє сигнали, проводить обчислення і значення реальної відносної вологості висвічуються на табло цифрової індикації з дискретністю до 0,1 %. Блок керованого анодного окислення 6, складається з мікроконтролера ADuC843, виходи якого з'єднані з входами трьох цифро-аналогових перетворювачів МАХ3534, вихід одного з них з'єднаний з входом підсилювача струму, вихід другого з'єднаний з входом підсилювача напруги, вихід третього з'єднаний з входом вузла електрода керування блока вибору режимів роботи АСМ 1. Блок керованого анодного окислення забезпечує зв'язок між елементами пристрою і дозволяє задавати основні технологічні параметри та режими роботи пристрою. Пристрій, що заявляється, працює наступним чином. Необхідна інформація про процес фондового анодного окислення наноструктур надходить в блок вибору режимів роботи АСМ 1, де формуються необхідні сигнали, які надходять на входи блока сканування зонда 2, блока прив'язки зонда 4 та блока контролю вологості 5. На вхід блока керованого анодного окислення 6 з комп'ютеpa надходить в цифровому вигляді інформація про просторове розташування зонду, де цифровий сигнал перетворюється в аналоговий і подається в блок сканування зонда 2 для переміщення зонда по X, Y, Z координатам. На вхід блока вибору режимів роботи АСМ 1 надходить в цифровому вигляді інформація про режими технологічного процесу зондового анодного окислення. Коригування параметрів наноструктур, що формуються шляхом зондового анодного окислення, здійснюється завдяки наявності зворотного зв'язку між блоками 5,4 та 2 з блоком керованого анодного окислення 6. 5 Одержана в блоці 6 інформація у цифровому вигляді надходить на вхід блока вибору режимів роботи АСМ 1, з допомогою якого виконується також корегування технологічних процесів з метою одержання оптимальних параметрів структур, що виготовляються. Керування роботою пристрою при формуванні наноструктур шляхом зондового анодного окислення, падає також представлення на екрані монітору інформації про: - корекцію вибору режимів технологічного процесу; - можливі помилки оператора та вказівки по їх усуненні: - параметри процесу сканування поверхні на даний чає з можливістю зміни режиму сканування; - стан поверхні наноструктури та можливості корекції процесу формування структур. З використанням стандартного програмного забезпечення приладу Solver-P47 і Solver P-47H, була здійснена растрова зондова літографія, при проведенні якої спочатку в пам'ять комп'ютера завантажувався малюнок, а далі відбувалося сканування поверхні зондом АСМ. У кожній точці сканування протягом 50 мс подавалася анодна напруга, вибрана з діапазону U=0…-10 В. Величина напруги в кожній точні встановлювалася в залежності від напівтонової маски (шаблону). Після проведення процесу літографії поверхня повторно сканувалася з метою виявлення окисленого малюнка. Даний пристрій побудований на використанні анодизації поверхні негативно зарядженим зондом і наявності на поверхні зразка тонкого шару адсорбованої води. Факт необхідності водної плівки для локального утворення оксиду кремнію є підтвердженням аналогічності процесів локального анодного оксидування та електрохімічної анодизації. Порівняльні експерименти з впливу полярності зонда на процес локального утворення оксиду показали, що велика висота оксиду спостерігалася при негативній полярності зонда АСМ. Цей факт просто пояснити, якщо розглянути електрохімічну реакцію в області контакту зонда з поверхнею зразка. Важливим методом модифікації поверхні при анодному окисленні є технологія з використанням електрохімічної реакції. Даний метод модифікації поверхні застосовується на повітрі або у вологому середовищі, коли зонд і поверхня матеріалу покриті тонким шаром абсорбованої води. При наближенні зонда до поверхні зразка, адсорбовані шари води стикаються, і внаслідок капілярного ефекту між вістрям і зразком виникає водяна перемичка. Оскільки радіус кривизни зонда становить кілька нанометрів, то локальна напруженість поля 7 поблизу зонда дуже велика (більше 10 В/см). Такої напруженості електричного поля досить, щоб розривати молекули води на іони: Н2О↔Н +ОН Протон, "втрачений" молекулою води, приєднується до іншої молекули, утворюючи іон гідрок 62412 6 + сонію Н3О , і реакція дисоціації води може бути записана як: + Н2О+Н2О↔Н3О +ОН + Необхідно відзначити, що іони Н3О та ОН значмо більш рухливі інших одновалентних іонів. На межі розділу Si-SiO2 кремній активно реагує з кисневмісними іонами, при цьому процес окислення можна описати наступною хімічною реакцією: + + Si+4h +2OH =SiO2+2H . Наявність електричного поля між зондом і підкладкою сприяє прискоренню дифузії іонів гідроксильної групи та їх пересуванню з водяного меніска на межу розділу Si-SіО2 яка збагачена позитивно зарядженими дірками. Формування оксиду кремнію на межі розділу Si-SiO2 може відбуватися як за рахунок дифузії кисневмісних іонів через зростаючий оксид, так і внаслідок руху в оксиді іонів кремнію. Для того, щоб почався ефективний процес окислення, напруженість електричного поля повинна перевищити деяке порогове значення, назване порогом окислення. Вихідною моделлю, за допомогою якої можна описати процес локального анодного окислення, є модель Фарадея. У ній передбачається присутність шару з іонною провідністю між провідним кантивелером і поверхнею зразка. Таким шаром є адсорбована вода, яка завжди присутня на поверхні речовини при атмосферних умовах. У ході утворення анодного оксиду, відповідно до закону Фарадея, товщина зростаючого оксидного шару (h) залежить від тривалості процесу (і) наступним чином: QA OX  t   Jt dt SzF S 0 де Аох - молярна маса речовини, що утворюється:  - питома щільність речовини; F - стала Фарадея. Q - сумарний заряд, витрачений на окислення: J(t) - миттєве значення сили струму, що протікає в ланцюзі;  - частина струму, що витрачається на реакцію окислення; z - число електронів, необхідних для протікання реакції окислення. Однак експериментальні дані показали незадовільну відповідність теоретичним розрахункам в рамках моделі Фарадея. Найкращою моделлю, яка описує локальне оксидування, поки є модель Кабрера-Мотта. У цій моделі розглядаються два струми - іoнний і електронний, причому на кожній стадії процесу менший за величиною струм управляє процесом зростання оксиду. Для тонкої плівки тунелювання електронів відбувається досить легко, що дозволяє забирати зайвий негативний заряд на границі Si-SiО2. Всі іони, які внаслідок дифузії рухаються до протилежних границь, не відчувають ніякого бар'єру для свого руху, пов'язаного з кулонівським відштовхуванням. Таким чином, на початкових етапах утворення оксиду зростання обмежується дифузією іонів. У цьому випадку товщина шару оксиду h змінюється пропорційно квадратному кореню від часу окислення t: ht   hA t , 7 де А - постійна, що характеризує процес окислення. При подальшому зростанні шару оксиду, коли товщина плівки перевищує деяке критичне значення, струм іонів стає більшим, ніж кількість електронів тунелювання. Електрони вже не встигають компенсувати заряд, який переноситься іонами, внаслідок цього витікає обмеження на подальший рух іонів. Електронний струм зменшується і стає меншим, ніж іонний струм дифузії. Саме електронний струм починає керувати окисленням. У цьому випадку оксид зростає з часом логарифмічно: t h  h c ln tc . Тут hc   8m 0  - критична товщина, при якій зростанням починає керувати електронний 1 2 x струм:   h / 2 ; h - стала планка: m - маса електрону; 0 - енергетичний бар'єр на границі SiSiO2;tc - характеристичний час, при якому відбувається зміна типу переважаючого струму. Застосування моделі Кабрера - Мотта до процесу анодизації з використанням АСМ показало невідповідність експериментальної швидкості росту теоретичній. Причинами такої невідповідності можуть бути: - механічні напруги, що виникають в шарі оксиду через різні молярні об'єми кремнію та діоксиду кремнію, що визнаються багатьма робочими групами, як основна причина, що обмежує ріст при x Комп’ютерна верстка І. Скворцова 62412 8 глибинах ліній в 5 і більше нм. Напруження в об'ємі можуть ініціювати зміни енергії активації дифузії і таким чином змінювати кількість атомів, що дифундують: - наявність природного оксиду кремнію па анодованих поверхнях, який суттєво обмежує взаємну дифузію іонів, що визначають інтенсивність окислення; - зміна напруженості електричного поля при зміні форми і провідності вершини зонда. Важливе значення на отримання кінцевого результату модифікації поверхні легованого кремнію має величина притиску голки кантилеверу до поверхні. Пряме продряпування поверхні голкою АСМ при одночасному прикладанні на голку як механічної, так і електричної напруги видаляє природний оксид з поверхні напівпровідника і дозволяє зняти механічні напруги в об'ємі. З іншого боку знімати природний оксид необов'язково, достатньо створити в ньому комплекс тріщин і дефектів, які пронизують об'єм, що дасть змогу текти по ним іонному або електронному (дірковому) струму. Це дозволить зберегти цілою голку і значно поліпшити відношення висота/ширина для лінії локального анодного окислення. Сучасний рівень мікро- та нанотехнології дозволяє розробити та побудувати пристрій зондового анодного окислення наноструктур, що заявляється. Запропонована корисна модель може бути використана у технологічних процесах виготовлення наноелектронних структур. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601