Пристрій формування наноелектронних структур

Реферат: Пристрій формування наноелектронних структур належить до мікрооптоелектронної техніки і може бути використаний в технологічних процесах виготовлення наноелектронних структур. Пристрій містить блок лазерної системи, оптично зв'язаний через блок оптоволоконного вістря, зразок та діафрагму з фотоприймачем, вихід якого зв'язаний з входом блока оптоволоконного вістря. Вхід та вихід останнього зв'язаний з відповідним входом та виходом блока вибору режимів роботи, другий вхід-вихід якого зв'язаний з входом-виходом фотоприймача, третій вхід є входом пристрою. Також містить блок керування лазером, вхід-вихід якого зв'язаний з четвертим входом-виходом блока вибору режимів роботи, а другий вхід-вихід з'єднаний з входом-виходом блока лазерної системи. Технічним результатом є формування наноелектронних структур з керованою продуктивністю та необхідними параметрами. UA 98849 C2 (12) UA 98849 C2 UA 98849 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до мікрооптоелектронної техніки і може бути використаний в технологічних процесах виготовлення наноелектронних структур. На практиці використовуються кілька конструктивних схем близькопольного оптичного мікроскопа. Найбільше часто реалізується схема, у якій оптичне випромінювання лазера локалізується в просторі за допомогою волоконного зонда. Така схема дозволяє одержати максимальну потужність випромінювання в області субхвильового отвору й проводити дослідження зразків як на відбиття, так і на просвіт. Для збільшення чутливості, випромінювання, відбите від зразка або таке, що пройшло крізь зразок, збирається на фотоприймачі за допомогою фокусуючого дзеркала або лінзи. Така конфігурація близькопольного оптичного мікроскопа широко використовується в експериментах близькопольної оптичної літографії. Відомий пристрій формування наноелектронних структур [D.G.Volgunov, A.V.Buryukov, S.V.Gaponov, V.L.Mironov. Probe-surface interaction in the piezo-resonator "shear force" microscope // Physics of Low-Dimensional Structures.-2001, № 3/4, P. 17-23], який містить блок лазерної системи, оптичний вихід якого зв'язаний з оптичним входом блока оптоволоконного вістря, вхідвихід якого зв'язаний з блоком вибору режимів роботи, а оптичний вихід через оптоволоконний зонд зв'язаний із зразком. Спільними ознаками аналога та пристрою, що заявляється, є: лазер, вихід якого зв'язаний з оптичним входом блока оптоволоконного вістря, вхід-вихід якого зв'язаний з блоком вибору режимів роботи, а оптичний вихід зв'язаний через оптичний зонд із зразком. Причиною, що перешкоджає досягненню поставленої мети є те, що в ньому не може бути реалізований технологічний процес формування необхідних наноелектронних структур. Тобто функціональні можливості його обмежені. Найбільш близьким технічним рішенням по сукупності співпадаючих етапів технологічного процесу, що пропонується, є пристрій формування наноелектронних структур [P.K.Wei, W.S.Fann-The probe dynamics under shear force in near-field scanning optical microscopy. // J. Appl. Phys.-1998.- v. 83, № 7, P. 3461-3468], який містить блок лазерної системи, оптично зв'язаний через блок оптоволоконного вістря, зразок та діафрагму з фотоприймачем, вихід якого зв'язаний з входом блока оптоволоконного вістря, вхід та вихід якого зв'язаний з відповідним входом та виходом блока вибору режимів роботи, другий вхід-вихід якого зв'язаний з входомвиходом фотоприймача, третій вхід-вихід зв'язаний з входом-виходом блока лазерної системи, четвертий вхід є входом пристрою. Спільними ознаками прототипу та пристрою, що пропонується, є: блок лазерної системи, оптично зв'язаний через блок оптоволоконного вістря, зразок та діафрагму з фотоприймачем, вихід якого зв'язаний з входом блока оптоволоконного вістря, вхід та вихід якого зв'язаний з відповідним входом та виходом блока вибору режимів роботи, другий вхід-вихід якого зв'язаний з входом-виходом фотоприймача, третій вхід-вихід зв'язаний з входом-виходом блока лазерної системи, четвертий вхід є входом пристрою. Причиною, що перешкоджає досягненню поставленої задачі є те, що в прототипі не можна реалізувати кероване формування наноелектронних структур. В основу винаходу 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. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що пристрій формування наноелектронних структур, який пропонується, включає в себе блок лазерної системи, оптично зв'язаний через блок оптоволоконного вістря, зразок та діафрагму з фотоприймачем, вихід якого зв'язаний з входом блока оптоволоконного вістря, вхід та вихід якого зв'язаний з відповідним входом та виходом блока вибору режимів роботи, другий вхід-вихід якого зв'язаний з входом-виходом фотоприймача, третій вхід-вихід зв'язаний з входом-виходом блока лазерної системи, четвертий вхід є входом пристрою, додатково містить блок керування лазером, вхід-вихід якого зв'язаний з блоком вибору режимів роботи, а другий вхід-вихід з'єднаний з входом-виходом блока лазерної системи. Відмінною ознакою пристрою формування наноелектронних структур є введення блока керування лазером, вхід-вихід якого зв'язаний з блоком вибору режимів роботи, а другий вхідвихід з'єднаний з входом-виходом блока лазерної системи. Ця відмінна ознака пристрою, що пропонується, дозволяє реалізувати кероване формування необхідних наноелектронних структур з потрібними параметрами, що дозволить суттєво розширити функціональні можливості пристрою, а саме дасть змогу створювати наноструктури з роздільною здатністю 5-10 нанометрів. 1 UA 98849 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На кресленні представлена структурна схема пристрою формування наноелектронних структур. Структурна схема пристрою формування наноелектронних структур містить блок лазерної системи 1, оптичний вихід якого зв'язаний з оптичним входом блока оптоволоконного вістря 2, вхід-вихід якого зв'язаний з блоком вибору режимів роботи 3, вхід-вихід якого зв'язаний з входом-виходом фотоприймача 6, оптичний вихід блока оптоволоконного вістря 2 зв'язаний через зразок 4 та діафрагму 5 з фотоприймачем 6, блок керування лазером 7, вхід-вихід якого зв'язаний з блоком вибору режимів роботи 3, а другий вхід-вихід з'єднаний з входом-виходом блока лазерної системи 1. Блок лазерної системи 1 складається з лазерної системи ТиДи-скан фірми Техноскан (Росія) на основі твердотільного неперервного (титан-сапфірового, на фарбниках або їх комбінації) лазера, що переналагоджується, з вузькою лінією випромінювання (в діапазоні 275-1750 нм). До складу системи входить також високоточний вимірювач довжин хвиль випромінювання та модуль, що забезпечує керування через USB інтерфейс. Блок оптоволоконного вістря 2 складається з п'єзодатчика на основі кварцового резонатора камертонного типу та зонду оптоволоконного вістря, який через можливість інтенсивної трансформації основної моди оптичного волокна в моду звуженого металевого хвилевода дозволяє одержувати максимальну потужність випромінювання в області субхвильового отвору й проводити виготовлення зразків як на відбиття, так і на просвіт в режимах близькопольної оптичної літографії для реалізації просторової роздільної здатності на рівні 10 нм і краще. Зонд оптоволоконного вістря кріпиться до кварцового резонатора. Змушені коливання камертона на частоті, близької до резонансної частоти системи зонд-кварцовий резонатор, збуджуються за допомогою додаткового п'єзовібратора. При цьому зонд робить коливальний рух паралельно поверхні зразка. Вимір сили взаємодії зонда з поверхнею виробляється за допомогою реєстрації зміни амплітуди й фази коливань кварцового резонатора на частоті порушення (по змінній складовій напруги на електродах резонатора U(t)). Блок вибору режимів роботи 3 складається з двонаправленого конвертора МАХ3340Е, вхідвихід якого з'єднаний з входом-виходом центрального комп'ютера та входом-виходом мікроконтролера ADVC812, що дозволяє здійснювати прийом-передачу інформації USBсигналів з комп'ютера в ТТЛ-рівні мікроконтролера. До блока 3 входить також електронний вузол управління просторовим положенням оптоволоконного зонда біля зразка, який складається з чотирьох цифро-аналогових перетворювачів МАХІМ-МАХ522, виходи яких зв'язані з входами блока п'єзоелектричних двигунів, а саме - з трьома X, Y, Z-входами трикоординатного п'єзосканера та п'єзоелектричного крокового двигуна, які забезпечують керування просторовим положенням оптоволоконного зонда в зоні зразка по X, Y, Z координатам. Блок вибору режимів роботи забезпечує зв'язок між елементами пристрою і дозволяє задавати основні технологічні параметри та режими роботи пристрою. Зразок 4 складається з підкладки, на поверхню якої наноситься напівпровідникова структура InAs/GaAs із квантовими крапками. Як зразок можуть використовуватись світлочутливі плівки, до складу яких входять пігменти пептидної природи та оптоелектронні резисти на основі неорганічних матеріалів. Діафрагма 5 складається з фокусуючої лінзи та відповідного кріплення. Фотоприймач 6 складається з фотодетектора з можливістю налагодження змінної відстані від діафрагми 5. Блок керування лазером 7 складається з мікроконтролера АТМода-32, виходи якого з'єднані з входами трьох цифро-аналогових перетворювачів МАХІМ-МАХ522, 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 та модулятора блока лазерної системи 1. Пристрій, що заявляється, працює наступним чином. Необхідна інформація про процес формування наноелектронних структур надходить в блок вибору режимів роботи 3, де формуються необхідні сигнали, які надходять на вхід блока оптоволоконного вістря 2, на вхід блока керування лазером 7 та на вхід фотоприймача 6. На вхід блока вибору режимів роботи 3 з комп'ютера надходить в цифровому вигляді інформація про просторове розташування оптоволоконного вістря. На вхід блока лазерної системи 1 з блока керування лазером 7 надходить в цифровому вигляді інформація про режими технологічного процесу формування наноелектронних структур із зони субхвильової діафрагми, що знаходиться на вершині вістря оптичного зонду блока оптоволоконного вістря 2. З блока 1 2 UA 98849 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вказана інформація в оптичному вигляді передається на вхід блока оптоволоконного вістря 2 і далі через оптоволоконний зонд на зразок. На вхід блока вибору режимів роботи 3 з фотоприймача 6 надходить в аналоговому вигляді інформація про характеристики одержуваних наноструктур завдяки вимірюванням та обробки даних про криву сканування поверхні зразка при скануванні вістря над одержуваними наноструктурами. Коригування параметрів наноструктур, що формуються, здійснюється завдяки наявності зворотного зв'язку між фотоприймачем і блоком 3, блоками 2 і 3, та 1 і 7. Одержана в блоці 3 інформація в аналоговому вигляді надходить в блок оптоелектронного вістря 2, а одержана в блоці 7 інформація у цифровому вигляді надходить на вхід блока лазерної системи 1, з допомогою якого виконується також корегування технологічних процесів з метою одержання оптимальних параметрів структур, що виготовляються. Сигнал, що формується в блоці вибору режимів роботи 3 та подається на вхід блоків 2 і 7, визначає параметри формування наноструктури та переміщення вістря в зоні зразка по взаємно перпендикулярним X, Y, Z-координатам за допомогою трикоординатного п'єзосканера та крокового п'єзодвигуна. При експлуатації пристрою здійснюється формування наноелектронних структур, інформація про яке представляється на екрані монітора у вигляді ряду параметрів: - необхідний вибір режимів технологічного процесу; - помилки оператора та шляхи їх усунення; - стан процесу сканування поверхні з можливістю зміни режиму сканування; - властивості досліджуваної поверхні зразка та шляхи можливої корекції процесу формування структур. Даний пристрій побудований на використанні близькопольної оптичної мікроскопії, в якій використовуються інші принципи побудови зображення об'єкта, ніж в класичній оптиці, що дозволяють перебороти труднощі, пов'язані з дифракцією світла, і реалізувати просторове розрішення на рівні 10 нм і краще. Це пов'язано з тим, що одним з основних законів оптики є існування, так званої, дифракційної межі, що встановлює мінімальний розмір (R) об'єкта, зображення якого може бути побудовано оптичною системою при використанні світла з довжиною хвилі : R / 2n , де: n - показник переломлення середовища. Для звичайного оптичного діапазону довжин хвиль граничний розмір становить величину порядку 200-300 нм. Щоб зменшити на порядок і більше цей показник і використовується близькопольний оптичний мікроскоп. В основі його роботи використовується явище проходження світла через субхвильові діафрагми (отвору з діаметром багато менше довжини хвилі падаючого випромінювання). При проходженні світла через субхвильовий отвір спостерігається ряд особливостей. Електромагнітне поле в області діафрагми має складну структуру. Безпосередньо за отвором на відстанях Z 100 ( - розмір отвору) розташовується, так звана, ближня зона, у якій електромагнітне поле існує, в основному, у вигляді еванесцентних (не поширюються) мод, локалізованих поблизу поверхні діафрагми. В області відстаней Z 100 розташовується далека зона, у якій спостерігаються лише випромінювальні моди. Потужність випромінювання за субхвильовою діафрагмою в далекій зоні може бути оцінена по наступній формулі: P (128 / 27 ) * к 4 6 W0 , де к - хвильовий вектор, W0 - щільність потужності падаючого випромінювання. Для випромінювання з довжиною хвилі порядку 500 нм і діафрагми з -10 отвором від ~ 5 нм потужність випромінювання в далекій зоні становить близько 10 потужності падаючого випромінювання. Найбільш широке застосування знайшли близькопольні оптичні мікроскопи із зондами на основі оптичного волокна, що являє собою аксіально-симетричний оптичний хвилевід із матеріалів з показниками переломлення, що відрізняються. Оптичне волокно складається із серцевини і оболонки. Зовні волокно покривається захисним шаром. Серцевина й оболонка виготовляються, як правило, з особливого кварцового скла. При цьому скло, що використовується для оболонки, має менший показник переломлення, ніж скло для серцевини. Зонди для близькопольного оптичного мікроскопа виготовляються шляхом очищення від захисного шару кінця оптичного волокна через занурювання в розчин, що складається із двох рідин, що не змішуються, - суміші HF, NH4F, Н2О, що є травником для кварцу, і рідини з меншою щільністю, наприклад толуолу. Толуол розташовується поверх травника й служить для формування меніска змочування на границі толуол-травник-волокно. У міру травлення товщина волокна зменшується, що приводить до зменшення висоти меніска. У результаті в процесі травлення на кінці волокна відбувається формування конусоподібного вістря з характерними розмірами менше 100 нм. Потім кінчик зонда покривається тонким шаром металу. Покриття 3 UA 98849 C2 5 наноситься за допомогою вакуумного напилювання під кутом порядку 30° до осі волокна, так що на кінчику вістря в області тіні залишається ненапилена ділянка малої апертури, що і є близькопольним джерелом випромінювання. Оптимальний кут при вершині зондів становить близько 20°. Сучасний рівень мікро- та нанотехнологій дозволяє розробити та побудувати пристрій формування наноелектронних структур, що заявляється. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Пристрій формування наноелектронних структур, який містить блок лазерної системи, оптично зв'язаний через блок оптоволоконного вістря, зразок та діафрагму з фотоприймачем, вихід якого зв'язаний з входом блока оптоволоконного вістря, перші вхід та вихід останнього зв'язані з відповідним входом та виходом блока вибору режимів роботи, другий вхід-вихід якого зв'язаний з входом-виходом фотоприймача, третій вхід блока вибору режимів роботи є входом пристрою, який відрізняється тим, що додатково містить блок керування лазером, вхід-вихід якого зв'язаний з четвертим входом-виходом блока вибору режимів роботи, а другий вхід-вихід з'єднаний з входом-виходом блока лазерної системи. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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 4