Лекция 11 Литография Зондовые методы Манипуляция атомами Локальное

Лекция 11 Литография Зондовые методы Манипуляция атомами Локальное окисление Механическое и термомеханичесокое модифицирование Экспонирование резиста электронным пучком (локальная электронно-лучевая литография)

1. Манипуляция атомами Для манипуляции атомами используются: Электрическое взаимодействие между атомом на поверхности и кантилевером Химические связи между кантеливером и атомом Магнитное взаимодействие между магнитным атомом и намагниченным кантилевером

Манипуляция атомами Сканирующий туннельный микроскоп можно использовать для перемещения атома в точку, выбранную оператором. Если напряжение между иглой микроскопа и поверхностью образца сделать в несколько больше, чем надо для изучения этой поверхности, то ближайший к ней атом образца превращается в ион и "перескакивает" на иглу. После этого слегка переместив иглу и изменив напряжение, можно заставить сбежавший атом "спрыгнуть" обратно на поверхность образца. Таким образом, можно манипулировать атомами и создавать наноструктуры, т.е. структуры на поверхности, имеющие размеры порядка нанометра. Ещё в 1990 году сотрудники IBM показали, что это возможно, сложив из 35 атомов ксенона название своей компании на пластинке из никеля.

2. Локальное окисление Прикладывается напряжение между кантилевером и образцом Создается электрическое поле высокой напряженности Приложение электрического смещения к проводящему кантилеверу стимулирует протекание электрохимических процессов на поверхности непосредственно под образцом, при этом может происходить окисление металлических слоев.

Пример: Наноокисление кремния проводящим АСМ Полоски оксида получены путем локального анодного окисления Si Пространственное разрешение – 10 нм

Пример: локальное окисление Ti до TiO2 Кантилевер и образец покрыты тонким слоем воды, в момент сближения за счет капиллярного эффекта образуется «водный мостик», кантилевер проводящий Приложение электрического поля запускает электрохимическую реакцию. Если поверхность заряжена положительно, то зонд и поверхность вступают в электрохимическое взаимодействие как катод и анод соответственно. Окисел начинает расти в точке поверхности строго под зондом. Точки TiO2 на пленке Ti H2O TiO2 Ti SiO2 200х200 nm2

Пример: Наноокисление алюминия проводящим АСМ

Локальное окисление металлической пленки для формирования одноэлектронного транзистора

(b) Шаблон для фотолитографии (c) Микрофотография после химического травления по шаблону (d) Схема изготовления канала одноэлектронного транзистора методом АСМ (e) трехмерное АСМ изображение топографии получившегося одноэлектронного транзистора Формирование одноэлектроннного транзистора

3. Механическое и термо-механическое формирование рисунка Кантеливер используется для «вспахивания» мягкой поверхности Нагрев кантеливера приводит к локальному расплавлению вещества

СТМ Термо-литография Наиболее простой способ модификации поверхности с помощью СТМ заключается в непосредственном контактном воздействии СТМ зонда на поверхность. Это приводит к появлению ямки на поверхности образца, на при этом может повреждаться зонд СТМ. Более щадящий способ воздействия на поверхность заключается в подаче на образец токового импульса. Поверхность образца под зонд при этом может расплавляться и даже частично испаряться. Пример СТМ Литографии представляет СТМ изображение трех монослоев проводящей ЛБ пленки после локального приложения трех электрических импульсов. Видны кратерообразные дефекты глубиной в один монослой.

СТМ Термо-литография

АСМ Литография-Гравировка При осуществлении наногравировки с использованием методики обычной контактной силовой микроскопии зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с достаточно большой силой прижима, так что на подложке (или на лежащем на ней слое резиста) формируется рисунок в виде углублений (царапин). Материал извлекается из подложки вполне определенным образом, оставляя канавки с характерным сечением, определяемым формой кончика зонда. Преимущества: по сравнению с электронно- и ионно-лучевой литографиями: не вносятся глубокие нарушения в подложку, нет необходимости применения дополнительных технологических операций, таких как травление подложки. В процессе сканирования с использованием контактного метода может осуществляться не только глубокая гравировка, но в зависимости от силы прижима зонда и более широкий набор набор режимов– от легкого скольжения без трения до остаточного истирания  характеризация процессов стойкости различных материалов к истиранию, например, магнитных считывающих головок, упаковочных полимеров, ЖК дисплеев и пр. Два типа литографии: векторная и растровая. Векторная литография осуществляется по заранее заданному рисунку, ее преимущество заключается в относительно большой скорости, однако она не позволяет варьировать силу воздействия на подложку в процессе литографии. Растровая литография осуществляется более медленно, поскольку при ее проведение сканирование осуществляется по всей площади участка подложки, на которой формируется рисунок, однако она позволяет осуществлять различное (в зависимости от рисунка шаблона) по силе воздействие зонда на подложку.

Наночеканка. СЗМ позволяет осуществлять непосредственное силовое воздействие зондом на поверхность образца. Это может производиться двумя путями – статическим воздействием (Наногравировка) и динамическим воздействием (Наночеканка). При Наногравировке используется Контактный метод сканирования для формирования рисунка на поверхности подложки или на нанесенном на нее слое, например, слое резиста, с последующим использованием его в качестве маски травления. Такая технология нанолитографии достаточно проста и дешева, однако у нее есть определенные недостатки. При формировании наноканавки статическим воздействием зонда случайные торсионные изгибы кантилевера приводят к краевым неоднородностям рисунка. Кроме того, предварительное и последующее после нанолитографической операции сканирования приводят к сдвиговым искажениями рисунка. С использованием АСМ Динамической Литографии (Наночеканки) модификация поверхности происходит за счет формирования углублений на поверхности образца колеблющимся зондом, при этом используется прерывисто-контактный метод сканирования. Такой метод нанолитографии свободен от сдвиговых искажающих воздействий, решает проблему торсионных искажений и позволяет производить визуализацию сформированного рисунка без серьезного воздействия на поверхность подложки или резиста. АСМ Динамическая Литография может производиться с использованием векторного или растрового сканирования. Векторная литография осуществляется по заранее заданному рисунку, ее преимущество заключается в относительно большой скорости, однако она не позволяет варьировать силу воздействия на подложку в процессе литографии. Растровая литография осуществляется более медленно, поскольку при ее проведение сканирование осуществляется по всей площади участка подложки, на которой формируется рисунок, однако она позволяет осуществлять различное (в зависимости от рисунка шаблона) по силе воздействие зонда на подложку.

Силовая литография – еще примеры Статическая – царапины 1.6 х 1.6 мкм2 Динамическая (осцилляции кантеливера с вдавливанием в полуконтактной моде: «наночеканка» 220х 220 нм2 Растровая литография 2.6 х 2.6 мкм2

Большие массивы АСМ

DPN Inks Soft Materials –Small functional molecules –SAMs –Conducting polymers –Biopolymers / macromolecules Hard Materials –Metal inks –Sol precursor inorganic inks –Nanoparticlecatalysts

Pattern Size Control with DPN

Towards Massively Parallel DPN

The Light Force: Concept Photon posses energy and momentum ! An exchange of momentum & energy between photon and atom ! Force on atom Net moentum exchange from the photon to atom absorption emission

Dipole Force in a standing wave A standing wave has an amplitude gradient, but not a phase gradient. So only the dipole force exists. Where s0 is the saturation parameter for each of the two beams that form the standing wave. For δ<0 (red detuning), the force attracts atom toward high intensity regions. For δ>0 (blue detuning), the force repels atom away from high intensity regions.