Изучение физических процессов, протекающих при модификации поверхности металла импульсом напряжения в сканирующем туннельном микроскопе

0Б1ДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

В последнее время широкое развитие получила физика низкоразмерных структур. Интерес к этой области обусловлен потребностью дальнейшего усовершенствования элементной базы существующих электронных приборов и создания принципиально новых. Уже сейчас ясно, что близко то время, когда на поверхности твердого тела будут создаваться (собираться из отдельных частиц или атомов) искусственные структуры атомных размеров с особыми физико-химическими свойствами, которые станут основой элементной базы новых электронных приборов. Принципы работы таких приборов будут базироваться на физических процессах, имеющих место в элементах с атомными размерами, что по существу, означает переход от микроэлектроники к наноэлектронике.

Достижения физики низкоразмерных структур открывают широкие перспективы перед технологией XXI века — нанотехнологией. Уже сегодня очевидно, что применение нанотехнологии позволит решить ряд важных проблем. Во-первых, должно значительно сократиться количество используемого при производстве электронных приборов материала. Во-вторых, уменьшение физических размеров приборов должно привести к значительной экономии потребляемой электроэнергии. В-третьих, использование наноэлементной базы при создании электронных приборов должно резко увеличить их быстродействие. Возможности увеличения быстродействия приборов, работающих на основе дрейфо-диффузионного переноса носителей, сейчас уже практически исчерпаны.

Наряду с дальнейшим усовершенствованием хорошо известной планарной технологии, основывающейся на многостадийной микролитографии (процесс многократно повторяющейся литографии на различных технологических этапах с целью изготовления полупроводниковых приборов и полупроводниковых интегральных микросхем), все большее внимание привлекают методики, использующие сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ).

Первые СЗМ основывались на эффекте туннелирования электронов между острым зондом и проводящей поверхностью исследуемого объекта. На практике, это впервые было продемонстрировано Бинингом и Роэром, создавшими сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и получившие с его помощью изображение поверхности с атомным разрешением [1]. Современные СЗМ уже позволяют визуализировать фактически любые поверхности, используя электронные, магнитные, оптические и даже механические эффекты взаимодействия зонда с поверхностью [2]. Так, магнитный силовой микроскоп позволяет получить изображение магнитной структуры поверхности, микроскоп атомных сил (MAC) — рельеф непроводящих поверхностей, а сканирующий термический — детектирует температурный профиль поверхности с чувствительностью 10 К и выше. Причем современные СЗМ безотказно работают в жидкостях, на воздухе, в сверхвысоком вакууме при температурах от нескольких градусов до сотен градусов Кельвина. Простота изготовления и уникальные возможности СЗМ при работе с атомным разрешением позволили ему стать неотъемлемой частью многих физических, химических и биологических лабораторий мира. По сути дела зондовые микроскопы являются многофункциональными приборами для исследования как топографии поверхности, так и совокупности механических, электронных и магнитных свойств поверхности с субнанометровым пространственным разрешением. Впоследствии, сканирующий туннельный микроскоп претерпел эволюцию от оригинального и мощного инструмента для изучения рельефа проводящей поверхности с атомным разрешением до устройства, позволяющего модифицировать не только форму поверхностных структур (вплоть до манипулирования отдельными атомами), но и изменять локальные физико-химические свойства материала исследуемого образца [3].

В настоящее время, сканирующая зондовая микроскопия как метод исследования и воздействия на поверхность быстро развивается. За прошедшие почти двадцать лет с момента своего изобретения СЗМ внедрен в практику научных исследований, используется на производстве для контроля выхода годных изделий микроэлектроники, в прикладных исследованиях в химии и биологии [2,4]. Среди всего семейства СЗМ особо стоит выделить сканирующие туннельный и атомно-силовой микроскопы, с помощью которых наблюдаются отдельные атомы, молекулы и осуществляются направленные манипуляции с ними.

Применение сканирующих зондовых микроскопов в нанотехнологии дает ряд неоспоримых преимуществ. Стало реальным достижение физически минимального размера создаваемых структур — атомного. Малое напряжение между зондом и исследуемой поверхностью дает еще одно важное преимущество — низкую величину энергии падающих на поверхность частиц, что повышает разрешающую способность метода и значительно снижает вероятность образования дефектов. Последнее особенно существенно для наноэлектронных приборов, имеющих размеры, сравнимые с атомными, в которых появление даже небольшого количества нарушений способно привести к полному изменению электрических характеристик. Немаловажным является то обстоятельство, что имеется реальная возможность использовать СЗМ не только для нанесения заданного рисунка на поверхность твердого тела, но и для контроля и тестирования физико-химических свойств образующихся наноструктур применяя локальный анализ изучаемой поверхности. Причем это может осуществляться непосредственно в ходе изготовления элементов. Таким образом, появляется возможность оперативного изменения режимов технологического процесса, что должно позволить резко поднять процент выхода годных изделий.

Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Методами современной нанотехнологии в настоящее время созданы опытные модели действующих туннельных диодов [5], одноэлектронных транзисторов [6,7] и других элементов электронных схем, которые в будущем, возможно, заменят ныне существующие. По мнению многих исследователей, новое поколение устройств памяти длительного хранения будет зависеть от быстродействия СТМ и микроскопа атомных сил (MAC). Предсказывается большой выигрыш при использовании СТМ или MAC в устройствах записи и считывания информации с жестких дисков. Оценка плотности записи составляет для.

14 2 9 2.

СТМ около 10 бит/см, а для MAC — 10 бит/см [8]. Недавно сотрудниками исследовательского центра IBM в Калифорнии (IBM Almadel Research Center) был продемонстрирован прототип устройства на основе СТМ, позволяющий производить чтение/запись информации со скоростью 8хЮ6 бит/сек [8], что превышает возможности современных CD-ROM дисков на несколько порядков.

Однако, доведение методов модификации поверхности с помощью СЗМ до уровня технологии, позволяющей с высокой надежностью и воспроизводимостью создавать элементы нужной конфигурации с малыми линейными размерами, требует ясного понимания происходящих при этом физических процессов. В настоящее время существует несколько способов модификации поверхности с использованием СТМ. Основные из них можно условно разделить на три типа: механический, химический и под действием сильного электрического поля.

Экспериментально первый тип модификации поверхности является наиболее простым и связан с принудительным вдавливанием острия в образец. В результате такого вдавливания, как было показано в [9,10], на поверхности кремния формируются лунки. Авторам [11] методом прессования удалось воспроизводимо наносить платиновым острием на золотой подложке лунки с диаметром до 20 нм. Однако, несмотря на достигнутые результаты, отношение к такому методу создания неоднородностей на поверхности твердого тела остается скептическим, поскольку использование механического контакта, при многократном повторении операций, может привести к необратимому изменению формы острия.

Вторая возможность модификации поверхности связана со стимулированием химических реакций на поверхности образца туннельным током, протекающим между острием и подложкой, что приводит к образованию оксидных и других химических соединений.

Третий метод заключается в том, что в заранее определенный момент времени повышается напряжение между острием и подложкой. В результате такого воздействия в области поверхности под острием происходит изменение морфологии или химического состава поверхности.

К настоящему времени проведено довольно большое количество исследований модификации поверхности металла импульсами напряжения [3,12]. Предложены разнообразные механизмы взаимодействия иглы СТМ с поверхностью, такие как термический разогрев поверхности образца [13−15], полевое испарение [16−20], электрический контакт острие-образец [21,22], электронно-стимулированная десорбция [23], электромиграция [24], стимулированные полем химические реакции [25,26], сублимация, индуцированная туннелированием электронов [27], и другие. Однако, окончательно понять физику процессов, приводящих к изменению морфологии поверхности, пока не удалось.

Цель и задачи.

Исходя из сказанного выше, целью настоящей работы являлось исследование физических процессов, протекающих при модификации поверхности металла импульсом напряжения в сканирующем туннельном микроскопе сильным электрическим полем, и изучение механизма, отвечающего за такую модификацию.

Цель работы определила следующие основные задачи исследования:

— изучение зависимости вероятности образования наноструктур от амплитуды, полярности и длительности импульса напряжения в конкретных экспериментальных условиях и сопоставление полученных результатов с известными из литературы;

— изучение зависимости вероятности образования наноструктур от амплитуды импульса напряжения для различных значений величины импеданса туннельного промежутка;

— выяснение и теоретическое обоснование механизма модификации поверхности металла в сканирующем туннельном микроскопе сильным электрическим полем, исследование физических характеристик, определяющих ход процесса модификации.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в том, что в рамках настоящего исследования на основании проведенных экспериментов и теоретических расчетов было получено следующее:

1. Впервые был предложен механизм образования контакта между острием и поверхностью металлического образца, который основан на термическом расширении привершинной части острия за счет протекающего в системе острие-образец тока. Образование контакта в свою очередь приводит к модификации поверхности металла в СТМ. Предлагаемый механизм позволяет непротиворечивым образом объяснить экспериментальные данные, полученные при изучении модификации поверхности в СТМ в результате приложения импульса напряжения.

2. Проведены расчеты напряженности электрического поля для СТМ системы игла-образец при малых расстояниях между электродами. Полученные результаты позволили рассмотреть тепловые режимы острия и поверхности.

3. Проведены эксперименты, подтверждающие, что приложение импульса напряжения приводит к образованию омического контакта между иглой и образцом. Его наличие свидетельствует в пользу предлагаемого механизма термического расширения привершинной части острия.

4. Впервые обнаружена сильная зависимость величины критического напряжения, ниже которого изменение морфологии поверхности не наблюдается, от количества протекающего заряда в цепи игла-образец.

5. Проведены расчеты эмиссионных характеристик в случае трапециевидной формы потенциального барьера для электронов. Показано, что энергия, выделяемая на острие при эмиссии электрона за счет эффекта Ноттингама, в случае трапециевидной формы барьера существенно выше по сравнению со случаем автоэлектронной эмиссии.

Таким образом, в результате проведенных расчетов и экспериментальных исследований получены новые научные результаты, которые позволили сформулировать основные защищаемые положения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Защищаются экспериментальные результаты, свидетельствующие о наличии электрического контакта между острием и поверхностью металла при приложении импульса напряжения, амплитуда которого превышает пороговое значение.

— 112. Определяющим фактором в процессе модификации поверхности металла импульсом напряжения является величина количества заряда протекающего в цепи острие-образец.

3. В случае трапециевидной формы барьера энергия, которая выделяется на острие при эмиссии электронов за счет эффекта Ноттингама, имеет значительно большую величину по сравнению с выделяющейся при автоэлектронной эмиссии.

4. Распределение поля в системе острие-образец при расстояниях много меньших радиуса кривизны острия таково, что площади эмиссии и плотности тока как при эмиссии электронов из иглы, так и при эмиссии с образца примерно равны, чем и объясняется отсутствие существенной зависимости вероятности модификации поверхности металла от полярности импульса напряжения.

5. Механизм образования электрического контакта между острием и образцом в сканирующем туннельном микроскопе при приложении импульса напряжения заключается в термическом расширении привершинной части острия за счет ее разогрева током, протекающем в цепи игла-образец.

6. При ультразвуковой очистке поверхности в режиме мягкой кавитации не происходит каких-либо изменений морфологии поверхности. Появление нарушений наблюдается при жестком режиме.

Степень достоверности полученных результатов.

Достоверность полученных результатов определяется хорошим совпадением части из них с известными из литературы результатами, а так же их хорошей повторяемостью. Предлагаемый механизм позволяет непротиворечивым образом объяснить все имеющиеся особенности модификации поверхности металла импульсом напряжения в СТМ.

Личный вклад автора.

В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных в 1992;1998 годах непосредственно автором, а также под руководством автора студентами А. Н. Резановым, В. К. Дмитриевым. Автор принимал непосредственное участие в создании экспериментальной установки, в проведении экспериментов и физической интерпретации полученных результатов. Автору принадлежит определение способов реализации экспериментов, решение методических вопросов, обработка экспериментальных данных, проведение расчетов и обобщение результатов исследований.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах лаборатории физической электроники НИИ Физики СПбГУ, на 2-ой международной конференции ЫАМО-П (Москва 1993), на ХХП конференции по эмиссионной электроники (Москва 1994), на 2-ой международной конференции №потее1ш§-П (Минск 1995), на 9-ой международной конференции по вакуумной микроэлектронике (Санкт-Петербург, 1996), на всероссийском рабочем совещании «Зондовая микроскопия — 97» (Нижний-Новгород, 1997), на всероссийском рабочем совещании «Зондовая микроскопия — 98» (Нижний-Новгород, 1998).

Публикации.

Основные результаты исследований опубликованы в 10 научных работ [69, 7581,86, 89].

Основные результаты, полученные в ходе выполнения настоящей работы, можно сформулировать следующим образом:

1. Экспериментально изучено влияние различных факторов (полярности, длительности, амплитуды импульса напряжения, начального расстояния между иглой и поверхностью образца) на вероятность модификации поверхности пленки золота. Полученные результаты подтверждают особенности процесса модификации, которые ранее отмечались рядом авторов. Показано, что при эмиссии электронов из образца величина порогового напряжения на ~ 0.5 В меньше, чем в случае обратной полярности.

2. Проведенные измерения падения напряжения на туннельном промежутке показали, что при модификации поверхности уже в начале импульса возникает электрический контакт между острием и образцом.

3. Экспериментально показано, что величина порогового напряжения существенно зависит от характеристик используемой электронной схемы. Увеличение входной емкости приводит к значительному (в два и более раз) понижению напряжения, необходимого для модификации поверхности. Это обстоятельство позволило заключить, что определяющей для процесса модификации величиной является количество заряда, протекающего в цепи острие-образец. Из этого же экспериментального факта однозначно следует, что механизмы, основанные на влиянии электрического поля на поведение частиц (десорбция полем, поверхностная диффузия, стимулированная полем), не являются главными в процессе модификации поверхности импульсом напряжения.

4. Проведенные расчеты распределения электрического поля при малом промежутке между острием и образцом показали следующее: при уменьшении расстояния между электродами происходит существенное уменьшение эмитирующей площадисистема острие-образец практически симметрична относительно знака потенциала, отличие состоит лишь в том, что величина напряженности поля у поверхности плоского образца отличается всего лишь на несколько процентов от таковой у вершины острия.

5. Проведенные расчеты эмиссионных характеристик для случая трапециевидного потенциального барьера для электронов показали наличие существенных отличий от случая, соответствующего автоэлектронной эмиссии. Основные из них заключаются в следующем: зависимость эмиссионного тока от напряжения значительно слабеепри трапециевидном барьере увеличивается энергия выделяемая на острие за счет эффекта Ноттингама.

6. Предложен механизм образования электрического контакта между острием и образцом при приложении импульса напряжения, который заключается в том, что в результате разогрева вершины острия за счет протекающего в цепи игла-образец тока происходит ее термическое расширение и соответствующее сокращение промежутка игла-образец.

7. При ультразвуковой очистке поверхности в режиме мягкой кавитации не происходит каких-либо изменений морфологии поверхности. Появление нарушений наблюдается при жестком режиме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Исходя из всего выше сказанного можно представить себе следующий механизм образования неоднородностей на поверхности образцов. Уже в начальный момент импульса величина тока эмиссии достигает критического значения, начиная с которого, происходит существенное увеличение Г на вершине острия. Это вызывает сокращение вакуумного промежутка, возрастание напряженности поля и дальнейшее увеличение тока. В конечном итоге это приводит к смыканию вакуумного промежутка, а в предельном случае возможно даже вдавливание острия в образец. В дальнейшем, поскольку обычно обратная связь в таких экспериментах не отключается, спустя 1.10мкс начинается отвод острия от поверхности. Он заканчивается разрывом образовавшегося мостика, если имеется хорошая адгезия между острием и поверхностью образца, или на поверхности остается лунка, если связь между ними слабая. Предлагаемый механизм позволяет объяснить практически все особенности образования на поверхности металла неоднородностей при приложении к системе игла-образец импульса напряжения. Прежде всего, размеры образующихся таким образом наноструктур будут определяться формой острия, а поскольку методика приготовления острий у большинства исследователей стандартная, то и размеры наноструктур приблизительно у всех одинаковы. Во-вторых, результат воздействия будет зависеть от ряда причин: от формы вершины острияот начального расстояния игла-образец, что экспериментально подтверждается в линейной зависимости порогового напряжения от величины туннельного промежуткаот смачиваемости острия материалом подложки, чем будет определяться форма, образующихся наноструктурот характеристик тракта обратной связи, определяющих значение порогового напряжения. Одинаковое развитие процесса при разных полярностях является следствием симметрии системы, а наблюдаемое при разных полярностях различие в значениях ипор объясняется увеличением, выделяемой каждым электроном энергии (в е11 /? ^ раз).

В заключение следует сказать, что модификация поверхности за счет термического расширение (являющегося неуправляемым процессом), не является удобным для создания на поверхности субатомных структур. Для того чтобы стало возможным создание наноструктур заданных размеров (вплоть до атомных), необходимо устранить возможность лавинообразного развития процесса и перейти в другой режим. Наиболее подходящей для этих целей является десорбция полем. Однако, для ее осуществления необходимы поля более высокой напряженности.

Переход в этот режим возможен только в том случае, если удастся значительно уменьшить термический разогрев острия.

В случае отрицательной полярности такие условия могут быть созданы при использовании в качестве образца системы диэлектрическая пленка-проводник [89]. Появление дополнительного барьера для электронов (за счет наличия на поверхности образца пленки из материала обладающего диэлектрическими свойствами) с низкой энергией должно привести к уменьшению средней энергии, выделяемой при эмиссии электронов, поскольку оказывается возможным туннелирование из острия только тех электронов, которые обладают энергией выше дна зоны проводимости оксида. В результате должна появиться возможность увеличения напряженности поля в промежутке острие-образец без существенного разогрева острия. Одними из наиболее подходящих для этой цели материалов являются оксиды, для которых характерно наличие широкой запрещенной зоны. Ее положение относительно уровня Ферми системы зависит от атомного состава и структуры оксида, а также от его дефектности и может варьироваться в широких пределах.

В связи с этим представляется актуальным дальнейшее изучение механизма модификации импульсом напряжения поверхностей полупроводниковых и диэлектрических пленок, нанесенных на металлическую подложку, и сопоставление результатов с данными, полученными при исследовании металлических образцов.