Наноразмерное структурирование материалов с использованием атомно-силовой микроскопии в режиме нанолитографии

ИЮН082020

Нанотехнология получила повышенное внимание в научном сообществе из-за ее применения в ряде областей, от электроники до биомедицинских технологий [1]. Прогресс во многих из этих применений зависит главным образом от способности изготавливать наноструктурированные материалы, в том числе полимеры и полупроводники [2, 3]. Несколько методов были введены для изготовления наноструктур; более распространенными являются электронно-лучевая литография и сфокусированная ионно-лучевая литография. Однако эти способы не просты и дороги в эксплуатации.

Одним из мощных методов, разработанных для решения этих проблем, является нанолитография с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) [1-3]. Этот метод прост и дешевле [2]. АСМ нанолитография делится на две основные группы, основанные на их механистических и эксплуатационных принципах: АСМ литография с напряжением смещения и силовая АСМ литография [2]. При использовании первого метода напряжение смещения подается на кантилевер для формирования рисунка оксида на металлической или полупроводниковой подложке [4, 5]. Тогда как во втором методе к кантилеверу прикладывается большое усилие для создания тонких канавок на поверхности полимероподобных образцов путем механического царапания, толкания или вытягивания поверхностных атомов и молекул острым наконечником; т.е. взаимодействие кантилевера с образцом в основном механическое [2, 3].

В данной статье мы демонстрируем способность АСМ нанолитографии генерировать наноструктуры с помощью атомно-силового микроскопа Park NX10. Режим смещения напряжения на кантилевере используется для создания оксидных структур на кремниевой подложке. Успешное изготовление рисунка подтверждено с помощью режима анализа латеральной силовой микроскопии (LFM). Интеграция литографии и режима LFM с АСМ позволяет данному микроскопу изготавливать наноструктуры и одновременно получать как топографические данные, так и информацию о трении. Результаты, полученные в этом эксперименте, подтверждают, что изготовленные оксидные наноструктуры были выполнены успешно.

Эксперимент

Атомно-силовой микроскоп Park NX10 использовали для АСМ нанолитографии, чтобы нанести рисунки на кремниевую подложку. LFM-визуализация была проведена после процесса литографии, чтобы подтвердить успешное изготовление рисунков оксидов на поверхности, а также для нахождения поверхностных различий между слоями оксидов и кремниевой подложкой. В эксперименте использовался кантилевер PPP-CONTSCPt с номинальной жесткостью пружины k = 0.2 Н/м и резонансной частотой f = 25 кГц.

Результаты и обсуждение

АСМ нанолитография с напряжением смещения

АСМ нанолитография с напряжением смещения – это метод, описываемый как модификация материала (окисление) путем приложения напряжения смещения кантилеверу АСМ. Приложенное напряжение смещения на кантилевере приводит к генерации электрического поля между его острием и образцом. Поле ионизирует молекулы воды, образующиеся между кантилевером и образцом, что приводит к локальному анодному окислению (LAO), используемому для изготовления наноразмерных элементов оксида на поверхности. В процессе литографии кантилевер выполняет роль наноразмерного электрода для инжекции или сбора тока [1, 2]. Количество оксидного слоя, образованного на поверхности, зависит от величины приложенного напряжения смещения и влажности.

Предыдущее исследование [2] показало, что толщина предварительно разработанной наноразмерной оксидной структуры устройства увеличилась по мере увеличения приложенного к кантилеверу напряжения смещения. Таким образом, сделано заключение, что напряжение на кантилевере влияет на количество оксида, образующегося на поверхности.

На рис. 1 показана схема АСМ нанолитографии с напряжением смещения. В данной работе для разработки и применения нанолитографии на поверхности образца использовалось программное обеспечение Park Lithography. В качестве образца использовалась кремниевая подложка.

Приложение напряжения смещения величиной -10 В привело к образованию сильного электрического поля вокруг кантилевера, что, в свою очередь, привело к расщеплению молекул воды на ионы H+, OH- и O- [5]. Затем ионы ОН- и О- отталкиваются от кантилевера под напряжением и вступают в реакцию с кремнием с образованием оксида SiO₂. При этом наноразмерная оксидная структура образуется на поверхности кремниевой подложки вдоль области сканирования.

Рис. 1. Схематическое отображение метода АСМ нанолитографии с напряжением смещения

Латеральная силовая микроскопия

В режиме латеральной силовой микроскопии (LFM) измеряются вертикальное отклонение и величина кручения кантилевера для получения топографии и характеристик трения поверхности образца. Движение кантилевера как в вертикальном направлении, так и при кручении отслеживается с помощью чувствительного к положению фотодетектора (PSPD), который состоит из четырех зон (четырехэлементная ячейка), показанных на рисунке 2. Топографическую информацию о поверхности и информацию о трении получают с использованием уравнений 1 и 2.

Уравнение 1: Топографическая информация = (A + C) – (B + D)

Уравнение 2: Информация о трении = (A + B) – (C + D)

Рис. 2. Схематическое отображение положения лазера на PSPD в режимах АСМ (сверху) и LFM (снизу).

На рисунке 3 представлены данные о топографии и трении, а также эквивалентный профиль поперечного сечения полученных изображений после процесса литографии (вдоль линий анализа). Изображения были сделаны в режиме LFM. Поскольку LFM является контактным режимом, данные топографии и трения могут быть получены одновременно, что позволяет проводить корреляцию между топографическими свойствами и свойствами трения.

Топографическое изображение АСМ (рис. 3б) показывает, что созданная структура представляет собой рисунок рождественского шара диаметром приблизительно 17 мкм, состоящего из множества крошечных структур высотой от 0.2 до 1.5 нм. На рис. 3д представлены профили поперечного сечения вдоль линий анализа, которые были созданы с использованием программного обеспечения Park XEI для обеспечения более прямого сравнения сигналов.

Анализируя данные профили, полученные при прямом (зеленая линия) и обратном (синяя линия) сканировании, мы получаем представление о характеристиках трения образца. При прямом сканировании сигнал LFM сместился вверх, указывая на то, что движение кантилевера было затруднено из-за изменения силы трения, когда кантилевер проходил оксидный слой. И, наоборот, сигнал LFM сместился вниз во время обратного сканирования, что, опять же, было результатом прохождения кантилевера по поверхности с большим трением, что влияло на взаимодействие кантилевера и самой поверхности. В результате можно сделать вывод, что коэффициент трения оксидного слоя выше, чем у кремниевой подложки.

Рис. 3. Трехмерное изображение (а), данные о топографии (б) и информация о трении при прямом (в) и обратном (г) LFM сканировании полученной оксидной структуры. Эквивалентные профили поперечного сечения полученных изображений (д) после процесса литографии вдоль красной, зеленой и синей линий анализа для топографии, прямого LFM сканирования и обратного LFM сканирования соответственно.

Заключение

В ходе данной работы мы продемонстрировали использование режима атомно-силового микроскопа нанолитографии для создания наноразмерных структур оксида на кремниевой подложке с использованием системы Park NX10. В процессе АСМ нанолитографии использовался метод с напряжением смещения. Приложение напряжения смещения величиной -10 В к кантилеверу привело к успешному созданию наноразмерных элементов оксида на поверхности. Также были проведены измерения в режиме LFM и результаты подтвердили успешное изготовление образцов оксида. В целом, АСМ нанолитография, описанная в этом исследовании, является эффективным методом изготовления материалов и устройств следующего поколения с наноразмерными элементами оксидного слоя на кремниевой подложке.

Подробные характеристики
Сканирующего атомно-силового микроскопа Park NX10

Ссылки

1. A. Pimpin, et al., Review on Micro- and Nanolithography Techniques and their Applications. Enginering Journal.
2. S. Hutagalung, et al., Nanoscale Patterning by AFM Lithography and its Application on the Fabrication of Silicon Nanowire Devices. Sains Malaysiana 43(2), (2014): 267–272.
3. R. Garcia, et al., Advanced scanning probe lithography. Nature Nanotechnology 9, 577–587 (2014); doi:10.1038/nnano.2014.157
4. J. Voves, Nanoelectronics and nanolithography. https://www.researchgate.net/publication/228859246_Nanoelectronics_and_nanolithography
5. A. Bernal et al., Local anodic oxidation on silicon (100) substrates using atomic force microscopy. http://www.scielo.org.co/pdf/dyna/v79n174/v79n174a08.pdf