9. Стм-литография.

Литография с помощью СТМ предъ­являет особые требования к качеству пленки резиста с точки зрения ее однородности и постоянства толщины. Традиционные полимеры из-за большой степени полимеризации (до 10⁴) при создании особо тонких пленок требуют специальных методов их нанесения, чтобы полимерные молекулы располагались вдоль по­верхности. Высокая степень полимеризации является препятствием соблюдения постоянства толщины пленки. В этом отношении для литографии с помощью СТМ хорошо бы подошли ленгмюровские пленки, если среди них обнаружатся негативные и позитивные резисты. Ленгмюровские пленки представляют собой упорядочен­ную структуру из сильно асимметричных линейных молекул, ко­торые выстраиваются параллельно друг другу и вертикально по отношению к поверхности. Нанесение на поверхность нескольких мономолекулярных слоев позволяет добиться очень высокого ка­чества получаемой пленки.

Следует отметить, что возможность использования СТМ для ли­тографии по диэлектрической пленке резиста не является очевид­ной. Энергии туннелирующих электронов может оказаться недоста­точно для разрушения (или сшивания) молекул резиста. Поэтому вначале предлагалось использовать СТМ в автоэлектронном режи­ме. В связи с этим здесь интересно сравнить разрешающие способности и традиционной электроннолучевой литографии (ЭЛЛ) и лито­графии с использованием СТМ.

Разрешающая способность ЭЛЛ ограничена несколькими факто­рами, связанными с конструктивными особенностями оборудования и физикой процесса экспонирования. Основными ограничениями яв­ляются эффекты пространственного заряда и аберрация линз, а так­же рассеяние электронов в резисте и подложке. Литография с СТМ лишена всех этих проблем.

Прежде всего, СТМ лишен каких бы то ни было элементов элект­ронной оптики и, следовательно, всех присущих ей недостатков. В то же время эффекты пространственного заряда в СТМ должны быть бо­лее выражены. Действительно, электронная плотность п вблизи ост­рия СТМ определяется из выражения п = J/(q∙ v), где J — плотность тока, v — скорость электронов, q — заряд электрона. Как уже говори­лось, по плотности тока СТМ значительно превосходит существующие электронно-лучевые ускорители (ЭЛУ), а скорость электронов в СТМ на один-два порядка меньше. В результате электронная плотность вблизи острия СТМ превышает соответствующее значение для ЭЛУ более чем в 10⁴ раз. Соответственно увеличивается расходимость элек­тронного пучка вследствие взаимодействия электронов друг с другом. Влияние пространственного заряда туннелирующих электронов нель­зя считать слабым, а расходимость электронного пучка достигает 45°, и тем не менее малая величина туннельного зазора позволяет добиться хороших результатов при экспонировании резиста.

Несколько сложнее ситуация с рассеянием электронов в мишени. Известно, что у современных ЭЛУ, имеющих ускоряющее напряже­ние 10 - 30 кВ, пробег электронов в мишени составляет 2-4 мкм и сравним с размерами формируемых элементов. Обратнорассеянные электроны экспонируют близлежащие области резиста, что приво­зит в ряде случаев к смыканию соседних элементов топологии. Для устранения этого эффекта предлагается, в частности, существенно повысить ускоряющее напряжение ЭЛУ. При этом увеличение дли­ны пробега электронов в мишени приведет к выравниванию фона обратнорассеянных электронов, который затем может быть отсечен подбором режимов проявления резиста. Такой метод в настоящее время считается одним из наиболее перспективных.

Что касается рассеяния электронов в мишени при использовании СТМ, то при напряжении всего в несколько десятков вольт эта про­блема решается таким образом, что уже основную роль в эффекте близости играют не рассеянные в мишени электроны, а отраженные от поверхности. При этом характерный радиус эффекта (в зависи­мости от параметров прибора) уменьшается до 100 - 300 нм. Тем не менее, литография под действием электронного пучка может быть осуществлена в наноразмерах с использованием сканирующего тун­нельного микроскопа. Для этих целей применяется обычная методи­ка облучения электронами резиста, порог срабатывания которого со­ответствует U = 8 эВ. т. е. СТМ работает в режиме автоэлектронного микроскопа. Минимальные размеры формируемых структур со­ставляли около 20 нм.

Модификация химического состава поверхности может быть осу­ществлена путем разложения вещества на поверхности и активации процессов сегрегации отдельных компонентов химического соедине­ния. Однако для записи информации в целях ее хранения этот спо­соб слишком громоздок и требует много времени (порядка секунд).

Следует отметить одно препятствие в создании металлического рисунка на поверхности подложки. Дело в том, что изображение с характерными размерами около 10 нм деградирует за счет диффу­зии металла вдоль поверхности за несколько часов. Этот факт, яв­ляющийся общим для всех рассматриваемых технологических про­цессов, требует дополнительных исследований.

СТМ нанолитография с лазерной активацией.

При всех своих преимуществах СТМ как литографиче­ский прибор имеет некоторые недостатки. Чтобы сообщить туннели­рующим электронам энергию, достаточную для модификации моле­кул резиста, необходимо прикладывать высокое ускоряющее напряжение и поддерживать ток выше некоторого критического зна­чения. Типичное значение энергии деструкции молекул резиста ти­па РММА составляет примерно 25 эВ. Чтобы достичь таких энергий, приходится, увеличивая напряжение, смещаться из области тунне­лирования в область автоэмиссии, что затрудняет работу в воздуш­ной среде. В то же время большое значение тока может привести к нежелательным эффектам, например, разогреву резиста и острия иглы, накоплению заряда в резисте. Избавиться от этого недостатка можно путем совместного использования лазера и СТМ. При сов­местном использовании прецизионного, но маломощного СТМ и мощного лазера с широким пучком на лазер возлагается функция возбуждения молекул резиста, которые затем могут быть легко раз­рушены под действием туннельного тока.

При облучении резиста светом видимой части спектра или мягким ультрафиолетовым светом энергии фотонов, которая в этом случае со­ставляет 2 - 20 эВ, недостаточно для фотодеструкции или фотоиони­зации полимерных молекул. Постоянно приложенное напряжение к игле СТМ сообщает электронам недостающую энергию, что вызывает деструкцию молекул резиста. Выбирая соответствующим образом ра­бочую частоту лазера, получаем возможность селективного возбужде­ния и разрыва связей в молекулах резиста. Существует несколько факторов, способствующих реализации описанного метода. Во-первых, поглощение острием иглы СТМ электромагнитного поля (фото­нов) приводит к фотоэмиссии электронов. Поскольку значение тун­нельного тока поддерживается постоянным, то данный эффект вызы­вает увеличение средней энергии туннелирующих электронов, кото­рые теперь способны вызвать ударную ионизацию молекул резиста. Во-вторых, вблизи острия иглы СТМ имеет место эффект усиления электромагнитного поля на несколько порядков, что дает возможность не только использовать лазер меньшей мощности, но и локализовать его влияние в активной области вблизи острия иглы СТМ.

Рассмотренный выше метод литографии предъявляет повышен­ные требования к стабильности лазерного излучения ввиду сильного влияния последнего на характер туннелирования электронов.

Если обобщить все сказанное о применении СТМ в нанолитогра­фии, то в итоге можно сформулировать следующее; формирование и сборка наноструктур с помощью сканирующего зонда по существу перспективна, но есть два ограничения — она относительно дорогая и относительно медленная. Хотя достигнуты значительные успехи в построении машин, в том числе и СТМ, использующих сотни или даже тысячи зондов одновременно, создание наноструктур с приме­нением методов зондового сканирования все еще очень похоже на ручную сборку.