Создание и 3D-характеризация металлических наноструктур на поверхности полимера с использованием метода динамической силовой литографии и сканирующей силовой микроскопии

Последние десятилетия ознаменованы бурным развитием технологий, ориентированных на создание, исследование и применение материалов и объектов с нанометровыми пространственными масштабами в одном (Ш), двух (20) или трех (ЗО) измерениях. Технологии, по которым создаются наноматериалы и нанообъекты различной природы и, разнообразные технические системы на их основе, получили название нанотехнологий (НТ). Наноматериалы и нанообъекты, получаемые с помощью НТ, обладают новыми физико-химическими свойствами, отличными от свойств как макроскопических объемных материалов, так и отдельных атомов и молекул [1]. Например, в металлических или полупроводниковых наноструктурах с пониженной размерностью (2Б, Ш или (Ю) могут возникать размерные эффекты, обусловленные, волновыми свойствами носителей заряда. Наноструктуры с пониженной размерностью лежат в основе различных устройств и систем (лазеры, на квантовых точках, сверхпроводящие квантовые интерферометры, кубиты квантовых компьютеров, одноэлектронные транзисторы и т. п.), придавая им новые свойства или улучшая их технические характеристики. Именно благодаря^ возможностям НТ появились такие научно-технические области, как нанофотоника, наноэлектроника, наносенсорика, наномеханика.

Наномодификация поверхности материала (нанолитография [2]) является одним из основных направлений НТ. Отметим, что процесс нанолитографии неразрывно связан с процессом ЗО-наноизмерений, поэтому требует адекватного метрологического обеспечения. В современных НТ реализованы различные способы нанолитографии [3], которые можно разделить на пучковые, зондовые и импринтинг [4]. В первом случае с веществом взаимодействуют жесткие ультрафиолетовые или рентгеновские фотоны, электроны или ионы. В настоящее время наиболее широко распространены пучковые методы, позволяющие создавать разнообразные наноструктуры из различных материалов. Например, в работе [5] с помощью электронной литографии созданы упорядоченные нитевидные ваЛв нанокристаллы, представляющие особый интерес для оптоэлектроники, сенсорики и т. п. В зондовой нанолитографии наномодификация поверхности осуществляется острым твердотельным зондом сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), при этом появляется возможность совмещать процесс литографии с диагностикой создаваемых наноструктур. Этот метод получил название сканирующая зондовая литография (СЗЛ). В основе наноимпринтинга лежит метод создания отпечатков* наноматриц на поверхности исходной подложки. Следует отметить, что создание с помощью нанолитографии: разнообразных наноструктур стимулирует развитие новых подходов к анализу и характеризации их топологии-[6, 7].

Метод динамической силовой литографии (ДСЛ), — являясь разновидностью СЗЛпредоставляет уникальные возможности создания наноструктур на поверхности различных материалов с помощью достаточно простых и относительно недорогих инструментальных средств. Модификация поверхности полимера покрытого тонкой металлической пленкой, с использованием метода ДСЛ с одновременными ЗО-измерениями топографии открывает новые возможности, создания наноструктур, представляющих интерес для нанофотоники, наноэлектроники, наносенсорики.

Цель диссертационной работы: развитие метода ДСЛ для создания проводящих наноструктур на поверхности полимера с одновременными ЗБ-измерениями их геометрических параметров с нанометровым пространственным разрешениемисследование режима ДСЛ в СЗМ с пьезорезонансным зондовым датчиком с вольфрамовым (Ж) нанозондом для определения оптимальных параметров единого процесса «модификация-измерение" — определение метрологических возможностей СЗМ «№поЕс1иса1:ог» в режиме ДСЛ в системе «металл-полимер».

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

— разработать математическую модель ДСЛ, адаптированную к СЗМ «№поЕс!11са1-ог» с пьезорезонансным? датчиком силового взаимодействия, включая модель продольного сжатия Л¥зондасоздать экспериментальную установку на базе СЗМ «КапоЕёисаШг» для реализации и исследования режима ДСЛ и измерить ее характеристики, необходимые для проведения расчетов в рамках разработанной модели;

— провести математическое моделирование процесса? ДСЛ1 в рамках разработанной модели, проанализировать результаты моделирования: с целью оптимизации режима ДСЛ-. '.

— разработать методы изготовления и измерения геометрических параметров нанозондов, теоретически оценить и экспериментально определить критический угол заточки и. радиус закругления W нанозондов, обеспечивающих устойчивую работу СЗМ в. режиме ДСЛ;

— разработать методы изготовления1 исходных, образцов для ДСЛ, в виде поликарбонатных подложек, покрытых тонким слоем 20 нм) Аи;

— разработать методы формирования на поверхности, поликарбонатной подложки проводящих Аи наноструктур с различной геометрией, используя СЗМ ««ИапоЕ^саШг»;

— провести линеаризацию и калибровку сканера СЗМ для обеспечения нанометровой точности при ЗБ-измерениях, определить метрологические характеристикипьезосканера (точность перемещения, линейность, ортогональность);

— экспериментально определить пространственное разрешение метода и оптимальные по пространственному разрешению и скорости сканирования параметры режима ДСЛ в СЗМ «ИапоЕЙиса^г»;

— создать наноструктуры заданной формы и провести. ЗО-измерения полученных наноструктур различными методами.

Основные положения, выносимые на защиту:

— пьезорезонансный зондовый датчик на основе пьезокерамической трубки с нанозондом позволяет поддерживать устойчивый режим ДСЛ, обеспечивая создание металлических наноструктур различной геометрии (кольца, меандры, двумерные упорядоченные решетки и т. п.) на поверхности поликарбонатных подложек с одновременным проведением ЗО-измерений их топографии с нанометровой точностью;

— пространственное разрешение ДСЛ ограничено радиусом острия нанозонда. При радиусе электрохимически заточенных W игл 50 — 100 нм пространственное разрешение достигает соизмеримой величины;

— в рамках одномерной упругой модели возможно определить условия устойчивости W зонда при действии сжимающей силы, а также оценить давление в области контакта зонд-образец в зависимости от радиуса зонда, амплитуды и длительности управляющего импульса (в частности при радиусе нанозонда ~100 нм, амплитуде управляющего импульса ~0.3 В и длительности ~5 мкс давление составляет ~1 ГПа);

— угол конуса острия нанозонда является основным фактором, определяющим механическую устойчивость зонда в процессе ДСЛ. При фиксированных параметрах ДСЛ, критическое давлениепропорционально квадрату тангенса, угла конуса острия;

— используя СЗМ «№поЕс1иса1ог» в режиме ДСЛ можно создавать и измерять геометрические параметры двумерных дифракционных решеток с пространственным периодом до ~100 нм, а также тонкопленочные 10−20 нм проводящие наноструктуры, с минимальным латеральным размером 50−100 нм. При низких температурах в подобных наноструктурах могут проявляться эффекты размерного квантования.

Методы исследования. Для получения теоретических данных использовались методы математического моделирования. При изготовлении образцов использовался метод магнетронного напыления. В качестве подложки использовались пластины поликарбоната марки РС-075. Зонды СЗМ изготавливались методом электрохимического травления, а также с использованием метода фокусированного ионного пучка (ФИП). Модификация поверхности образца проводилась методом ДСЛ. При исследовании полученных наноструктур использовались методы СЗМ, электронной и конфокальной микроскопии.'.

Для линеаризации и калибровки сканера СЗМ использовались эталоны сравнения — меры малой длины.

Научная новизна:

1. Впервые построена качественная" и количественная механическая модель ДСЛ' для СЗМ с пьезорезонансным датчиком силового взаимодействия, с металлическим нанозондом, в том числе изготовленным из вольфрамовой проволоки.

2. На основе полученной модели проведена численная оценка механического давления в области наноконтакта зонда с поверхностью исходной подложки в зависимости от параметров управляющего импульса, а также оценка критического давления, приводящего к потере формы зонда, оказывающие критическое влияние на метрологические характеристики метода.

3. Впервые для создания проводящих наноструктур методом ДСЛ использованы полимерные подложки, покрытые тонким слоем металла.

Достоверность научных результатов, полученных в работе, обеспечивается строгостью постановки задач и применяемых математических методов, применением различных альтернативных методов диагностики создаваемых наноструктур, статистической обработкой полученных результатов, согласием расчетных и экспериментальных данных.

Работа выполнялась с использованием современного оборудования НОЦ в направлении нанотехнологий НИУ ИТМО. Обработка данных проводилась на базе кафедры Нанотехнологий и материаловедения НИУ ИТМО.

Практическая ценность работы обусловлена разработкой относительно простого и недорогого метода создания дифракционных решеток с пространственным периодом до -100 нм с площадью -100×100 мкм, а также проводящих наноструктур различной геометрии, представляющих интерес при создании элементов и устройств нанофотоники, наноэлектроники, наносенсорики.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на 1У-УШ Всероссийских научных конференциях молодых ученых (Санкт-Петербург, 2007;2011), на XXXVIII, ХХХЗХ и ХЬ научных и учебно-методических V конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2009;2011). Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 6 работ в журналах, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (79 наименований). Основной текст работы изложен на 111 страницах, включает в себя 2 таблицы и 75 рисунков.

Список основных сокращений.

АСМ — атомно-силовая микроскопия.

БСОМ — ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия.

ПО — программное обеспечение.

РЭМ — растровая электронная микроскопия.

СЗМ — сканирующая зондовая микроскопия.

СС — следящая система.

CCJI — сканирующая силовая литография.

ССМ — сканирующая силовая микроскопия.

СТМ — сканирующая туннельная микроскопия.

Выводы.

1. Математическая, модель показывает, что в процессе литографии происходят сложные физические процессы, которые необходимо учитывать для проведения оптимальной модификации поверхности.

2. Устойчивость зонда напрямую зависит от радиуса закругления и угла заточки.

3. В результате моделирования показано существования области параметров режима, в которой возможно получение оптимального режима ДСЛ.

Глава IV. Экспериментальные результаты.

4.1. ДСЛ исходной подложки из поликарбоната.

Для обеспечения высокой точности измерения геометрических размеров нанообъектов проводились линеаризация и калибровка сканера СЗМ «ЫапоЕс1иса1:ог» в трех измерениях. Для этой цели использовались аттестованные меры малой длины. Для лианиризации и калибровки перемещения сканера в плоскости (Х, У) использовались периодические одномерные и двумерные структуры на поверхности кремния с известным периодом Т=(3.00±-0.05) мкм (решетки ТОО, ТОХ). Для калибровки сканера по оси Ъ использовались кремниевые структуры в виде ступенек с известной высотой Ь=(19±-1) нм (TGZ). На рис. 37 представлены СЗМ-изображения тестовых решетк, полученные до (а) и после (б) линеаризации и калибровки сканера. Процедура линеаризации и калибровки обеспечивала отклонение от линейности при сканировании в пределах 5% и отклонение от ортогональности от осей (Х, У) в пределах 1°. Для определения чувствительности сканера по осям (Х, У) и отклонения от ортогональности использовались как прямая обработка СЗМ-изображений, так и фурье-анализ. а) У мкм б) У мкм.

О 2 4 6 8 X мкм 0 2 4 6 8 X мкм.

Рис. 37. СЗМ-изображения тестовых решеток до (а) и после (б) линеаризации и калибровки СЗМ «ЫапоЕс1иса1:ог».

Гистограмма.

Рис. 39. Гистограмма распределения высот поверхности полимера.

Для формирования рельефа использовался шаблон, показанный на рис. 25.

1000 2000 3000 «00 5000 6000 7000.

Рис. 40. СЗМ-изображение результата ДСЛ поверхности полимера.

При формировании рельефа наиболее эффективными оказались следующие параметры процесса нанолитографии:

1. Управляющее напряжение — 1.42 В.

2. Время нахождения сканера в верхнем положении (г) — 100 мкс.

3. Шаг-40 нм.

Результат ДСД показан на рис. 40.

4.2. ДСЛ тонкой Аи пленки на поверхности поликарбоната.

4,2.1. Потеря устойчивости зонда (критический угол при данном диаметре проволоки).

На рис. 40. представлены РЭМ изображения зондов полученные до и после процесса ДСЛ. Видно, что при малых углах при вершине зондов, наблюдается необратимая деформация зондов. При углах около и более 30 градусов в процессе ДСЛ зонды вели себя устойчиво. изображение поверхности образца (рис. 42) и гистограмма (рис. 43) не отличается от исходной. і і і і О 4 8 12 16 X, мкм.

Рис. 42. СЗМ-изображение поверхности поликарбоната с нанесенной металлической пленкой и=1.42 В, т=100мкс.

Гистограмма.

Т, км.

Рис. 43. Гистограмма распределения высот поверхности поликарбоната с нанесенной металлической пленкой.

Параметры шероховатости при таком значении следующие:

— Средняя шероховатость: 12.9 нм;

— Корень из среднего квадратичного: 15.01 нм.

Последующие четыре эксперимента были проведены при оптимальном значении и=3.57 В (минимальные геометрические размеры ямок глубиной большей, чем толщина металлической пленки) и при различных значениях т (80, 120, 150, 200) мкс.

Геометрические размеры тридцати измеренных ямок (Диаметр В и глубина И), полученных при каждом проведенном ДСЛ, а также их среднее значение и погрешность измерений (коэффициент Стьюдента = 2.045 при доверительной вероятности = 0.95,29) представлены в таблице 2.