10.3. Метод нанолитографии.

Наиболее очевидным, хотя и не самым простым по исполнению, методом получения одно- и нуль-мерных структур является субмикронная литография . Она позволяет вырезать области, ограниченные по одному или двум направлениям, используя в качестве исходного объекта структуры с двумерным электронным газом. Далеко не все методы литографии, используемые в производстве микроэлектронной аппаратуры, годятся для получения малых по своим размерам объектов. Хотя, область движения можно ограничить и за счет поверхностных областей обеднения, но тем не менее стараются разработать такие приемы изготовления, которые обеспечи-вали бы получение непосредственно малых областей с ограничением по одному или двум направлениям.

Современные интегральные схемы производят при помощи фотоли-тографии. Эти же приемы используются для изготовления квантовых нитей и точек. Фотолитография — это процесс, в ходе которого пучок видимого или ультрафиолетового света падает через маску нужной формы на тонкое покрытие из светочувствительного материала — фоторезиста, покрывающее полупроводниковую структуру. Фоторезист — сложная полимерная свето-чувствительная композиция. Фоторезист, у которого растворимость освещен-ного участка уменьшается, называется негативным, а фоторезист, раствори-мость которого после облучения возрастает, — позитивным. После обработ-ки освещенного фоторезиста в составе, удаляющем растворимые участки, образуется рельефное изображение, которое должно быть устойчивым к воздействию технологических факторов, в частности кислот, с помощью которых стравливается полупроводниковая структура.

Изображение на поверхность фоторезиста переносят с помощью оптической проекции маски. Можно использовать также тонкий луч света, положением которого управляет компьютер, и вычерчивать рисунок на поверхности фоторезиста или использовать интерференцию двух лазерных лучей, в результате которой появляется периодическая модулированная кар-тина. Наименьшие размеры отдельных деталей, которые требуются для изготовления квантовых структур, ограничены предельной разрешающей способностью оптических устройств, которая в свою очередь определяется дифракционным критерием Рэлея. В соответствии с ним минимальная шири-на линии, получаемой в изображении, пропорциональна длине волны экспонирующего света. Для видимого света (с длиной волны 0.4 мкм) минимальная ширина линии составляет 0.25 мкм, что явно недостаточно для изготовления квантовых структур.

Чтобы достигнуть меньших размеров отдельных деталей, литография с видимым светом заменяется на литографию с использованием ультрафиолетового освещения (длина волны 250—350 нм). Достоинством ультрафиолетовой литографии является большая скорость, так как время освещения меньше, чем для видимого света.

Дальнейшее уменьшение размеров отдельных деталей возможно при использовании рентгеновской литографии. Для экспонирования используют низкоэнергетическое излучение 1—10 кэВ. Это соответствует длинам волн 0.4—5 нм. Проблемой использования рентгеновского излучения является то, что для него не существует линз и хороших зеркал, поэтому источник рентге-новского излучения должен быть удален достаточно далеко для уменьшения расходимости лучей. Из-за большой энергии квантов рентгеновского из-лучения необходимо использовать более толстые маски толщиной 1—10 мкм. Существуют также проблемы с переизлучением материалов самой маски, эмиссией оже-электронов из резиста, что приводит к снижению контраста изображения. Высокая энергия квантов рентгеновского излучения увеличивает возможность повреждения подложки. Достоинствами метода являются малое время экспонирования (около 1 мин) и возможность получения изображения на большой площади. Снизить время экспонирова-ния за счет большей мощности излучения до нескольких секунд можно путем применения синхротронного излучения. С помощью рентгеновской литогра-фии удается получить минимальный размер деталей до 30 нм.

Повысить разрешение можно с использованием электронно-лучевой литографии. Электроны имеют малую длину волны и могут быть сфокусиро-ваны очень точно при помощи электрического поля, управляемого компьютером. Можно использовать также маски. Проблемой в использо-вании электронного луча является возможность повреждения поверхности из-за столкновений высокоэнергичных электронов с подложкой. Такие повреждения вносят дефекты в полупроводниковую структуру. Для уменьшения повреждения можно снизить ток в луче, но это затрудняет фокусировку луча. Электронная литография позволяет получить размер отдельных деталей 3—25 нм.

Еще большей разрешающей способностью (из-за большей массы частицы длина волны де Бройля меньше) обладает ионно-лучевая литогра-фия. Поскольку удельные потери ионов в десятки раз больше, чем у электронов, то резисты в этом случае обладают более высокой чувствитель-ностью. С помощью ионно-лучевой литографии можно получить изображе-ние и без использования резиста, за счет создания участков с радиационными дефектами. В таких местах возрастает скорость травления и окисления. Ионно-лучевая литография позволяет получить профиль рельефа, близкий к прямоугольному.

Рисунок из фоторезиста передается на материал полупроводниковой структуры при вытравливании в ней мест, не защищенных фоторезистом. При влажном химическом травлении возникают проблемы, которые приводят к нарушению рисунка или профиля рельефа структуры. Так, из-за сил поверхностного натяжения и малых размеров элементов рисунка возникают «мостики» из жидкости и травитель не попадает на поверхность полупроводниковой структуры, в результате чего травление не происходит. В анизотропном травителе скорость травления зависит от кристаллогра-фического направления. В результате может происходить подтравливание под фоторезистом или профиль травления становится отличным от прямо-угольного.

Эти недостатки отсутствуют при «сухом» травлении. Так, ионное травление разрушает поверхность в результате бомбардировки высокоэнер-гичными ионами с энергией в несколько килоэлектронвольт. Мощные пучки ионов с малым диаметром пятна можно перемещать по поверхности с помощью отклоняющих электродов. В этом случае получают наноструктуры и без использования резиста. К достоинствам этого метода можно отнести высокую разрешающую способность и отсутствие подтравливания. Однако при ионном травлении происходит нарушение поверхностного слоя и возможно появление поверхностных энергетических состояний. Другой разновидностью «сухого» травления является ионно-плазменное травление. Оно происходит в плазме реактивного газа. В этом случае ионы имеют невысокую энергию и распыление не происходит. Травление представляет собой химическую реакцию, в результате которой образуются летучие соединения и откачиваются из камеры. В ионную плазму можно добавить химически активный газ и тем самым менять скорость травления за счет химического взаимодействия газа с поверхностью структуры. Ионно-плаз-менное травление позволяет организовать анизотропное травление кристаллической структуры.

Наряду с непосредственным выделением нитей и точек из области двумерного электронного газа использовался также рост на профилиро-ванных подложках. В этом случае методами литографии на полупроводни-ковой подложке создавали серии параллельных или пересекающихся канавок с минимальными размерами, которые позволяла получить литография, а затем на эту подложку наносили полупроводниковую пленку. В результате отмечалось влияние профилированных подложек на структуру полупровод-никовой пленки. Рост пленки первоначально происходит в углах канавок, вытравленных в подложке. Таким путем можно в принципе получить кван-товые нити и точки.

Однако методы литографии и селективного травления обладают рядом недостатков. Так, литографическое выделение рисунка с последую-щим травлением всегда сопровождается неоднородностью формы нано-структур и механическими повреждениями поверхности. Неоднородность формы приводит к образованию ансамблей неоднородных нитей и точек. Кроме того, граница раздела после травления проявляет заметную дефектность.