3.2.1. Методы зондовой нанотехнологии

Термополевой массоперенос. Исследования процессов массопереноса при сближении источника частиц с подлож­кой на расстояние меньше 0,5 нм показывают, что влияние межатомного взаимодействия понижает потенциальный ба­рьер между частицами. Этому способствует и приложенное электрическое поле. Все это приводит к возможности термо­полевой десорбции, при которой частицы переходят от более горячего тела к более холодному. Понижение потенциально­го барьера позволяет значительно уменьшить температуру источника горячего тела. Данный метод осаждения вещества позволяет достичь предельно возможных значений разрешения — вплоть до моноатомного, минимальной (определяемой скоростью прове­дения процесса) разности энергий между острием и подлож­кой и наибольшей простоты технологического оборудования.

Недостатком метода является необходимость стабилиза­ции положения острия относительно подложки с точностью до сотых долей нанометра, что повышает требования к систе­ме стабилизации зазора. Кроме того, в результате массопере­носа с обычного острия на подложку происходит изменение профиля острия, что значительно затрудняет проведение процесса. Поэтому для совершенствования данного мето­да необходима разработка специализированных стабильных зондов-источников ионов.

Метод полевого испарения осуществляется в сильных электрических полях и применяется для переноса отдель­ных ионов и кластеров, а также локального удаления мате­риала. Достоинство метода — высокая скорость процесса, не­достаток — ограничения видов используемых материалов, которые должны характеризоваться сравнительно малой ра­ботой выхода ионов. В других случаях возможно нарушение формы острия.

Метод осаждения из газовой фазы позволяет осуществ­лять локальное осаждение материала за счет химических реакций разложения и синтеза. Разрешающая способность метода составляет единицы нанометров. Кроме того, метод обладает сравнительной простотой и возможностью дости­жения высоких скоростей осаждения при обеспечении соот­ветствующего давления. При этом необходимо применять иглы с достаточной химической стабильностью и высокочис­тые газы, обеспечивать высокую чистоту газовой среды (ино­гда агрессивной). Необходимо учитывать, что смена состава чистого газа в процессе работы требует достаточно трудоем­ких технологических операций.

Метод осаждения из жидкости сочетает сравнительную простоту и высокую разрешающую способность (до 1 нм). К недостаткам метода относятся необходимость удаления продуктов реакции, сравнительно (по отношению к другим методам) низкая скорость движения зонда и его дополни­тельная изоляция при использовании электропроводящих жидкостей. Смена жидкости в процессе работы без разборки устройства значительно осложнена.

Требования к чистоте технологической среды, необходи­мой для обеспечения качественного технологического про­цесса сорбции и десорбции материала, в методах термополе­вой и полевой десорбции, осаждения из газовой и жидкой фаз практически совпадают. Лучший из них по потенциаль­ным физическим возможностям (пространственному разре­шению, изменению состава и производительности) — метод термополевой десорбции со специальными стабильными источниками ионов.В дополнение к методам локального осаждения материала с помощью сканирующего туннельного микроскопа возможна модификация поверхности такими методами, как механиче­ский, полевая нанодеформация и изменение фазового состава.

Механический метод заключается в осуществлении кон­такта между иглой и подложкой и характеризуется наиболь­шей простотой. Однако низкая разрешающая способность, составляющая десятки нанометров, нестабильность резуль­татов (так как деформированные области формируются в подложке, механически значительно менее твердой, чем игла), низкая производительность из-за необходимости ме­ханического перемещения иглы на значительные расстоя­ния и нестабильность вследствие возможности повреждения острия иглы в процессе многократных вдавливаний в по­верхность ограничивают его применение.

Метод полевой нанодеформации осуществляется путем создания сильных электрических полей между иглой и под­ложкой, а также его дополнительной стимуляцией локаль­ным разогревом за счет протекающего тока, в результате чего появляются локальные выступы. Метод характеризует­ся сравнительной простотой, однако ему присущи низкая разрешающая способность (составляющая десятки наномет­ров), сравнительно низкие скорости формирования структур (связанные с тем, что при высоких скоростях возможен от­рыв формируемого выступа от подложки), а также ограни­ченная возможность использования материалов (сравнитель­но легкоплавких и пластичных).

Метод изменения фазового состава путем приложения сильного электростатического поля и протекания туннельно­го тока сравнительно прост и не требует создания специаль­ных технологических сред. Локальность метода определяет­ся доминирующим физическим процессом, зависящим от используемого материала (локальным разогревом, полевым воздействием, электромиграцией и др.), и может составлять единицы нанометров. В ряде случаев удается модифициро­вать материал без изменения профиля его поверхности, на­пример, в случае структурной локальной перестройки по­верхности или плавления.

К наиболее простым приборам, полученным с помощью на­нотехнологии, как уже отмечалось, относятся устройства па­мяти. Для обеспечения наивысших скоростей считывания же­лательно использовать носители информации с почти атомарно гладкой поверхностью. Поэтому предпочтительно создавать устройства памяти на основе изменения фазового состава мате­риала носителя. Этим же методом в отдельных случаях можно создавать более сложные по сравнению с ЗУ структуры типа планарных квантовых интегральных схем, однако при созда­нии более сложных трехмерных квантовых ИС необходимо ис­пользовать методы локального массопереноса.

28