Введение к работе
. Актуальность темы.
Интерес к наноструктурам связан с возможностью существенной модификации свойств известных веществ, а также новыми возможностями, которые открывает наиотехнология в создании материалов и изделий из структурных элементов нанометрового диапазона.
Развитие технологии изготовления приборов микроэлектроники связано, прежде всего, с уменьшением геометрических размеров микросхем, микрочипов, элементов электронной памяти и микродатчиков различного назначения. Современные средства традиционных технологических операций позволяют получать размеры элементов в субмикронной области: промышленно достигнутая технологическая норма 0,13 мкм позволяет создавать транзисторы размером порядка 1 мкм. Однако дальнейшее уменьшение латеральных размеров функциональных элементов на подложке неизбежно приведет к физическому пределу, определяемому длиной волны ультрафиолетового излучения, применяемого в традиционной фотолитографии.
С изобретением сканирующего туннельного микроскопа -СТМ (Рорер, Биннинг - 1981г.) появилась возможность не только наблюдать и исследовать поверхность различных веществ с атомарным разрешением, но и активно воздействовать на нее, то есть манипулировать с веществом на уровне отдельных молекул и получать объекты из конечного их числа, удаляя, перемещая или замещая молекулы одного вещества другим. Появилась перспектива работать с отдельными атомами. Эта возможность, называемая в современных источниках информации нанотехнологией, позволяет значительно расширить диапазон геометрических параметров искусственно созданных объектов применительно к микроэлектронике, которую в этом случае целесообразно называть наноэлектроникой.
В данной работе используются углеродные (алмазоподобные) тонкие пленки. Целесообразность выбора углерода в качестве подложки и объекта модификации определяется множественностью его аллотропных форм, соединений и широкого диапазона электрофизических свойств: от диэлектрических до проводниковых. Поэтому формирование электронных нанообъектов на основе модифицированных углеродных структур является задачей актуальной и своевременной, так как при использовании подобных наноструктур появляется возможность получать как изолирующие, полупроводниковые так и электропроводящие объекты.
і РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ і і МБЛИОТЕКА І
3 !_«ВД
Цель работы.
Целью диссертационной работы является разработка моделей формирования электронных нанообъектов на основе модифицированных углеродных структур и создание на их основе технологий осаждения сверхтонких диэлектрических алмазоподобных пленок в вакууме из газовой фазы на металлизированную поверхность подложек и получения стабильных, механически прочных электропроводньпс объектов нанометрового диапазона на поверхности гидрогинезированных тонких углеродных пленок.
Основные задачи исследований:
- анализ существующих экспериментальных работ в области
формирования объектов нанометрового диапазона на поверхностях тонких
пленок и предложенных теоретических моделей при обосновании их
образования;
теоретическое описание механизма образования зародышей нанообъектов из газовой фазы СгНОз+Аг на поверхности гидрогинезированных тонких пленок а-СН;
применение полученных теоретических моделей при описании низкоразмерных эффектов сформированных областей и возможного их использования для создания электронных нанообъектов на их основе;
разработка технологии осаждения сверхтонких (1 - 3 нм) диэлектрических алмазоподобных пленок в вакууме из газовой фазы на металлизированную поверхность подложек;
разработка методов исследования поверхности сверхтонких диэлектрических алмазоподобных пленок с применением сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии и технологии формирования объектов нанометрового диапазона при избыточном давлении смеси углеводородов с инертным газом.
Методы исследований.
Для решения поставленной задачи использовались основные положения квантовой механики, квантовой химии и твердотельной электроники.
Выполненные теоретико-экспериментальные исследования и практические расчеты базируются на использовании математической статистики, оптимального управления, принятия оптимальных решений, а также современных методов программирования и компьютерного моделирования. _.
* "" '. 4
Результаты приведенных и представленных в диссертации исследований получены с использованием методов системного анализа, теории информации и теории вероятности, методов сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии.
Научная новизна.
-
На основе физико-химической модели образования зародышей наноструктур впервые создана технология формирования стабильных, механически прочных, электропроводных объектов на углеродной основе в зазоре «зонд-подложка» сканирующего туннельного микроскопа с минимальными размерами 3 нм.
-
Впервые выявлены особые формы роста нанообъектов в виде фрактальных конфигураций радикалов трихлорэтилена с образованием устойчивых химических связей с атомами подложки.
-
На основе полученных углеродных наноструктур предложена модель механизма образования химических связей с учетом влияния различных технологических факторов (величины порогового напряжения, плотности тока, температуры, давления, скорости ламинарного потока смеси рабочих газов, состава смеси) на структуру, морфологию и наиболее вероятный состав искусственно созданных неоднородностей поверхности алмазоподобных тонких пленок.
-
В соответствии с экспериментальными данными предложен алгоритм межмолекулярного взаимодействия на границе раздела, образованной гидрогинезированной туннельнопрозрачной пленкой а-СН и радикалами трихлорэтилена, установлено влияние этого взаимодействия на спектроскопические характеристики образованных углеродных структур, что позволило целенаправленно формировать нанообъекты с заданными характеристиками.
-
Впервые обнаружен и теоретически обоснован малоразмерный эффект увеличения эмиссионных свойств объектов нанометрового диапазона на модифицированных углеродных поверхностях методом сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Предложена соответствующая физическая модель.
Практическая значимость.
-
Разработана технология получения диэлектрических туннельнотонких алмазоподобных пленок а-СН на металлизированных подложках.
-
Разработана технология получения стабильных, механически прочных электропроводных объектов нанометрового диапазона на
поверхности углеродных структур из газовой фазы С2НС13+Аг с образованием устойчивых химических С - Н связей.
-
Усовершенствованы и модернизированы устройства нанотехнологической установки «Луч-2», позволяющие осуществлять реакции в локальном объеме. Технические решения устройств защищены патентами Российской Федерации.
-
Предложена система точного (до 1 нм) позиционирования зонда СТМ в зону воздействия путем последовательных перемещений по реперным меткам на подложке, созданным методами фотолитографии, что позволяет точно и быстро определить координаты сформированных нанообъектов.
-
Предложена методика расчета нестационарного электродинамического нагрева зондов для СТМ в виде тонких металлических проволочек туннельным током.
Достоверность результатов.
Достоверность проведенных теоретических исследований и экспериментальных результатов обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых подходов, а также сравнением с теоретическими и экспериментальными данными, известными в литературе.
Реализация и внедрение результатов работы.
Теоретические и практические результаты используются в учебном процессе МИЭМ и практике системного конструирования для производства материалов и приборов электронной техники в НИИ микроэлектроники и информационно-измерительной техники, НИИ перспективных материалов и технологий, НИИ систем управления, волновых процессов и технологий, в Институте Нанотехнологий Международного Фонда Конверсии, что подтверждается соответствующими актами.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Технология формирования стабильных, механически прочных, электропроводных объектов на углеродной основе в зазоре «зонд-подложка» сканирующего туннельного микроскопа с минимальными размерами 3 нм из газовой фазы С2НС1з+Аг с образованием устойчивых химических С - Н связей, созданная на основе физико-химической
модели образования зародышей наноструктур на поверхности гидрогинезированных тонких пленок а-СН.
-
Способы формирования особых структур нанообъектов в виде фрактальных конфигураций радикалов трихлорэтилена с образованием устойчивых химических связей с атомами подложки.
-
Модель образования химических связей с учетом влияния различных технологических факторов (температуры, давления, скорости ламинарного потока рабочих газов) на структуру, морфологию и наиболее вероятный состав искусственно созданных модифицированных углеродных структур.
4. Эффект повышения эмиссии электронов у искусственно-созданных
объектов нанометрового диапазона на модифицированных углеродных поверхностях методом сканирующей туннельной микроскопии и
' спектроскопии.
5. Результаты патентно-лицензионных исследований и разработанные на их основе устройства нанотехнологических установок, защищенные патентами Российской Федерации.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и научных сессиях:
на Международной конференции NANO - 4 в 1996 г.,
на научных сессиях МИФИ в 2001-2002 г.,
научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» в 2003 г.,
на 13-той Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммутационные технологии» в 2003 г.,
на Международной конференции по микроробототехнике, микромашинам и микросистемам IARP-2003.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе получено 4 патента Российской Федерации.
Структура и объем диссертации.
