مقاله نانولیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ های پروبی روبشی ( ( AFM , STM

بخشی از مقاله

نانولیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ هاي پروبی روبشی((AFM,STM

چکیده

این گزارش که از گردآوري نتایج تحقیقات انجام شده در زمینهي میکروسکوپ هاي پروبی روبشی((SPM و نانولیتوگرافی به دسـت آمده، متشکل از سه قسمت، که قسمت اول معرفی میکروسکوپها، قسـمت دوم معرفـی SPM هـا (AFM ,STM) ، نحـوه بررسـی سطوح، حالات کاري و قسمت سوم به بحث نانولیتوگرافی با استفاده از SPM ها ،نحوه تابش لایه محـافظ، رسـوب دهـی مـاده، اچ کردن، اصلاحات حرارتی، اکسیداسیون و DPN پرداخته شده است. از مزایاي لیتوگرافی با اسـتفاده از SPM هـا مـی تـوان کـاهش خطاي ثبت ساخت، دماي کار کم، نیاز به تجهیزات کم، ایمنی، استفاده از اکثر عناصر ناخالصی، هزینه کـم نسـبت بـه روش هـاي دیگر باتوجه به دقت بالا و معایب آن می توان سرعت و بازدهی کم، احتمال خطا در طی مدت باتوجه به آسـب پـذیر بـودن نـوك پروب، مجازي بودن تصاویر حاصل از AFM را می توان برشمرد.

کلید واژه: میکروسکوپهاي پروب روبشی، نانولیتوگرافی، AFM، .STM

1

مقدمه

توسعه و پیشرفت علم که اثر انکار ناپذیر و قابل توجهی بر زندگی انسان گذاشته اسـت، حاصـل رنـج افـراد و تـیم هـاي پژوهشـی بسیاري بوده که آنان نیز ادامه دهنده راه پژوهشگران دیگري هستند. علم الکترونیک در اواسط قرن 20 تاکنون بال و همـراه اکثـر علوم دیگر شده، و این همراه شدن به دلیل کاربردي بودن و ویژگی قابل حمل بودن آنهاست، که این قابـل حمـل بـودن، حاصـل فناوري هاي نانو منجر به ساخت مدارهاي مجتمع میباشد.ساخت مدارهاي مجتمع و قطعات SMT یکی از فناوريهاي مهم، هزینه بر، پیچیده و کاربردي می باشد که همواره در ساخت این قطعات از مراحل خالص سازي عناصر اصلی تا ساخت و بسته بندي نیـاز به بازرسی و کنترل آنها می باشد.

در بازرسی و کنترل سطوح قرصهاي سیلیسیم آماده شده براي پردازشهایی چون نفوذ، اکسیداسـیون و.... از لحـاظ صـحت ویفـر بررسی شود، که این بررسی متخصصان علم و مواد، فیزیک حالت جامد، شیمی و الکترونیک را بر آن داشت کـه تجهیـزات بررسـی سطوح را گسترده تر کنند و این گسترش به ایجاد میکروسکوپ هاي مختلف از جمله SEM ، TEM و ... AFM انجامید.

در ابتدا میکروسکوپهاي پروبی روبشی فقط جهت بررسی سطوح بودند، که اندك اندك با گسترده شدن علم توانستند به ابزارهایی براي دستکاري سطوح تبدیل شوند. در طی سالهاي اخیر با توجه ساخت فراوان مدارهاي مجتمع نیـاز بـه اینکـه لیتـوگرافی ایـن قطعات گستره تر شود نیز افزایش یافت، به نحوي که اکنون یکی از روش هاي نانو لیتوگرافی استفاده از میکروسـکوپهـاي پروبـی روبشی((AFM,STM می باشد.

نتایج

امروزه در اکثر مراکز آموزشی و تحقیقاتی کشور در زمینه علم مواد و ساخت قطعات نیمه هادي باتوجه به اینکه تجیهزات سـاخت هزینه ها بسیار بالایی دارند دسترسی و آشنایی به ساخت در مراحل اولیه ختم می گردد و فقط به صورت تئـوري مـی باشـد، و در برخی مراکز این تجیزات نانو لیتوگرافی که براي امور اختصاصی است وجود دارد. گسترش حیطه کاري میکروسـکوپ هـاي پروبـی روبشی می تواند تا حد قابل توجهی با استفاده از هزینه اندك و شرایط کاري ساده تر به رفع این مشکل کمک نمایـد و پلـی بـراي اتصال محققان نوپا به فعالییت هاي عملی باشد.

.1,1 انواع میکروسکوپ از نظر نوع آشکارساز

در اینجا باتوجه به موضوع گزارش به میکروسکوپهاي الکترونی و نوري فقط اشاره، و میکروسـکوپهـاي پروبـی روبشـی AFM و STM به تفصیل شرح داده شده اند(.(7

جدول((1 معرفی انواع میکروسکوپها از لحاظ نوع آشکارشاز((7

میکروسکوپهاي پروب روبشی میکروسکوپ نوري میکروسکوپهاي الکترونی

میکروسکوپ نیروي اتمی میکروسکوپ نوري عبوري میکروسکوپ الکترونی روبشی

میکروسکوپ نیروي جانبی میکروسکوپ نوري بازتابی میکروسکوپ الکترونی روبشی

میکروسکوپ نیروي مغناطیسی

میکروسکوپ میدان نزدیک نوري

2

١٫٢. میکروسکوپ تونلی روبشی STM

در میکروسکوپ تونلی روبشی، سطح نمونه بوسیله سوزنی نوك تیز، بنام تیپ یا پروب روبش میشود. نوك یک پروب سالم و ایـده آل، بسیار تیز بوده، بهطوريکه در نوك آن تنها یک اتم جاي می گیرد؛ بنابراین از حساسیت بسیار بالایی برخوردار بوده و به دلیـل ابعاد بسیار کوچک خود میتواند در حد نانومتر، کوچکترین پستی یـا بلنـديهـا را در سـطح نمونـه آنـالیز نمایـد و بـا اسـتفاده از تجهیزات و نرم افزارهاي موجود در دستگاه، داده هاي بدست آمده را بصورت تصویر بر روي نمایشگر نمایش دهد.

میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)، اولین عضو در خانواده میکروسکوپهاي پروبی روبشی به شمار می آیـد. ایـن میکروسـکوپ در سال 1981 میلادي بوسیله دو محقق سوئیسی به نامهاي گرد کارل بینیگ و هاینرك رورر در آزمایشگاه تحقیقـاتی شـرکت IBM
شهر زوریخ سوئیس اختراع شد. آنها توانستند با مهار نوسانهاي خارجی و فراهم آوردن امکان حرکت سـوزن، در فاصـلهي بسـیار نزدیک از سطح نمونه، دو مشکل کلیدي در تصویرسازي مقیاس نانو با پروب را حذف نموده و نشان دهند که ایـن وسـیله، راهکـار تقریبا ساده و مؤثري جهت مطالعه سطوح ارائه می دهد. تکنیک ارائه شده توسط آن ها پس از به تصـویر کشـیدن سـاختار اتمـی تعدادي از مواد، از جمله سطح احیاء شده سیلیکون، مورد تأیید و تصدیق قرار گرفت .(5)

.1,3 دامنه کاربرد میکروسکوپ تونلی روبشی

میکروسکوپ تونلی روبشی، تنها می تواند جهت مطالعه سطوحی که از لحاظ الکتریکی رسانایی قابل قبـولی دارنـد، مـورد اسـتفاده واقع شود. این میکروسکوپها در بازه وسیعی از بزرگنماییها از 103 تـا 109 در جهـات X,Y وZ، جهـت تصـویر بـرداري و ایجـاد تصویر از مقیاس میکرو تا ابعاد اتمی با رزولوشن1 (قدرت تفکیک) بالا و یا به عنوان ابزار طیف نگاري2 (طیف نگاري روبشی جریـان تونلی) استفاده شده اند. همچنین این ابزارها می توانند در هر محیطی، از قبیل محیطهاي معمـولی، اتمسـفر، گازهـاي گونـاگون، مایعات، خلاء، دماهاي پایین( پایین تر 100 کلوین) و نیز در دماهاي بالا مورد استفاده واقع شوند. تصویر برداري در مایعات امکـان مطالعه نمونه هاي زنده زیستی را فراهم می آورد و زمانی که تصویر برداري نمونههاي آبـی در اتمسـفر معمـولی انجـام مـیگیـرد، نیروهاي موئینگی موجود در فصل مشترك نمونه و سوزن را حذف میکند. زمانی که نمونههاي زیستی یا آلی یا پدیدههـاي دمـاي پایین از قبیل ابررسانایی یا چگالی بار الکتریکی مطالعه می شوند، تصویربرداري دماي پائین ( دماهاي محدوده هلیوم مایع)، مفیـد خواهد بود. همچنین تصویر برداري در دماي پایین، بدلیل کاهش نوسانات دمایی، جهت به تصویر کشیدن نیروها، با حساسیت بالا، سودمند می باشد. به علاوه جهت تصویربرداري سیالاتی از قبیل کریستالهاي مایع و مولکولهاي روانساز3 روي سطوح گرافیتی، از این روش استفاده شده است .(5)

.1,4 نحوه کار میکروسکوپ

میکروسکوپ نیروي اتمی از اجزاء و قطعات مختلفی تشکیل شده است که مهمترین بخش آن مجموعه "انبرك و نوك" میباشـد و در واقع قسمت اصلی براي شناخت سطوح به شمار میآید. جنس انبرك به طور معمول از سیلیسیم و نوك از یک تک اتم (معمولا اتم الماس) تشکیل شده است. براي اینکه میکروسکوپ نیروي اتمی بتواند برجستگیها و فرورفتگیها را در ابعاد نانومتر حس کند، لازم است نوك تیز انبرك ظرافت اتمی داشته باشد؛در واقع کل فرآیند "جاروکردن سطح"، به وسیله همان انبرك نـوكدار صـورت میگیرد. انبرك به راحتی در پستی و بلنديها بالا و پایین میرود و انتهاي آن هم به قسمتی متصل است که بـه جابجـایی عـرض

3

انبرك بسیار حساس است و این تغییر فاصلهها را ثبت کرده و به علائمی تبدیل میکند که براي رایانه قابل فهم باشد. سیگنالهاي ایجاد شده توسط رایانه پردازش میشود تا نحوه قرار گیري اتمها در کنارهم، بر روي صفحه نمایشگر، نشان داده شود(.(2

.1,5 روشهاي جارو کردن سطح

دو روش کلی براي جاروکردن سطح وجود دارد که عبارتند از: روش تماسی و روش غیرتماسی.

در روش تماسی که براي بیشتر سطوح کارایی دارد، نوك انبرك در فاصلهاي بسیار بسیار کم از سـطح قـرار میگیـرد و بـه محـض رسیدن به پستی یا بلندي، به دلیل جابجایی که در انبرك ایجاد میشود، امکان نمـایش توپـوگرافی بـراي رایانـه فـراهم میگـردد.
درواقع نیرویی که بین سطح و نوك انبرك وجود دارد، با نزدیکشدن این دو به هم زیاد شده و با دورشدن شان از هم، کم میشود؛ این مسئله باعث مشاهده غیرمستقیم آرایش اتمها میگردد.
روش غیرتماسی بیشتر براي سطوح کثیف و آلوده مورد استفاده قرار میگیرد؛ در این شیوه ابتدا انبرك را با نوسانی دقیق به تحرك در میآوریم و آن را روي سطح هدایت میکنیم. انبرك خاصیت ارتجاعی و فنري دارد و به راحتی در عرض، بالا و پـایین میشـود.

در این حالت، نیرویی که بین سطح و نوك انبرك وجود دارد، در نوسان انبرك تأثیر میگذارد و به این وسیله آرایـش اتمـی سـطح مشخص میشود(.(6

شکل((1تصویر حالت تماسی و غیر تماسی((6

.1,6 دامنه کاربرد میکروسکوپ نیروي اتمی

در حالی که میکروسکوپ تونلی روبشی، تنها می تواند جهت مطالعه سطوحی کـه از لحـاظ الکتریکـی درجـاتی از رسـانایی دارنـد، استفاده شود، میکروسکوپهاي نیروي اتمی می توانند جهت مطالعه هر نوع سطح مهندسی استفاده شوند؛ بنابراین می تـوان از آن جهت مطالعه انواع مواد رسانا، نیمهرسانا و نارسانا استفاده نمود. امروزه AFM، یک کاوشگر سطحی محبوب براي اندازه گیري هـاي توپوگرافیک و محاسبه نیروهاي عمودي در مقیاس میکرو تا نانو شناخته شده است. همچنین از این دسـتگاه مشخصـه یـابی، مـی توان براي مطالعه خراش و سائیدگی و نیز اندازه گیري خواص مکانیکی الاستیک و پلاستیک (از قبیل میزان سختی جسم در برابـر جسم فرورونده1 و مدول الاستیسیته) استفاده نمود.

AFM در بسیاري از مطالعات، جهت نوشتار، دستکاري و جابجایی اتمهاي منفرد زنون، مولکولها، سطوح سیلیکونی و پلیمري بکـار گرفته شده اند. بهعلاوه این میکروسوپها جهت انواع نانولیتوگرافی و تولید نانوساختارها و نانو ماشین کاري استفاده شده اند(.(2

4

شکل((2تصویر سطح هاي دو بعدي و سه بعدي حاصل از (1) AFM

.1,7 لیتوگرافی با میکروسکوپ پروب روبشی

میکروسکوپ هاي پروبی روبشی که اولین بار در سال 1981 معرفی شدند علاوه بر قابلیت هاي بالا در تصویر سازي و طیف سنجی در ساخت مواد نانو ساختار نیز مطرح گشتهاند. کاربرد این میکروسکوپها در نانو فناوري بهعلت هزینههاي پایین و قابلیتهاي بسیار بالا هم در عرصه پژوهش و هم در سطح صنعت مد نظر میباشد. لیتوگرافی با میکروسکوپ پروبی روبشی بـر دو تکنیـک اصـلی اسـتوار است: میکروسکوپ تونل زنی روبشی یاSTM و میکروسکوپ نیروي اتمی یا . AFM

در این بخش قابلیتهاي این دو روش در سه دسته کلی تحت عنوان تابش لایه محافظ، لایه نشانی، رسوبدهی ماده و اچ کردن بحث خواهند شد. بهطور کلی لیتوگرافی با پروب روبشی مجموعه تکنیک هایی با کارکرد آسان، تنوع کاربرد، قدرت تفکیک بـالا (در حـد

15نانومتر) و در عین حال از نظر اقتصادي داراي توجیه را در بر میگیرد که در ادامه به بحث در این مورد پرداخته میشود.

میکروسکوپهاي پروبی روبشی مانند STM وAFM ، به عنوان روشهایی قدرتمند براي تجسم سطوح مواد با بالاترین وضوح تصویر فضایی شناخته شدهاند. در مورد آنالیز ساختاري، AFM داراي وضوح 0/1 انگسترومی در حالت افقی و 0/05 انگسترومی در حالـت عمودي میباشد. در حالیکه میزان وضوح تصویر STM چند برابر بیشتر از AFM است. این وضوح تصاویر مربـوط بـه سیسـتمهـاي کریستالی است، که در مورد سطوح نرم و چسبنده دستیابی به وضوح تصویرهاي بـالا امکـان پـذیر نمیباشـد. در میـان روشهـاي ساخت نانوساختارهاي موجود، لیتوگرافی پروب روبشی 1(SPL) یکی از روشهاي بسیار نویـد بخـش بـراي تولیـد در مقیـاس نـانو میباشد. با استفاده از سوزنهاي تیز و شارپ و همچنین ایجاد برهم کنشهـاي قـوي و موضـعی بـین سـوزن- سـطح، مـی تـوان از(SPM)2 بهعنوان روشی براي دستکاري اتمها بر روي سطوح فلزات و تولید نانو الگوها بـر روي سـطوح فلـزات و نیمـه هـاديهـا استفاده نمود، که این موضوع سبب سرعت بخشیدن در ظهور تکنیکهاي جدید SPL گردیده اسـت. بـا ایـن حـال SPL نمیتوانـد بهسرعت روشهایی همچون لیتوگرافی نوري و لیتوگرافی الکترونی الگوها را تولید کند. امّا این روش بـه علـت توانـایی در تولیـد و ایجاد تصویر بهطور همزمان و با دقت بسیار بالا، مورد توجه محققان قرار گرفته است .(4)

.1,7,1 لیتوگرافی با میکروسکوپ تونل زنی روبشی

اولین SPM ساخته شده یک STM بود، که در سال 1987 توسط Binning اختراع شد. در STM از یک نوك پروب هـادي در کنـار یک ولتاژ بایاس بین نوك و سطح نمونه استفاده میشود. هر زمان که فاصله نوك پروب با سـطح نمونـه در حـد یـک نـانومتر شـود الکترونهاي سطح نمونه از فضاي خالی تونل میزنند و بسته به علامت بایاس به سمت پروب یا خارج از آن حرکت میکنند که ایـن یک جریان الکترونی مشابه یک باریکه الکترونی را بهوجود میآورد .جریان تونل زنی القاء شده کـه بـه توپـوگرافی سـطح نمونـه و خواص الکتریکی آن بستگی دارد تصویر STM را تشکیل میدهد. شکل((3 تصویر شماتیک STM را نشان میدهد.

5

شکل((3تصویر شماتیک (1) STM

یک STM دو حالت عملکرد دارد که عبارتند از: جریان ثابت و ارتفاع ثابت. در حالت جریان ثابت تغییرات ارتفاع نـوك پـروب ثبـت شده و مبناي تشکیل تصویر میباشد. شکل((4 دو حالت شماتیک را نشان میدهد.

شکل((4تصویر حالت هاي کاري جریان ثابت و ارتفاع ثابت (1)

در لیتوگرافی با STM یا STML عموماً حالت جریان ثابت بهکـار گرفتـه میشـود. عملکـرد STML در حالـت جریـان ثابـت مشـابه لیتوگرافی با باریکه الکترونی(EBL)1 میباشد که STML2 مزایاي زیادي نسبت به EBL دارد. جریان الکترونی شکل گرفته در STML

سه برابر بزرگتر از EBL است در حالیکه ولتاژ بایاس 4 بار کوچکتر است . این باعث افزایش قـدرت تفکیـک STML در مقایسـه بـا EBL میشود (از حدود 20 نانومتر در EBL به 10 نانومتر در(STML چرا که اثرهایی مثل الکترونهاي برگشتی کـه در EBL باعـث کاهش قدرت تفکیک میشوند در STML به حداقل میرسند. بهعلاوه فاصله بسیار نزدیک نوك پروب با سطح نمونه فرصت انحراف و پخش را از باریکه ایجاد شده میگیرد. حال آنکه در EBL مجموعهاي پیچیده از لنزهاي الکترومغناطیسی وظیفه یکسوسازي و باریک کردن جریان الکترونی را دارند.

6

STM ابزاري مناسب براي تابش لایههاي محافظ بسیار نازك و با قدرت تفکیک بالا میباشد چرا که این لایههاي محافظ حساسـیت کمتري دارند و جریان بالاتر در STM در این مورد کارآیی بیشتري دارد .علاوه بر این بهطور معمول STML در اتمسفر محـیط هـم قابل انجام است در حالیکه EBL در خلاء بالا انجام میپذیرد(.(1

.1,7,1,1 تابش لایه محافظ

جریان، ولتاژ و سرعت روبش در STM حین انجام تابش براي لیتوگرافی عبارتند از 1nA، 10V، .1um/s لازم بهذکر اسـت در STML

نیز مشابه EBL زیر لایه باید رساناي جریان الکتریسیته باشد که این مانعی براي تولید ابزارهاي نوري بهشمار میرود چرا که بـهطـور معمول عایق هستند.((1

.1,7,1,2 رسوب دهی ماده

در این حالت نوك پروب STM بهعنوان یک منبع نشر عمل میکند. وقتی یک ولتاژ اعمال شود اتمها یا نانو ذرات از سطح پـروب بـه سطح ماده هدف انتقال مییابند. بهطور معمول براي رسوب دهی بایاس منفی بکار میرود که منجر به رسوب دهی با اندازه کوچکتر انجام میشود. در این روش نانو نقطهها و نانو سیمها قابل رسوبدهی هستند که با تنظیمات صحیح رسوبدهی تا ابعاد 10 نانومتر نیز ممکن است.در شکل((5 به ترتیب a تصویر STM نانو نقطه هاي Ag رسوب داده شده توسط پروب پوشش داده شده با نقره و b

تصویر AFM نانوخط طلا رسوب داده شده باپروب پوشش داده شده با طلا ملاحظه میگردد(. ( 1

شکل((a) (5تصویر STM نانو نقطه هاي Ag رسوب داده شده توسط پروب پوشش داده شده با نقره و (b) تصویر AFM

نانوخط طلا رسوب داده شده باپروب پوشش داده شده با طلا((1

.1,7,1,3 اچ کردن با STM

در STM اچ نانومتري بهکمک تجزیه حرارتی با الکترون انجام میشود. در این روش بهطور معمول اچ در مقیـاس 50 نـانومتر انجـام میشود ولی در شرایط خاص تا 10 نانومتر نیز عمل اچ قابل انجام است. شکل((6 بهترتیب تصویر شماتیک اچ سیلیس با پروب STM

و ریزساختار حلقههاي ایجاد شده به این روش را نشان میدهد(.(1