Способ создания наноструктур

 

Использование: технология микроэлектроники. Сущность изобретения: способ создания ионоструктур заключается в пропускании атомарного пучка через двумерную стоячую световую волну, создаваемую лазером. Атомарный пучок распределен на входе в световую волну на площади (π/2)² , центром которой является узловая линия. При движении в стоячей волне пучок сжимается за счет радиационной силы к узловой линии до размеров ионометров. Для получения эффекта сжатия направление движения атомов должно совпадать с направлением узловых линий световой волны с высокой степенью точности. Длину световой волны выбирают близкой к частоте радиационного перехода атома, а интенсивность световой волны выбирают близкой к частоте радиационного перехода атома. 1 ил.

Изобретение относится к области изготовления электронных приборов, в том числе запоминающих устройств, СБИС и т. д.

Способы световой и рентгеновской литографии обеспечивают получение структур с топологическими размерами до 0,25 мкм [1] .

Известен способ прокалывания микроскопических углублений на поверхности кремниевой подложки, заключающийся в расположении вольфрамовой сверхтонкой иглы, на конце которой имеется всего один атом, в вакууме на расстоянии 0,5 нм от поверхности подложки с периодическим надавливанием иглы на различные участки поверхности, создающим углубления диаметром 10 нм и глубиной 0,6 нм. Развитием этого способа является подача на острие напряжения, приводящего к появлению тока с острия величиной до 10⁸ А на 1 см² при напряженности электрического поля до 10⁶ В см^-1 [2] . При этих условиях возможно нанесение с острия на поверхность отдельных атомов либо съем поверхности атомов различных элементов.

Недостатком способа является его низкая производительность, трудность дозировки количества наносимых атомов.

Известен способ электронно-лучевой литографии со сканированием, обладающий высоким пространственным разрешением, с помощью электронного микроскопа, обеспечивающего зонд диаметром 0,5 нм; при облучении галогенидов щелочных металлов получены структуры с минимальным размером 1,5 нм [3] .

Недостатком этого способа является его низкая производительность.

Прототипом изобретения является способ создания наноструктур с помощью ионных пучков [4] .

В установке Национального центра с помощью фокусирующих магнитных линз получен пучок ионов Н⁺ с энергией 50 КэВ, расчетным диаметром 100 и плотностью тока 100 А˙см^-2. Использование ионных пучков обеспечивает существенные преимущества по сравнению с электронными за счет возможности получения лучшего пространственного разрешения и возможности создания наноструктуры путем непосредственного облучения ионами подложки без слоя резиста.

Недостатком способа является его низкая производительность и недостаточное пространственное разрешение.

Целью изобретения является улучшение пространственного разрешения, увеличение производительности способа и получение возможности нанесения не только заряженных, но и нейтральных атомов.

Цель достигается тем, что атомный пучок пропускают через двумерную стоячую световую волну так, чтобы направление движения атомов совпадало с направлением узловых линий волны и энергия поперечного движения атомов относительно этих линий не превышала величины = 3γ² , где 2 γ - радиационная ширина атомного перехода; Δ = ω - ω_o; ω - частота световой волны; ω_o - частота атомного перехода; - постоянная Планка.

Для создания условий сжатия атомного пучка двумерной стоячей световой волной должны выполняться следующие условия.

Частота световой волны ω выбирается близкой к частоте радиационного перехода ω_o между основным, или метастабильным, и некоторым возбужденным состоянием атома.

Интенсивность I световой волны должна удовлетворять соотношению I/I_н≃ , где I_н - интенсивность насыщенного атомного перехода.

На чертеже представлена схема устройства, используемого для осуществления способа.

Устройство содержит лазер, систему зеркал, источник нейтральных или заряженных атомов, коллиматор 1 и подложку 2, на которой изготавливается структура.

Формирование атомного пучка на первой ступени до лазерного сжатия осуществляется с помощью диафрагмы либо с помощью системы магнитных и электрических линз. Ограничение пучка диафрагмой пригодно для нейтральных и заряженных атомов. Фокусировка магнитными и электрическими линзами осуществляется в случае заряженных атомов.

С помощью лазера и системы зеркал создают две стоячие ортогональные световые волны. В местах пересечения плоскостей узлов двух стоячих волн образуются узловые линии, используемые для сжатия атомных пучков. Одним концом эти линии касаются поверхности подложки. Атомы, испускаемые источником и коллимируемые экраном с отверстием либо фокусируемые магнитными и электрическими линзами, движутся по двумерной стоячей световой волне в направлении, совпадающем с направлением узловых линий волны. Атомный пучок, распределенный на входе в световую волну на площади (λ/2)², центром которой является узловая линия, при движении в стоячей волне сжимается за счет радиационной силы к узловой линии до размеров нанометров.

В сильной стоячей световой волне, частота которой ω отстроена от частоты атомного перехода ω_o в сторону больших частот на величину Δ = ω - ω_o, на атом действует радиационная сила. Эта сила может быть разбита на три составляющие: градиентную силу, силу трения и диффузионную силу. Градиентная сила образует потенциал вида U= Δ ln1+, (1) где G = I/I_н - параметр насыщения атомного перехода, пропорциональный интенсивности поля I в стоячей световой волне.

Минимумы этого потенциала совпадают с узловыми линиями стоячей волны. Под действием силы трения атомы с начальной энергией поперечного движения меньшей ε₀= 3 и однородно распределенные в пространстве с течение времени собираются вблизи минимума потенциала в области с поперечными размерами 2x₀= , (2) где ω₀= ; K= - волновой вектор излучения; М - масса атома;
G_o - значение параметра насыщения в максимуме стоячей световой волны.

Существующие лазеры позволяют осуществлять эффективное механическое воздействие света, например, на такие ионы, как ⁷Li⁺, ⁹Be⁺, ²⁴Mg⁺, ²⁹⁸Hg⁺ и нейтральные атомы Na, Cs, K, Ca.

П р и м е р. В качестве примера рассмотрим сжатие пучка ионов ⁷Li⁺. Положим, что начальный пучок ионов имеет поперечный размер 0,2 мкм, плотность в пучке n = 10⁹ ионов˙см^-3, среднюю продольную скорость v₁₁ = 10⁵ см/с^-1 и угловую расходимость Δ ϕ = 10^-3 рад.

При своем движении пучок влетает в двумерную плоскую стоячую световую волну и движется по одной из узловых линий этой волны. Частоту стоячей волны отстраивают на величину Δ/(2π) = 1600 Мгц по отношению к переходу 2³SF= 2³PF, которому соответствует длина волны λ = 5485 . Резонансное световое излучение имеет σ⁺ -поляризацию, поэтому данный переход можно рассматривать как замкнутую двухуровневую схему. Диаметр каждого из двух лучей, образующих стоячую волну, равен D = 1 мм, а средняя мощность излучения каждого луча Р₁^бег = Р₂^бег = 0,8 Вт. Поскольку интенсивность насыщения данного перехода I_н ≈ 3 мВт/см^-2, то параметр насыщения в пучностях волны G_o = 16 Р₁/π x xD²I_н ≈ 10⁶.

Используя формулу (2), получаем, что при прохождении по узловой линии стоячей волны атомный пучок ⁷Li⁺ сжимается в поперечном сечении до размера 2х_о = 20 . Поток ионов на выходе из стоячей волны равен Φ = nv(2x)² = 2˙10⁹ атомов/с^-1.

Одновременное использование многих узловых линий, образующихся при пересечении двух световых лучей стоячих волн, увеличивает производительность способа. Если в рассмотренном примере использовать пучок ионов или нейтральных атомов диаметром 1 мм, то при прохождении двумерной стоячей световой волны, имеющей ≈10⁶ узловых линий на 1 мм², атомный пучок разобьется на ≈ 10⁶ отдельных пучков, каждый из которых на выходе из световой волны сжимается до размеров ≈ 20 . Таким образом, на подложке атомы создадут 10⁶ напылений 20 . с расстояниями между ними λ/2 (2700 ). В процессе создания наноструктуры перемещается подложка относительно пучка с помощью пьезокристаллов, управляемых напряжением, с точностью ≈ 0,01 . При перемещении подложки на каждой площадке (2700 )² может быть создана какая-либо структурная схема (всего ≈ 10⁶ схем на 1 мм²).

Использование для создания наноструктуры светового излучения лазера открывает возможность задавать абсолютные точности нанесения наноструктур до 0,01 , что необходимо при последовательном изготовлении схем.

Экономический эффект от использования способа ожидается большим вследствие существенного улучшения характеристик создаваемых электронных устройств, в первую очередь - увеличения их быстродействия, надежности. Кроме того, скорость изготовления схемы по сравнению с известными пучковыми способами намного увеличивается. (56) Берски Д. Последние достижения технологии энергозависимых ЗУ: Электроника, N 9, 1990, с. 10.

Новейшие экспериментальные исследования, направленные на повышение плотности упаковки запоминающих устройств: Электроника, N 6, 1990, с. 5.

Вульф Э. Д. Исследования и разработки Национального центра исследований субмикронных структур: ТИИЭР, 71 (1983), с. 54.

Там же, с. 75.

Формула изобретения

СПОСОБ СОЗДАНИЯ НАНОСТРУКТУР, включающий формирование пучка атомов, отличающийся тем, что атомный пучок пропускают через двумерную стоячую световую волну так, чтобы среднестатистическое направление движения атомов совпадало с направлением узловых линий волны и энергия движения атомов относительно этих линий не превышала величины
= h (3γ² )^1/3,
где 2γ - радиационная ширина атомного перехода, с^-1;
Δ= ω-ω₀ ,
ω - частота световой волны, рад/с;
ω₀ - частота атомного перехода, рад/с,
причем частоту световой волны выбирают близкой к частоте радиационного перехода ω₀ между основным, или метастабильным, и некоторым возбужденным состоянием атома, а интенсивность I световой волны выбирают из условия
I/I_н≃ ()²,
где I_н - интенсивность насыщения атомного перехода, м · Вт/см².

РИСУНКИ

Рисунок 1