СПОСОБ СОЗДАНИЯ НАНОСТРУКТУР Российский патент 1994 года по МПК H01L21/265 

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.

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.

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.