устройство формирования наноразмерных объектов

Формула изобретения

Устройство формирования наноразмерных объектов, содержащее рабочую камеру, установленные в ней предметный столик и измерительную головку сканирующего зондового микроскопа, включающего кантилевер, источник электрического воздействия на систему кантилевер/образец, пьезосканеры с компенсатором термодеформаций и температурных дрейфов, виброзащитные устройства, цифровую электронную систему управления головкой сканирующего зондового микроскопа и аналого-цифровую систему обработки информации, отличающееся тем, что источник электрического воздействия на систему кантилевер/образец выполнен в виде электронного устройства управления током, как в моде постоянного тока, так и в импульсной токовой моде, включая моду с переменной полярностью, при этом устройство дополнительно снабжено:

электронной системой контроля амплитуды напряжения и его производной на протяжении всего процесса формирования наноразмерных объектов,

системой независимой регулировки и стабилизации температуры образца и камеры;

источниками реагентов и их испарителями с прецизионными регуляторами расхода газов-реагентов, имеющими теплоизоляцию, а также системой барботирования, контроля, регулировки и стабилизации влажности;

системой эвакуации газовой среды из рабочего объема камеры, имеющей развязку с рабочей камерой по виброшумам;

шибером и байпасной системой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам формирования наноразмерных объектов (наноэлементов) и может быть использовано в разработках и производстве информационных систем при изготовлении запоминающих сред и считывателей информации в терабитных ЗУ, в разработках СВЧ приемопередающих устройств при изготовлении наноразмерных коммутаторов, фазовращателей, аттенюаторов и т.п.

Известно устройство для анализа поверхности образца с атомарным разрешением [1], которое включает масс-спектрометрическую систему, систему газового анализа, термостабилизирующую систему, головку зондового сканирующего микроскопа и систему напуска химических реагентов, очищающих и травящих приповерхностные слои исследуемой поверхности образца. Устройство может быть эффективно использовано для анализа поверхности образца на атомарном уровне при отработке процессов селективного травления композитных либо мультислойных покрытий. Однако оно не пригодно быть инструментом для формирования наноэлементов.

Наиболее близким по цели к заявляемому устройству является сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) [2], включающий систему эвакуации атмосферы из рабочей камеры, сканирующую систему на основе пьезоэлектрических активаторов с компенсатором термодеформаций, зондовую головку, содержащую кантилевер и оптомеханическую систему регистрации его перемещений, источник напряжения, подаваемого на систему зонд/образец, цифровую электронную систему управления головкой СЗМ и аналого-цифровую систему обработки информации. Устройство позволяет осуществлять диагностику поверхности с атомарным разрешением, а при помещении в камеру резервуара с дистиллированной водой оно позволяет формировать наноразмерные области оксидов (проводить зондовую литографию) на поверхностях металлических материалов либо композитных материалов, содержащих металлическую фазу [3]. Процедура формирования оксидных наноразмерных областей на указанных поверхностях осуществляется за счет образующейся в камере окислительной среды в виде паров воды из упомянутого выше резервуара. В качестве инструмента формирования используется зонд сканирующей зондовой головки СЗМ, расположенный относительно образца на туннельно-прозрачном для электронов расстоянии. На зонд относительно образца подается разность потенциалов (минус на зонде).

К недостаткам указанного устройства формирования относят низкую воспроизводимость процесса окисления, связанную с многопараметрическим характером процесса (парциальное давление паров воды, степень ее диссоциации, температура паров в камере и температура образца, плотность тока туннелирующих электронов). Отсюда возникает необходимость вариации указанных параметров при формировании нанообъектов в мультислойных наноразмерной толщины покрытиях, а в устройстве-прототипе нет возможности независимого управления перечисленными рабочими параметрами.

Целью настоящего изобретения является повышение мобильности системы и воспроизводимости процессов формирования с ее помощью наноэлементов.

Сформулированная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем рабочую камеру, установленные в ней предметный столик и измерительную головку сканирующего зондового микроскопа, включающего кантилевер, источник электрического воздействия на систему кантилевер/образец, пьезосканеры с компенсатором термодеформаций и температурных дрефов, виброзащитные устройства, цифровую электронную систему управления головкой сканирующего зондового микроскопа и аналого-цифровую систему обработки информации, вводятся следующие отличия: источник электрического воздействия на систему кантилевер/образец выполнен в виде электронного устройства управления током как в моде постоянного тока, так и в импульсной токовой моде, включая моду с переменной полярностью, при этом устройство дополнительно снабжено:

- электронной системой контроля амплитуды напряжения и его производной на протяжении всего процесса формирования наноразмерных объектов;

- системой независимой регулировки и стабилизации температуры образца и камеры;

- источниками реагентов и их испарителями с прецизионными регуляторами расхода газов-реагентов, имеющими теплоизоляцию, а также системой барботирования, контроля, регулировки и стабилизации влажности;

- системой эвакуации газовой среды из рабочего объема камеры, имеющей развязку с рабочей камерой по виброшумам;

- шибером и байпасной системой.

Достижение положительного эффекта (воспроизводимость, мобильность и контролируемость процессов формирования нанообъектов, включая их формирование в многослойной пленочной системе) в предлагаемом устройстве обеспечивается тем, что состав предлагаемого устройства позволяет осуществлять независимую регулировку и контроль за определяющими параметрами потоков реагентов (скоростью, температурой, влажностью и концентрацией газов-реагентов и тока электронов) и тем самым определять кинетику процесса локального изменения фазового состава на поверхности образца, зависящую от указанных параметров и от скорости поставки исходных реагентов и образующихся радикалов, а также электронов из зонда кантилевера к месту реакции (к нанореактору). Целенаправленные изменения соотношений между газовыми компонентами в случае многокомпонентной системы (например, мультислойной пленочной системы), возможность управления рабочим током и возможность измерений в процессе формирования изменений напряжения и его производной, а также возможность формирования нанообъектов в проточном режиме газопаровой смеси позволят с хорошей воспроизводимостью осуществлять литографические процедуры не только в плоскости (XOY), но и в направлении, нормальном к ней, т.е. по направлению оси OZ. В частности, вводимое токовое управление и контроль за напряжением и его производной в процессе зондовой литографии позволит в случаях работы с мультислойной системой наноразмерной толщины судить о том, в каком слое в данный момент времени идет модификация состава и формирование наноэлементов.

Реализация токового режима формирования наночипов как в моде постоянного тока, так и в импульсной периодической токовой моде, включая моду с переменной полярностью тока, а также возможность контроля за изменениями амплитуды напряжения и его производной позволяют повысить управляемость и контролируемость процесса получения нанообъектов. Причина этого в том, что процессы зондового окисления металлических и углеродных пленок либо карбидизации композитных пленок являются по природе своей токовыми процессами (т.е. зависят от кинетики поставки к нанореактору газов-реагентов и электронов). Возможность независимой регулировки и стабилизации температуры подложки повышает мобильность системы, т.к. позволяет влиять на термодинамику процессов окисления и карбидизации, а также компенсировать процессы дрейфа зонда кантилевера. Использование прецизионных регуляторов расходов газов-реагентов, их источников и испарителей, а также системы барботирования, контроля и регулировки влажности позволяет управлять электрохимией и кинетикой процесса формирования, повышает воспроизводимость процесса и расширяет номенклатуру исходных материалов, пригодных для модификации поверхности.

Наличие устройства развязки по виброшумам рабочей камеры и системы эвакуации из нее остаточной атмосферы, а также шибера и байпасной системой позволяет проводить литографические процессы в проточной системе, т.е. в стационарных условиях с заданными параметрами, определяющими физику и химию процессов формирования наноэлементов.

Устройство работает следующим образом. На предметный столик рабочей камеры устанавливается исходный образец. Из рабочей камеры посредством вакуумной системы (например, форвакуумный и турбомолекулярный насосы) эвакуируются остаточные атмосферные газы.

Используя газовую систему, через регуляторы расхода газов в рабочую камеру из источников подают исходные реагенты (например, пары воды либо углекислый газ). Затем с помощью системы независимой установки и регулировки температуры устанавливают требуемые температуры камеры и образца. На зонд зондовой головки относительно образца, подают управляющие электрические воздействия (в режиме генератора тока задаем параметры рабочего тока и закон изменения во времени его величины). Контролируем посредством измерительной системы процесс окисления либо карбидизации локальных областей образца по величине напряжения и его производной.

Предлагаемое устройство позволяет с хорошей воспроизводимостью и стабильностью проводить литографические процессы в однослойных и многослойных пленочных покрытиях наноразмерной толщины, что в настоящее время проблематично при использовании стандартных методов сканирующей зондовой микроскопии.

Список литературы

1.Патент США №5440122, МКИ H01J 37|252,1994.

2.Патент США №3535538, МКИ H01J 37|00, 1970 (прототип).

3. Гарипов В.Н., Царик К.Г., и др. «Создание наноструктур с помощью зондового анодного окисления на композитных пленках» Y Международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика». Зеленоград, ноябрь, 2005 г. - В книге тезисов докладов конференции, с.5.