Взаимодействия ускоренных заряженных частиц с резистивными материалами
Ускоренные заряженные частицы, проходя в образце, вызывают изменение физико-химических свойств облученной области. При обработке образца соответствующим проявителем с применением в некоторых процессах электрохимического травления удаляется облученная область, в этом случае резистивный материал называется позитивным, и напротив, удаление необлученной области присуще негативным резистивным материалам.
Так в полимерных материалах типа РММА прохождение в них протонов приводит к разрыву полимерных цепочек. В результате облученная область содержит молекулярные соединения с малым молекулярным весом, которая удаляется при воздействии, например, водного раствора изопропиллированного спирта (IPA) в соотношении 3:7 (рис. 6.30а). С другой стороны в материале SU-8 протоны создают межмолекулярные поперечные связи, что приводит к увеличению стойкости к химическому проявителю, который удаляет необлученную область и поэтому такой резистивный материал является негативным по отношению к процессу облучения пучком заряженных частиц (рис. 6.30б) [80]. .125.jpg)
а б в
Рис. 6.30. Изображение трехмерных наноразмерных структур, полученных с помощью технологии p-beam writing [81]: а - SEM изображение параллельных линий, полученных в слое РММА толщиной 350 нм; б - микроскопическая копия монументального строения Stonehenge, полученная в однослойном резистивном материале SU-8, за счет варьирования энергии протонов; в - массив иголок с высоким соотношением высоты к ширине, полученных в массивном объеме кремния (кривизна острия 15 нм)
Радиационные повреждения кремния р-типа приводят к увеличению удельного сопротивления облученной области, что позволяет с помощью электрохимического травления образовать в необлученной области пористую структуру, которая в последствии удаляется с мощью раствора гидроксида калия.
Такая технология дает возможность создавать трехмерные наноструктуры в массивном объеме кремния (рис. 6.30в). Аналогичный механизм создания трехмерных структур применяется и для GaAs [81].Основной отличительной особенностью технологии с применением пучка протонов по сравнению с электронным пучком является то, что в случае более легких электронов с уменьшением размеров структур необходимо использовать меньшую толщину резистивных материалов (рис. 6.31) (как правило, резистивный материал наносится на подложку с применением центрифуги).
Это является следствием рассеяния электронов при их прохождении в образце и структуры при этом являются практически двумерными. В то же время пучок протонов практически не уширяется в резистивных материалах, что в этом случае позволяет создавать трехмерные наноструктуры. Немаловажным фактором является также величина необходимой дозы при облучении резистивных материалов с целью получения желаемого результата. Для случая протонов по оценке работы [81] она на два порядка ниже, чем необходимо для электронного пучка. В таблице 6.3 приведены значения дозы для различных материалов [82].
.126.jpg)
Рис. 6.31. Зависимость толщины слоя резистивного материала РММА от поверхностного размера наноструктуры для технологии EBL
Таблица 6.3
Применение различных резистивных материалов в технологии PBW
| Резистивный материал | Тип | Необходимая доза, нК/мм2 | Наименьший полученный характерный размер |
| РММА | позитивный | 80 - 150 | 20 - 30 нм |
| SU-8 | негативный | 30 | 60 нм |
| HSQ | негативный | 30 | 22 нм |
| PMGI | позитивный | 150 | 1.5 мкм |
| WL-7154 | негативный | 4 | 800 нм |
| TiO2 | негативный | 8000 | 5 мкм |
| Si | негативный | 80 000 | 15 нм (острие иголки) |
| DiaPlate | негативный | 10 | 10 мкм |
| ADEPR | негативный | 125 - 238 | 5 мкм |
| Forturan | позитивный | 1 | 3 мкм |
| PADC (CR-39) | позитивный | 600 | 5 мкм |
| ma-N 440 | негативный | 200 | 400 нм |
| GaAs | негативный | 100 000 | 12 мкм |
Как видно из таблицы, в зависимости от материала и дозы можно получить наноструктуры с характерным размером 20 - 30 нм для материала РММА, а для кремния 15 нм.
Контрольные вопросы Перечислите основные методы получения наноматериалов. Каковы особенности получения нанопорошков? Что такое компактирование? Способы получения беспористых нанокристаллических материалов. Недостатки метода интенсивной пластической деформации для получения нанокристаллических материалов. Какие методы положены в основу тонкопленочной технологии получения наноструктурных пленок, покрытий? В чем отличия метода магнетронного распыления от метода вакуумно-дугового осаждения? С помощью, каких методов можно получать фуллерены? Какие атомные субстанции являются эффективными катализаторами роста УНТ, в частности, массивов ориентированных УНТ? Каковы основные особенности выращивания УНТ методом дугового разряда? Какова роль шаблонов при выращивании массивов ориентированных УНТ? Каковы особенности прохождения ускоренных низкоэнергетических пучков электронов и ионов, а также пучков легких ионов средних энергий в веществе? В чем отличия? Основные отличия электронной пучковой литографии от сканирующей электронной микроскопии. Отличительные особенности применения пучка протонов в сравнении с электронным пучком для резистивных материалов.
Литература к разделу 6 Гусев А. И., Ремпель А. Л. Нанокристаллические материалы. - М.: Физматлит, 2001. - 224 с. Поздняков В. А. Физическое материаловедение наноструктурных материалов. - М.: МГИУ, 2007. - 424 с. Суздалев И. П. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 2006. - 592 с. Алымов М. И., Зеленский В. А. Методы получения и физикомеханические свойства объемных нанокристаллических материалов. - М.: МИФИ, 2005. - 52 с. Новые материалы. Под ред. Ю. С. Карабасова. - М.: МИСИС, 2002. - 736 с. Новое в технологии получения материалов / Под ред. Ю. А. Осипьяна и А. Хауффа. - М.: Машиностроение, 1990. - 448 с. Gunter B., Kumpmann A. Ultrafine oxide powdes prepareted by inert gas evaporation // Nanostruct. Mater. - 1992. - Vol. 1. - No. 1. - P. 27-30. Котов Ю. А., Яворский Н.
А. Исследование частиц, образующихся при электрическом взрыве проводников // ФИХОМ. - 1978. - № 4. - С. 24-30. Ivanov V. V., Kotov Y. A., Samatov O. H. et al. Synthesis and dynamic compaction of ceramic nanopowders by techniques based on electric pulsed powder // Nanostruct. Mater. - 1995. - Vol. 6, No. 1-4. - P. 287-290. Ген М. Я., Миллер А. В. Левитационный метод получения ультрадисперсных порошков металлов // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1983. - № 2. - С. 150-154. Champion Y., Bigot J. Preparation and characterization of nanocrystalline copper powders // Scr. Met. - 1996. -Vol. 35, No. 4. - P. 517-522. Благовещенский Ю. В., Панфилов С. А. Струйно-плазменные процессы для порошковой металлургии // Электрометаллургия. - 1999. - № 3. - С. 33-41. Кипарисов С. С., Падалко О. В. Оборудование предприятий порошковой металлургии. - М.: Металлургия, 1988. - 448 с. Карлов Н. В, Кириченко М. А., Лукьянчук Б. С. Макроскопическая кинетика термохимических процессов при лазерном нагреве: состояние и перспективы // Успехи химии. - 1993. - Т. 62, № 3. - С. 223-243. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства области применения / Отв. ред. И. М. Федорченко. - Киев: Наукова думка, 1985. - 624 с. Лентьевф О. Н., Алымов М. И., Теплов О. А. Гетерофазный синтез железомедных порошков // ФиХОМ - 1996, № 5. - С. 105-109. Kriechbaum G. W., Kleinschmidt P. Superfine oxide powders - Flame hydrolysis and hydrothermal synthesis // Angew. Chem. Adv. Mater. - 1989. - Vol. 101, No. 10. - P. 1446-1453. Bykov Y., Gusev S., Eremeev A. et al. Sintering of nanophase oxide ceramics by using millimeter-wave radiation // Nanostr. Mat. - 1995. -Vol. 6, No. 58. - P. 855-858. Chen I. -W., Wang X. H. Sintering dense nanocrystalline ceramics without final-stage grain growth // Nature. - 1996. - Vol. 404, No. 9. - P. 168-171. Alymov M. I., Leontieva O. N. Synthesis of nanoscale Ni and Fe powders and properties of theiu compacts // Nanostr. Mat. - 1995. - Vol. 6, No. 1-4. - P. 393-395. Ковнеристый Ю. К. Объемно-аморфизирующиеся металлические сплавы. - М.: Наука, 1999. - 80 с. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы. - М.: Металлургия, 1987. - 328 с. Золотухин И. В. Физические свойства аморфных металлических материалов. - М.: Металлургия, - 1986. - 176 с. Валиев Р. З., Александров И. В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - 272 с. Bunshah R. F. еt al. Deposition technologies for films and coating. - Park Ridge, New Jersey (USA): Noyes Publications. - 1982. - 489 p. Никитин М. М. Технология и оборудование вакуумного напыления. - М.: Металлургия, 1992. - 92 с. Технология тонких пленок. / Под ред. Л. Майссела и Р. Глэнга. - М.: Сов. Радио, 1970. Т.1. - 664 с., Т.2. - 768 с. Комник Ю. Ф. Физика металлических пленок.- М.: Атомиздат, 1979. - 374 с. Андреев А. А., Саблев В. П., Шулаев В. М., Григорьев С. Н. Вакуумнодуговые устройства и покрытия. - Харьков: ННЦ «ХФТИ», 2005. - 278 с. Береснев В. М., Перлов Д. Л., Федоренко А. Д. Экологически безопасное вакуумно-плазменное оборудование и технологии нанесения покрытий. - Харьков: ХИСП, 2003. - 292 с. Данилин Б. С., Сырчин. В. К. Магнетронные распыленные системы. - М.: Радио и связь, 1982. - 287 с. Кострежецкий А. И. и др. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме. - М.: Машиностроение, - 1991. - 217 с. Макарова Т. П. Электрические и оптические свойства мономерных и полимеризированных фуллеренов // Физика и техника полупроводников. - 2001. - Т. 35, вып. 3. - С. 257-293. Нащекин А. В., Колмаков А. Г., Сошников И. П. и др. Применение концепции мультифракталов для характеризации структурных свойств композитных пленок фуллерена С60 легированных CdTe // Письма в ЖТФ. - 2003. - Т.29, вып. 14. - С.8-14. Caricato A. P., Barucca G., Di Cristoforo A. et al. Excimer pulsed laser deposition and annealing of YSZ nanometric films a Si substates // Applied Surface Science. - 2005. - Vol. 248. - P. 270-275. Kobea S., Zuzeka K., Sarantopoulou E. et al. Nanocrystalline Sm-Fe composites fabricated by pulse laser deposition at 157 nm // Applied Surface Science. - 2005. - Vol. 248. - P. 349-354. Amoruso S., Ausanio G., de Lisio C. et al. Synthesis of nickel nanoparticles and nanoparticles magnetic films by femtosecoud laser ablation in vacuum // Applied Surface Science. - 2005. -Vol. 247. - P. 71-75. Белый А. В., Карпенко Г. Д., Мышкин Н. К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. - М.: Машиностроение, 1991. - 192 с. Белянин А. В., Кривченко В. А., Лопаев Д. В. Наноструктурированные пленки ZnO для устройств микроэлектроники и оптики // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2006. - № 6. - C. 48-54. Шулаев В. М., Андреев А. А. Сверхтвердые наноструктурные покрытия в ННЦ ХФТИ // ФИП. - 2008. - Т. 6, № 1-2. - С. 4-19. Пат.1757249 РФ, МКИ С23 С14/00 / В. Т. Толок, О. М. Швец, В. Ф. Лымарь, В. М. Береснев, В. И. Гриценко, М. Г. Кривонос. № 4824783/SU. Заявлено 11.05.90; опубл. 15.07.92. Азаренков Н. А., Береснев В. М., Погребняк А. Д. Структура и свойства защитных покрытий и модифицированных слоев. - Харьков. ХНУ им. В. Н. Каразина, 2007. - 576 с. Ягодкин Ю. Д. Ионно-лучевая обработка металлов и сплавов // Итоги науки и техники сер. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: ВИНИТИ. - 1980. - Т. 14. - С. 142-185. Аброян И. А., Андронов А. Н., Титов Ф. Т. Физические основы электронной и ионной технологии. - М.: Высшая школа, 1984. - 530 с. Золотухин И. В., Калинин Ю. Е., Стогней О. В. Новые направления физического материаловедения. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 2000. - 360 с. Кадыржанов К. К., Комаров Ф. Ф., Погребняк А. Д., Русаков В. С.,Туркебаев Т. Э. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов. - М.: МГУ, 2005. - 638 с. Poate J. M., Foti G., Jacobson D. C. Surface Modification and Alloying by Laser, Ion, and Electron Beams. - New York: Plenum Press, 1983. - 243 p. Реди Дж. Промышленные применения лазеров. - М.: Мир, 1981. - 638 с. Ченг Ли, Плот К. Молекулярно-лучевая эпитаксия. - М.: Мир, 1989. - 387 с. Сыркин В. Г. СУБ метод - химическое парофазное осаждение. - М.: Наука, 2000. - 47 с. Андриевский Р. А. Получение и свойства нанокристаллических тугоплавких соединений // Успехи химии. - 1994. - Т. 63, № 5. - С. 431-448. Семикина Т. В, Венгер Э. Ф. Комащенко В. Н. // Зб. наук. праць
«Ф1зико-х1м1чш основи формування i модифжацп мжро- та наноструктур» FMMN-2008. Харюв, Украша, Т. 1. - С. 76-79. Лозовик Ю. Е., Попов А. В. Образование и рост углеродных наноструктур - фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов // УФН. - 1997. - Т. 167, № 7. - С. 751-774. Нерушев О. А., Сухинин Г. И. Кинетика образования фуллеренов при элетродуговом испарении графита // ЖТФ. - 1997. - T 67, № 2. - С 41-49. Горелик О. П., Дюжев Г. А., Новиков Д. В. и др. Кластерная структура частиц фуллереносодержащей сажи и порошок фуллеренов С60 // ЖТФ. - 2000. - Т. 70, вып. 11. - С. 118-125. Елецкий А. В. Углеродные нанотрубки и эмиссионные свойства // УФН. - 2002. - Т. 172, № 4. - С. 401-438. Дьячков П. Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения. - М.: БИНОМ, 2006. - 293 с. Ткачев А. Г., Золотухин И. В. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур. - М.: Машиностроение, 2007. - 316 с. Komarov F. F., Mironov A. M. Carbon Nanotubes Presents and Future // Physics and Chemistry of Solids. - 2004. - Vol. 5, No. 3. - P. 411-429. Ressier L., Grisolia J., Martin C. et al. Fabrication on planar cobalt electrodes separated by a sub - 10 nm gap using high resolution electron beam lithography with negative PMMA // Ultramicroscopy. - 2007. - Vol. 107. - P. 985-988. Robert A. Lee, Patrick W. Optical image formation using surface relief micrographic picture elements // Microelectronic Engineering. - 2007. - Vol. 84. - P. 669-672. Gierak J., Septier A., Vien C. Design and realization of a very high - resolution FIB nanofabrication instrument // Nucl. Instr. and Meth. - 1999. - Vol. A 427. - P. 91-98. Chyr I., Steck A. J. GaN focused ion beam micromachining with gas- assisted etching // J. Vac. Sci. Technol. - 2001. - Vol. B 19. - P. 2547-2550. Watt F., Bettiol A. A., van Kan J. A. et al. Ion beam lithoqraphy and nanofabrication: A review // International Journal of Nanoscience (IJN). - 2005. - Vol. 4, No. 3. - P. 269-286. Watt F., Breese Mark B. H., Bettiol A., van Kan J. A. Proton beam writing // Materialstoday. - 2007. - Vol. 10, No. 6. - Р. 20-29. Hovington Р., Drouin D., Gauvin R. et al. A new Monte Carlo code inc language for electron beam interactions - part Ill stopping power at low energies // Scanning. - 1997. - Vol. 19. - P. 29-35, http://www.gel.usherb.ca/casino/index.html Yamashita T. // PhD Thesis, Georgia Institute of Technology, august, 2005. http://www.jeol.com Reyntjens S., Puers R. A review of focused ion beam applications in microsystems technology // J. Micromech. Microeng. - 2001. - No. 11. - P. 287-300. Watt F., van Kan J. A., Rajta I. et al. The National Nniversity of Singapore high ion nano-probe facility: Performers test // Nucl. Instr. and Meth. - 2003. - Vol. B 210. - P. 14-20. Jeroen A., van Kan J. A., Bettiol A. A. et al. Proton beam writing: a progress review // Int. J. Nanotechnology. - 2004. - Vol. 1, No. 4. - Р. 464-477. Mous D. J. W., Haitsma R. G., Butz T. et al. The novel ultrastable HVEE Mv singletron accelerator for nanoprobe application // Nucl. Instr. and Meth. - 1997. - Vol. B 130. - P. 31-36. Breese M. B. H., Grime, G. W., Linford W. et al. An extended magnetic quadrupole lens for, a high-resolution nuclear // Nucl. Instr. and Meth. - 1999. -Vol. B 158. - P. 48-57. Ignat’ev I. G., Magilin D. V., Miroshnichenko V. I., Ponomarev A. G. et al. Immersion probe - forming system as a way to the compact design of nuclear microbe // Nucl. Instr. and Meth. - Vol. B 231. - P. 94-100. Сторiжко В. Ю., Пономарьов О. Г., Мiрошниченко В. I. // Декла-
рацшний патент на винахщ, UA 67341A, G01 N23/00, 2003038121 (15.06.2004 Бюл. № 6). Tondare V. N. Quest for brigthess, monochromatic noble gas ion sources // J. Vac. Sci. Technol. - 2005. -Vol. A 23. - P. 1498-1508. Morgan J., Notte J., Hill R. et al. An Introduction to the Helium ion microscope // Microscopy Today. - 2006. -Vol. 14, No. 4. - P. 24-31. Watt F., Rajta I., van Kan J. A. et al. Proton beam micromachined resolution for nuclear microprobes // Nucl. Instr. and Meth. - 2002. -Vol. B 190. - P. 306-311. van Kan J. A., Sunchez J. L., Xu B. et al. Resist materials for proton micromachining // Nucl. Instr. and Meth. - 1999. - Vol. B 158. - P. 179-184. Mistry P., Gomez-Morilla I., Grime G. W. et al. New developments in the applications of proton beam writing // Nucl. Instr. and Meth. - 2005. - Vol. B 237. - P. 188-192. van Kan J. A., Bettiol A. A., Chiam S. Y. et al. New resists for proton beam writing // Nucl. Instr. and Meth. - 2007. -Vol. B 260. - P. 460-469.