RU2007783C1 - Process of formation of nanostructure - Google Patents

Abstract

FIELD: microelectronics. SUBSTANCE: process of formation of nanostructure consists in passing of monatomic beam through two-dimensional standing light wave created with laser. Monatomic beam is distributed at input into light wave over area (π/2)² which center is nodal line. With movement in standing wave beam compresses with radiation force to nodal line to sizes of ionometers. To produce effect of compression direction of movement of atoms should coincide with direction of nodal lines of light wave with high degree of accuracy. Length of light wave is chosen close to frequency of radiation transition of atom. Intensity of light wave is chosen close to frequency of radiation transition of atom. EFFECT: improved stability of nanostructure. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области изготовления электронных приборов, в том числе запоминающих устройств, СБИС и т. д. The invention relates to the field of manufacturing electronic devices, including storage devices, VLSI, etc.

Способы световой и рентгеновской литографии обеспечивают получение структур с топологическими размерами до 0,25 мкм [1] . The methods of light and X-ray lithography provide structures with topological sizes up to 0.25 μm [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.A known method of piercing microscopic recesses on the surface of a silicon substrate, which consists in the location of a tungsten ultrafine needle, at the end of which there is only one atom, in vacuum at a distance of 0.5 nm from the surface of the substrate with periodic pressure of the needle on various parts of the surface, creating recesses with a diameter of 10 nm and a depth of 0.6 nm. The development of this method is the supply of voltage to the tip, leading to the appearance of a current with a tip of up to 10 ⁸ A per 1 cm ² with an electric field strength of up to 10 ⁶ V cm ^-1 [2]. Under these conditions, it is possible to deposit individual atoms from the tip onto the surface or to remove the surface of atoms of various elements.

Недостатком способа является его низкая производительность, трудность дозировки количества наносимых атомов. The disadvantage of this method is its low productivity, the difficulty of dosing the number of applied atoms.

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] . A known method of electron beam lithography with scanning, with high spatial resolution, using an electron microscope, providing a probe with a diameter of 0.5 nm; upon irradiation of alkali metal halides, structures with a minimum size of 1.5 nm were obtained [3].

Недостатком этого способа является его низкая производительность. The disadvantage of this method is its low productivity.

Прототипом изобретения является способ создания наноструктур с помощью ионных пучков [4] . The prototype of the invention is a method for creating nanostructures using ion beams [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.A beam of H ⁺ ions with an energy of 50 KeV and a calculated diameter of 100 was obtained in the facility of the National Center using focusing magnetic lenses

and current density of 100 A˙cm ^-2 . The use of ion beams provides significant advantages over electron beams due to the possibility of obtaining a better spatial resolution and the possibility of creating a nanostructure by directly irradiating the substrate ions without a resist layer.

Недостатком способа является его низкая производительность и недостаточное пространственное разрешение. The disadvantage of this method is its low productivity and insufficient spatial resolution.

Целью изобретения является улучшение пространственного разрешения, увеличение производительности способа и получение возможности нанесения не только заряженных, но и нейтральных атомов. The aim of the invention is to improve spatial resolution, increase the productivity of the method and obtain the possibility of applying not only charged but also neutral atoms.

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.The goal is achieved by the fact that an atomic beam is passed through a two-dimensional standing light wave so that the direction of motion of the atoms coincides with the direction of the nodal lines of the wave and the energy of the transverse motion of atoms relative to these lines does not exceed

=

3γ ²

where 2 γ is the radiation width of the atomic transition;
Δ = ω - ω _o ;
ω is the frequency of the light wave;
ω _o is the frequency of the atomic transition;

- Planck's constant.

Для создания условий сжатия атомного пучка двумерной стоячей световой волной должны выполняться следующие условия. To create conditions for the compression of an atomic beam by a two-dimensional standing light wave, the following conditions must be satisfied.

Частота световой волны ω выбирается близкой к частоте радиационного перехода ω_o между основным, или метастабильным, и некоторым возбужденным состоянием атома.The frequency of the light wave ω is chosen close to the frequency of the radiation transition ω _o between the ground, or metastable, and some excited state of the atom.

Интенсивность I световой волны должна удовлетворять соотношению I/I_н≃

, где I_н - интенсивность насыщенного атомного перехода.The intensity I of the light wave must satisfy the ratio I / I _n ≃

where I _n is the intensity of the saturated atomic transition.

На чертеже представлена схема устройства, используемого для осуществления способа. The drawing shows a diagram of a device used to implement the method.

Устройство содержит лазер, систему зеркал, источник нейтральных или заряженных атомов, коллиматор 1 и подложку 2, на которой изготавливается структура. The device contains a laser, a system of mirrors, a source of neutral or charged atoms, a collimator 1 and a substrate 2 on which the structure is made.

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. The formation of an atomic beam in the first stage before laser compression is carried out using a diaphragm or using a system of magnetic and electric lenses. Limiting the beam to the diaphragm is suitable for neutral and charged atoms. Focusing by magnetic and electric lenses is carried out in the case of charged atoms.

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.Using a laser and a system of mirrors, two standing orthogonal light waves are generated. At the intersection of the planes of the nodes of two standing waves, nodal lines are formed that are used to compress atomic beams. At one end, these lines touch the surface of the substrate. Atoms emitted by a source and collimated by a screen with a hole or focused by magnetic and electric lenses move along a two-dimensional standing light wave in the direction coinciding with the direction of the nodal lines of the wave. An atomic beam distributed at the entrance to a light wave in the area (λ / 2) ² , the center of which is the nodal line, when moving in a standing wave, is compressed due to radiation force to the nodal line to the size of nanometers.

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 ln

1+

, (1) где G = I/I_н - параметр насыщения атомного перехода, пропорциональный интенсивности поля I в стоячей световой волне.In a strong standing light wave, the frequency of which ω is detuned from the frequency of the atomic transition ω _o towards higher frequencies by Δ = ω - ω _o , the radiation force acts on the atom. This force can be divided into three components: gradient force, friction force, and diffusion force. Gradient force forms the potential of the form
U =

Δ ln

1+

, (1) where G = I / I _n is the saturation parameter of the atomic transition, which is proportional to the intensity of field I in the standing light wave.

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.The minima of this potential coincide with the nodal lines of the standing wave. Under the action of the friction force, atoms with an initial energy of transverse motion less than ε ₀ =

3

and uniformly distributed in space over time, are collected near the minimum of the potential in the region with transverse dimensions
2x ₀ =

, (2) where ω ₀ =

;
K =

- wave radiation vector;
M is the mass of the atom;
G _o is the value of the saturation parameter at the maximum of the standing light wave.

Существующие лазеры позволяют осуществлять эффективное механическое воздействие света, например, на такие ионы, как ⁷Li⁺, ⁹Be⁺, ²⁴Mg⁺, ²⁹⁸Hg⁺ и нейтральные атомы Na, Cs, K, Ca.Existing lasers allow the effective mechanical action of light, for example, on ions such as ⁷ Li ⁺ , ⁹ Be ⁺ , ²⁴ Mg ⁺ , ²⁹⁸ Hg ⁺ and neutral atoms 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.PRI me R. As an example, consider the compression of a ⁷ Li ⁺ ion beam. We assume that the initial ion beam has a transverse size of 0.2 μm, the density in the beam is n = 10 ⁹ ions ˙ cm ^-3 , the average longitudinal velocity is v ₁₁ = 10 ⁵ cm / s ^-1 and the angular divergence Δ φ = 10 ^-3 rad .

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 2³S

F=

2³P

F

, 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.During its movement, the beam flies into a two-dimensional plane standing light wave and moves along one of the nodal lines of this wave. The frequency of the standing wave is tuned by Δ / (2π) = 1600 MHz with respect to the transition 2 ³ S

F =

2 ³ P

F

corresponding to a wavelength of λ = 5485

. Resonant light radiation has σ ⁺ polarization; therefore, this transition can be considered as a closed two-level scheme. The diameter of each of the two rays forming a standing wave is D = 1 mm, and the average radiation power of each beam is P ₁ ^run = P ₂ ^run = 0.8 W. Since the saturation intensity of this transition is I _n ≈ 3 mW / cm ^-2 , the saturation parameter in the antinodes of the wave is G _o = 16 P ₁ / π x xD ² I _n ≈ 10 ⁶ .

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.Using formula (2), we find that when a standing wave passes along the nodal line, the ⁷ Li ⁺ atomic beam is compressed in cross section to a size of 2x _o = 20

. The ion flux at the exit from the standing wave is Φ = nv (2x) ² = 2˙10 ⁹ atoms / s ^-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).The simultaneous use of many nodal lines formed at the intersection of two light rays of standing waves increases the productivity of the method. If in the above example using a beam of ions or neutral atoms of 1 mm diameter, then the passage of the two-dimensional standing wave having nodal ≈10 ⁶ lines per 1 mm ^2, an atomic beam is broken at ≈ ¹⁰ June individual beams, each of which is output from the light waves are compressed to sizes ≈ 20

. Thus, on the substrate, atoms will create 10 ⁶ sputterings 20

. with distances between them λ / 2 (2700

) In the process of creating a nanostructure, the substrate is moved relative to the beam using voltage-controlled piezocrystals with an accuracy of ≈ 0.01

. When moving the substrate on each site (2700

) ² , any structural scheme can be created (in total ≈ 10 ⁶ schemes per 1 mm ² ).

Использование для создания наноструктуры светового излучения лазера открывает возможность задавать абсолютные точности нанесения наноструктур до 0,01

, что необходимо при последовательном изготовлении схем.Using a laser light to create a nanostructure opens up the possibility of setting the absolute accuracy of nanostructure deposition to 0.01

, which is necessary for the sequential production of circuits.

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. The economic effect of using the method is expected to be large due to a significant improvement in the characteristics of the created electronic devices, in the first place - increasing their speed, reliability. In addition, the manufacturing speed of the circuit compared to known beam methods is much increased. (56) Berski D. Recent advances in technology of volatile memory: Electronics, N 9, 1990, p. 10.

Новейшие экспериментальные исследования, направленные на повышение плотности упаковки запоминающих устройств: Электроника, N 6, 1990, с. 5. The latest experimental studies aimed at increasing the packing density of storage devices: Electronics, N 6, 1990, p. 5.

Вульф Э. Д. Исследования и разработки Национального центра исследований субмикронных структур: ТИИЭР, 71 (1983), с. 54. Wulf E. D. Research and development of the National Center for Research on Submicron Structures: TIIER, 71 (1983), p. 54.

Там же, с. 75.  In the same place, with. 75.

Claims (1)

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. METHOD FOR CREATING NANOSTRUCTURES, including the formation of an atomic beam, characterized in that the atomic beam is passed through a two-dimensional standing light wave so that the average direction of atomic motion coincides with the direction of the nodal lines of the wave and the atomic motion energy relative to these lines does not exceed

= h (3γ ²

) ^1/3 ,
where 2γ is the radiation width of the atomic transition, s ^-1 ;
Δ = ω-ω ₀ ,
ω is the frequency of the light wave, rad / s;
ω ₀ - atomic transition frequency, rad / s,
moreover, the frequency of the light wave is chosen close to the frequency of the radiation transition ω ₀ between the ground or metastable and some excited state of the atom, and the intensity I of the light wave is chosen from the condition
I / I _n ≃ (

) ² ,
where I _n - the intensity of the saturation of the atomic transition, m · W / cm ² .

Images