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Research Application Technology Center, Park Systems Corp.

介绍

自原子力显微镜(AFM)[1]发明以来,它被广泛应用到了样品表面无损成像中,其电学、磁学和力学等性能表征也吸引了科研界的巨大兴趣。然而,除此之外,AFM还为局部表面修改和图案制作提供了巨大的潜力,它可以使用过度的悬臂施加力来引发机械划伤,利用铁电转换或通过施加偏压到AFM针尖来氧化表面。局部氧化,也称为“偏压模式AFM纳米光刻”,已广泛用于纳米级导电或半导体表面图案的定制[2,3]。偏压模式AFM纳米光刻为定制图案提供了许多优势:它绕过了光学光刻方法中存在的衍射限制,不需要光学掩模,并且其程序简单明了。通过在导电AFM针尖和基底之间施加偏压,针尖-样品接触区域形成氧化层(图1)。通过控制实验参数,包括施加的AFM针尖偏压、尖端材料/几何形状、扫描速度和湿度,可以利用氧化控制纳米图案。

在本应用说明中,我们使用Park Systems公司开发的新型纳米光刻软件Park Smartlito的偏压模式AFM纳米光刻技术[5],在裸硅片上通过氧化生长实现纳米图案化[4]。此外,我们通过在硅片上图案化PZT(钛酸铅锆)薄膜的局部畴,展示了Park Smartlito在铁电样品上进行光刻的能力[6]。使用Park Smartlito,通过氧化和铁电畴切换,制作了具有详细和精细特征的复杂结构。最后,我们提出了成功实现纳米图案化的最佳工艺参数。该软件非常适合基于纳米光刻技术的新型器件表面结构开发,也非常适合研究先进纳米电子学不断减小的特征尺寸和线间距。

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图1.通过局部表面氧化的偏压辅助AFM纳米光刻的示意图。在针尖和样品之间施加偏压后,通过氧化在表面上形成图案。

材料和方法

用裸硅片和硅片上的PZT薄膜分别演示了通过氧化和铁电畴切换实现的纳米图案化。裸硅片的均方根粗糙度(Rq)大于1 nm,因此可以识别氧化层和衬底之间的高度对比度。我们使用标称弹簧常数为80 N/m、共振频率为400 kHz的CDT-NCHR悬臂进行氧化纳米图案化。CDT-NCHR针尖含有导电金刚石涂层(铂表面<10千欧姆),针尖曲率半径为100nm~200nm。CDT-NCHR的针尖半径略大于其他导电金属涂层的针尖半径;然而,金刚石涂层针尖显示出更好的操作稳定性和更高的灵敏度。为了在PZT上通过铁电畴转换实现纳米图案化,我们使用了标称弹簧常数为k=2.8 N/m、共振频率为75 kHz的PPP-EFM悬臂。PPP-EFM针尖具有铂铱涂层,半径约为25 nm。由于PZT上的铁电畴切换不需要AFM针尖和样品表面之间的高施加力,因此使用了软性导电悬臂。详细的扫描参数见表1。

所有测量均在Park NX10 原子力显微镜机台上进行,该机台使用了新型AFM纳米光刻软件Park SmartLitho。SmartLitho结合了多种纳米光刻模式,包括恒定Z扫描模式、恒定力模式、偏压(和其他)模式以及用户友好型图形编辑器。用户可以访问许多用于自定义纳米图案的模板类型,如位图图像、多边形、多折线和多点。Park SmartLitho可作为独立版本或嵌入Park SmartScan™操作软件(图2)。独立版本和嵌入式版本提供相同的功能,如图形文件创建以及位图或图案编辑,并且可以操作用户选择/首选的纳米光刻模式。

表1.AFM纳米光刻参数

 利用氧化进行纳米图案化利用铁电转换进行纳米图案化
Sample 裸硅片 硅片上的PZT
悬臂 CDT-NCHR PPP-EFM
环境 高湿度 (>60%) 一般环境
  纳米光刻 AFM成像 纳米光刻 AFM成像
扫描尺寸 35 μm X 35 μm 40 μm X 40 μm 30 μm X 15 μm 35 μm X 25 μm
像素分辨率 400 X 400 1024 X 1024 10 μm/s 0.5 Hz
扫描速度 20 μm/s 0.5 Hz 10 μm/s 0.5 Hz
偏压范围 0 ~ -10 V - 0 ~ -10 V AC bias: 2V
DC bias: 0V

 

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图2.Park SmartLitho软件的截图,(a)嵌入Park SmartScan的成像软件,以及(b)独立版本。

结果和讨论

图3显示了用作纳米图案化模板的原始位图图像以及偏压模式AFM纳米光刻后样品表面的高度和相应的3D图像。裸硅片表面的纳米图案与圣诞球的模板非常相似。通过在针尖和样品之间施加足够高的电压,使用偏压辅助硅氧化生成图案。氧化层厚度由外加偏压大小和环境湿度控制。氧化层厚度与施加的针尖偏压成正比。此外,氧化需要在AFM针尖形成一个受环境湿度影响的弯曲形水层[7]。因此,测量是在高湿度条件下(>60%)从0 V到10 V的针尖偏压进行的。氧化物纳米图案的高度范围为0.8 nm~1.5 nm。图4显示了两个组成结构(5μm×5μm)及其相应的3D图像和线轮廓信息。根据这些线轮廓,我们确认结构高度约为1nm。纳米光刻后清晰的高度图像对比度说明了使用Park Systems新的Park SmartLitho软件进行偏压辅助氧化可成功获得高分辨率纳米图案。

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图3.用作模板的原始位图图像(左)、偏压辅助AFM纳米光刻后的AFM高度图像(中)和样品表面的相应3D图像(右)。纳米图案化是通过表面氧化产生的。

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图4.对两个组成结构进行纳米光刻和线轮廓分析后的AFM高度图像。a和b中的AFM线轮廓显示了氧化层距离基底约1 nm的高度。

图5显示了高度和压电力显微镜(PFM)四元图像,它们的线轮廓信息以及光刻后的3D图像。PZT中的铁电畴可以通过在针尖和样品之间施加不同的偏压来切换。在偏压模式AFM纳米光刻后,我们对高度信息进行AFM非接触成像,并对PFM四元信息进行PFM成像。如两幅图所示,高度图像是没有图案的平面。然而,在PFM四元结构中解析的结构与原始的传统韩式图案模式模板非常相似,说明了成功的铁电畴切换。虽然氧化纳米图案化需要湿度控制才能实现高质量的纳米光刻,但通过铁电转换实现的纳米图案化需要较慢的扫描速度和较低的施加力扫描,以避免接触模式导致样品损坏。

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图5.在AFM纳米光刻偏压模式下铁电切换后,用作模板的原始位图图像(左)、AFM高度和PFM四元图像、线轮廓分析(中)和相应的3D图像(右)。PZT上的纳米图案是通过铁电畴转换产生的。

总结

在本应用说明中,我们使用Park SmartLitho(Park Systems在Park NX10 AFM系统上开发的一种新型纳米光刻软件)的偏压模式AFM纳米光刻技术,在裸硅片上通过氧化生长实现纳米图案化。我们成功地证明,使用Park Smartlito,通过局部氧化硅片表面和切换PZT薄膜的铁电畴,可以很容易地实现复杂结构的偏压辅助纳米图案化。此外,我们还提出了优化参数,包括湿度值、针尖偏压范围、扫描速度和合适的悬臂类型,以在硅衬底上生成准确而清晰的纳米氧化物图案,以及在PZT上生成铁电畴图案。这项研究表明,AFM纳米光刻的纳米图案化,特别是硅衬底和Park Smartlito上的氧化图案化,为定制纳米传感器表面修饰以及半导体研究和工业的纳米器件提供了巨大潜力。

参考文献

1. Binnig, G., Quate, C. F., & Gerber, C., Atomic force microscope. Physical review letters, 56 (9) (1986) 930.
2. Minne, S. C., Flueckiger, P., Soh, H. T., & Quate, C. F., Atomic force microscope lithography using amorphous silicon as a resist and advances in parallel operation. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, 13 (3) (1995) 1380-1385.
3. Garcia, R., Martinez, R. V., & Martinez, J., Nano-chemistry and scanning probe nanolithographies. Chemical Society Reviews, 35 (1) (2006) 29-38.
4. Garcı́a, R., Calleja, M., & Pérez-Murano, F., Local oxidation of silicon surfaces by dynamic force microscopy: Nanofabrication and water bridge formation. Applied Physics Letters, 72 (18) (1998) 2295-2297.
5. Advanced Vector Nanolithography Using Closed Loop Scan System (2010, Online Article). Retrieved from:https://parksystems.com/park-spm-modes/97-mechanical-properties/251-nanolithograpy
6. Li, D., & Bonnell, D. A., Ferroelectric lithography. Ceramics International, 34 (1) (2008) 157-164.
7. Abdullah, A. M., Hutagalung, S. D., & Lockman, Z., Influence of room humidity on the formation of nanoscale silicon oxide patterned by AFM lithography. International Journal of Nanoscience, 9 (04) (2010) 251-255.

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