Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Atomically Spårbar nanostruktur Fabrication

Published: July 17, 2015 doi: 10.3791/52900
Automatic Translation
1, 2, 3, 4, 5, 1, 1, 1, 4, 5, 1, 3, 3, 4, 5, 1, 1
1Zyvex Labs, 2Department of Physics, University of Texas at Dallas, 3Department of Materials Science and Engineering, University of Texas at Dallas, 4Materials Science and Engineering, University of North Texas, 5National Institute of Standards and Technology

Introduction

Som nanoteknik blir allt viktigare i en mängd olika arenor, förstå de strukturer formas vinster betydelse, särskilt på områden av litografi och elektronik. För att understryka vikten av metrologi på nanonivå, särskilt på skalor under 10 nm, bör det påpekas att en variation i karaktäristisk storlek på endast 1 nm indikerar en bråk variation åtminstone 10%. Denna variation kan få betydande konsekvenser för enhetens prestanda och material karaktär 1,2 -. 4 Använda syntetiska metoder, kan mycket precist formade enskilda funktioner såsom kvantprickar eller andra komplexa molekyler tillverkas, 2,5,6 men saknas i allmänhet samma precision i egenskap placering och orientering, trots arbete mot att förbättra storlek och placering kontroll. Detta dokument visar en metod för tillverkning av nanostrukturer med nära atomstorlek precision och atom precision i funktionen placering, samtmed atommetrologi i funktionen placering. Med användning av atomär precision av Scanning Tunneling Microscope (STM) inducerad Väte Depassivation Lithography (HDL), är atomiskt precisa mönster med kemiskt känsliga kontrast bildad på en yta. Selektiv Atomic Layer Deposition (ALD) applicerar sedan ett hårt oxidmaterial i de mönstrade områdena, med reaktiv jonetsning (RIE) slutligen överföra mönstren in i bulkmaterial, såsom visas schematiskt i fig 1. Kombinera den mycket exakta HDL-processen med standarden ALD och RIE-processer resulterar i en flexibel metod för framställning av nanostrukturer på en yta med godtycklig form och positionering.

Figur 1
Figur 1. Primär Nanoteknik processteg. Som ett exempel, en 200 nm x 200 nm kvadrat visas. Varje inringade pil anger ett steg för atmosfärisk exponering och transport mellan platser. Efter UHV prov prep provet mönstras med hjälp av UHV HDL följt av STM metrologi (uppe till vänster). ALD utförs sedan, följt av AFM metrologi (till höger). RIE överför flöden Si (100), följt av SEM metrologi (nere till vänster). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Den mest exakta litografi hittills innebär vanligtvis skannade probtekniker, särskilt STM-baserade mönstring där atomär upplösning mönstring och funktionalisering har visats för många tillämpningar. 7 Tidigare har atom manipulation producerade nanostrukturer med yttersta precision genom att använda enskilda atomer som byggstenar, 8 , 9,10 men nanostrukturer som krävs kryogeniska förhållanden och därmed saknade långsiktig stabilitet. RT atom manipulering genom avlägsnande av väteatomer från ytan har visats, specifically HDL. 11,12,13 HDL lovar att göra det möjligt för nya klasser av elektroniska och andra enheter baserade på den rumsliga lokalisering av ytan kontrast. Använda HDL utan vidare bearbetning, olika enhets arkitekturer är möjliga inklusive dinglande bondtrådar eller logiska enheter. 14,15,16 Förutom att ge elektriska kontrast, HDL kan införa kemisk kontrast på ytan där passive H skiktet har avlägsnats, i själva verket skapa en mall för ytterligare kemisk modifiering. Denna kemisk modifiering har visats på kisel och andra ytor, som visar selektivitet för avsättning av metaller, 17 isolatorer, 18 och till och med halvledare. 16,19 Vart och ett av dessa exempel ger tvådimensionella strukturer, så att andra processteg måste användas för att producera äkta tre dimensionella strukturer med Atomically löst kontroll utlovats av HDL. Tidigare har detta krävs upprepad mönstring, 19,20,21 glödgning, 22 23

I likhet med e-strålelitografi, använder HDL en lokal flöde av elektroner för att exponera en motstå. Flera likheter finns till exempel förmågan att utföra multi-mode litografi med variabel punktstorlek och mönstring effektivitet. 24 uppstår dock den verkliga kraften i HDL från hur det skiljer sig från e-strålelitografi. Först motstå i HDL är ett monolager av atomärt väte så att motstå exponering blir en digital process; resisten atomen antingen är eller inte är närvarande. 25 Eftersom H-atom placering motsvarar den underliggande Si (100) gitter HDL processen kan vara en atom exakt process, även om det bör noteras att HDL i detta dokument har nanometer precision stället för att ha atom perfektion och således inte digitalt i detta fall. Eftersom elektronkällan i HDL är lokal till ytan, de olika former av STM drift underlättar bådegenomströmning optimering samt felkontroll. Vid tip-prov fördomar nedan ~ 4,5 V, kan litografi utföras på enstaka atomnivå med atomär precision, känd som Atomically Precise läge (AP-läge). Däremot på fördomar över ~ 7 V, elektroner emitteras direkt från spetsen på stickprovet med breda linjebredder och hög depassivation effektivitet, känd här som fältemissionsläge (FE-läge). HDL genomströmningar kan då optimeras genom noggrann kombination av dessa två lägen, även om den totala genomströmningar förblir små i förhållande till e-strålelitografi med mönstring upp till 1 pm 2 / minut möjligt. När förspänningen är omvänd så att provet hålls vid ~ -2,25 V, elektroner tunneln från provet till spetsen med extremt låg depassivation effektivitet, vilket således medger besiktning av den atomära strukturen hos ytan såväl för felkorrigering och för atomär skala metrologi .

Denna nanostruktur tillverkningsprocessen visad i figur 1 (dvs ~ 1 monoskikt) SiO 2 lager. 26 Efter transport provet in i en ALD kammare för avsättning av titandioxid (TiOj 2), med tjocklekar runt 2-3 nm avsattes här, såsom mätt med AFM och XPS. 27 Eftersom titandioxid reaktionen beror på en vattenmättnad av ytan, är det möjligt denna process trots atmosfär exponering som mättar ytan med vatten . Därefter att överföra ALD maskmönstret i bulk provet etsades med hjälp av RIE så att 20 nm Si avlägsnas, med etsningsdjupet bestäms av AFM och SEM. För att underlätta metrologi steg, är ett Si (100) wafer mönstrad med ett rutnät av linjer, som är utformade för att vara synliga efter UHV framställning av en lång arbetsavstånd optiskt mikroskop, AFM planen-vy optisk avbildning, ochlågförstorande planen-view SEM avbildning. För att identifiera nanostrukturer är 1 pm 2 serpentin mönster (SERPS) mönstrade på proven med de mest isolerade nanopatterns placerade på fasta platser i förhållande till sökmotorer.

Denna kombination av HDL, selektiv ALD och RIE kan vara en viktig process för nanostruktur tillverkning, och det innehåller en atomskala metrologi som en naturlig biprodukt av processen. Nedan inkluderar vi en detaljerad beskrivning av de olika stegen för att tillverka under 10 nm nanostrukturer i Si (100) med hjälp av HDL, selektiv ALD, och RIE. Det antas att en är skicklig i var och en av dessa processer, men information kommer att ingå relaterad till hur man kan integrera de olika processerna. Särskild vikt kommer att läggas vid de oväntade svårigheter av författarna i syfte att förhindra att samma problem, särskilt i samband med transporter och mätteknik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Ex-Situ Provberedning

  1. Förbered marker
    1. Utforma lämpliga etsmask att sätta identifiera markörer i Si (100) skiva. Använda standard optisk litografi och RIE, etsa ett rutnät av linjer som referenspunkter i skivan som STM prover tas. Linjerna ska vara 10 fim bred, 1 | j, m djup, och vid stigning av 500 um. Efter etsning, remsa kvarvarande fotoresisten från prov.
      Obs: de referenspunkter som ska kunna identifieras på plats för spets plats på prov samt i AFM och SEM under metrologi.
    2. Skydda skivytan genom att tillämpa standard please blå tärnings band, klibbig nedåt.
    3. Dice wafers till chips med en diamant tippas keramisk tärnings såg i storlekar lämpliga för den specifika UHV-STM verktyg som används för att utföra HDL. Här proverna var 8,1 mm x 8,1 mm rutor.
  2. Efter tärning, förbereda chip för insättning i UHV-STM mönstring verktyg genom att försiktigtskalar tillbaka tärnings bandet, noga med att inte röra chip med eventuella nickelhaltiga verktyg som kommer att inducera en ogynnsam yta rekonstruktion efter UHV prep i avsnitt 2 nedan.
    1. Ren chip genom att skölja den främre ytan för 10 sekunder vardera med strömmar av aceton, isopropylalkohol, metanol, och avjoniserat vatten, respektive, medan grip sidorna av provet med polytetrafluoreten (PTFE) pincett. Slutligen, torka med ultrarent N2 eller Ar, fortfarande gripande med teflon pincett.
    2. Mount prov chip i STM provhållaren med hjälp av metoder som är lämpliga för den specifika UHV-STM verktyg som ska användas för HDL.
      1. Om apparaten monteras i ett nickel-innehållande provhållare, skär tantal foliemellanväggar (appx. 4 mm från provhöjd) med titan sax. Sonikera folieremsor för 5 min vardera i ultrarent aceton, isopropylalkohol, metanol, och DI-vatten, respektive. Torka med ultrarent N 2 gas genom att delvis täcka en bägare med aluminiumfolie och injiceraning av en N 2 munstycke in i öppningen. Flödes gas tills all vätska har avdunstat. Använda nickelfria pincett, runt slutar formen folie prov sedan klämma in provhållaren för att isolera fram- och baksidor av prov från provhållaren.
    3. Efter montering, plasma rent prov och provhållaren i syrgasplasma för att avlägsna föroreningar kol. 28

2. UHV Provberedning

  1. Inför provet i UHV-system via last lås eller annan föredrog UHV-säker metod så att UHV bearbetning och HDL kan normalt ligga under 1,3 x 10 -9 mbar (med undantag för steg 2.5.1.1 nedan).
  2. Degas O / N vid 650 ° C, att övervaka temperaturen med en pyrometer. Se till att kammartrycket är inom 25% av bakgrund. I det fall som beskrivs här, typiska bakgrundstrycket är ca 4,5 x 10 -10 mbar.
  3. Degas volfram vätesprickor filament vid 1500 ° C under 5 min.Aktivera titan sublimepumpar om möjligt.
  4. Utför prov "Flash" cykel.
    1. Flash-prov genom uppvärmning till 1250 ° C under 20 sek, övervakning T med pyrometer och med användning av en 10 ° C / sek värme-gradient. Överskrid inte ett maximalt tryck på 7 x 10 -9 mbar. Cool av avlägsnande uppvärmningsström på mindre än 5 sek.
    2. Vila provet vid 350 ° C under 5 minuter. att tillåta trycket att återhämta sig till baslinjen. Upprepa 3x.
  5. Utför provet passivering.
    1. Ställ provtemperaturen till 350 ° C med användning av en pyrometer för att övervaka temperaturen. Införa 1,3 x 10 -6 mbar ultrarent H 2 till prep kammare med hjälp av läckventil.
      1. Sätt en kylfälla i H 2 linje mycket nära en läckventil i systemet i syfte att ytterligare rena H2.
      2. Om möjligt, pumpsystem med hög hastighet turbopump istället för en jonpump. Detta är så jonpumpen inte förorenar provet från att vara exposed på de höga pressade och utkast föroreningar. Pumparna sätts tillbaka i det normala tillståndet efter att de flesta vätet har avlägsnats och provet fortfarande är varm (350 ° C).
    2. Slå på volfram vätesprickor tråden till en temperatur av 1400 ° C under 12 minuter, sedan stänga av filament och H2 gasflöde. Kyla prov till RT.

3. sveptunnelmikroskopi och Litografi

  1. Överför provet till STM, och ta prov och STM spets i tunnelområdet. Med hjälp av en kamera med upplösningsförmåga som är bättre än en 20 pm punktstorlek, ta högupplösta optiska bilden av spets-prov korsning. Räta och ändra storlek på den optiska bilden så att den representerar en icke snedvriden reproduktion av de referenspunkter.
  2. Ta bort eventuella belysning för att minska systemets termiska instabilitet. Bestäm ytkvalitet.
    1. Med användning av konventionella STM tekniker med prov förspänning -2,25 V och 200 pA, identifiera number av defekter på ytan.
    2. Om ytdefekter är under acceptabla nivåer, gå vidare till nästa steg. Maximala acceptabla defektnivåer är som följer: Dinglande obligationer på 1%; Si vakanser på 3%; föroreningar av 1%.
  3. Design HDL mönster som ska produceras, inklusive både experimentella mönster och stora (1 pm x 1 pm) serp identifieringsmönster. SERP mönster bör dras med en lång vektoraxel vinkelrätt mot förväntade AFM snabb skanning axel, med hjälp av en stigning på 15-20 nm. Fraktur övergripande mönstret i grundläggande former för att definiera den väg följt av spetsen vid tillämpningen av HDL förhållanden. 24
  4. Använda vektor utgångar från föregående steg, utföra HDL använder FE-läge litografi för stora områden med prov förspänning av 7-9 V, ström på 1 nA, och 0,2 MC / cm och AP-läge litografi för små områden eller de områden som kräver atom precision kanter . 24
    1. Bestäm optimala AP-läge litografiförhållanden genom performing HDL med en mängd olika förhållanden med prov förspänning spänner 3,5-4,5 V, ström sträcker 2-4 nA, och linje doser 2-4 mC / cm. Välj villkor som producerar den smal helt depassivated linje.
  5. Utför STM metrologi på önskade HDL mönstrade områden genom avbildning vid -2,25 V prov partiskhet och 0,2 nA tunnelström.
    1. [Valfritt] Utför felkorrigering. Efter STM metrologi, jämför depassivation mönster i STM bilder med det önskade mönstret från steg 3,5. Om några områden visar otillräcklig dinglande bindning, upprepa litografi cykeln i dessa områden.
  6. Efter avslutad STM HDL, lossa tips från provet, och flytta prov att ladda lås.
  7. Vent och ta provet. Under ventilations med ultrarent N 2, skydda provet genom att kontakta den med inert, platt substrat såsom ren safir. 29 Efter ytskydd, stänga ventiler till alla pumpar sedan införa ventilera gas som quicKLY som möjligt. Ta prov från systemet.

4. Prov Transport

  1. Avlägsna prov från sluss. Släpp prov från provhållaren, inklusive att ta bort folien barriär bitar om möjligt. Använda PTFE (eller Ti) pincett, flytta provet till transportören, hålla framsidan av provet skyddas, försöker hålla atmosfären exponering för mindre än 10 minuter.
  2. Montera locket över prov och löst montera en tryckprov transportör. Spola med ultrarent Ar under 1 minut. Inte evakuera systemet vid något tillfälle, eller ytskador kan uppstå. 29 Slutligen, så att provet förblir stabil i upp tätningsprovtransportör med ett litet positivt tryck (~ 50-100 mbar) i Ar till en månad.

5. Atomic Layer Deposition

  1. Se till ALD är i rätt beläggningstemperatur (100 ° C). Öka argontrycket i ALD kammaren tills atmosfärstryck har uppnåtts.
  2. Öppna ALD kammaren.
  3. Öppna prov transportör och snabbt överföra till ALD kammaren med hjälp av ett par av PTFE pincett greppa provet på kanten, stäng sedan ALD kammaren och rensa med hjälp av ett flöde av argon vid ett tryck av <2 × 10 -1 mbar under 1 timme till avgasa prov. Ställ en process för att utföra 80 upprepade cykler av ALD att växa 2,8 nm av amorf titanoxid.
    1. Med användning av en omodifierad kommersiell ALD systemet vid en provtemperatur av 100 till 150 ° C, med titantetraklorid (TiCl4) och vatten (H2O) som prekursorer utför avsättning med reaktanterna vid tryck av 0,3 mbar och 0,8 mbar, med pulstider 0,1 sek och 0,05 sek, respektive. 27
    2. Efter varje gaspuls, spola reaktorn med Ar under 60 sekunder vid 0,2 mbar för att säkerställa minimal bakgrund avsättning på grund av physisorbed reaktanter. För maskerna i detta arbete är 80 ALD cykler som används för att växa cirka 2,8 nm av amorf titanoxid vid 100 ° C.
    3. Sakta ventilera ALD kammare med Ar-gas och öppen. Upprepa steg 4,1 och 4,2 för provtransport.

    6. atomkraftsmikroskopi (AFM)

    1. Säkerställa korrekt kalibrering av AFM enligt tillverkarens protokoll. Öppna prov transportör och försiktigt bort provet med pincett.
    2. Efter avlägsnande från transportören, säkert installera provet i AFM med hjälp av en mekanisk montering metod såsom ett klämsystem om möjligt. Fokusera AFM kameran på provet, och lokalisera de referensmarkeringar på provytan för att anpassa AFM spets till mönster baserat på optisk mätteknik i steg 3.2.
    3. Se till att AFM inställningar kommer att visa både höjden och fasinformation och ställ in scanningsstorleken vara mellan 20 och 40 um bred. Engagera AFM spets på provet.
    4. Använda höjd och fas information högsta upplösningen, skanna tills lokaliseringsmönster regionen identifieras. Zooma in den mönstrade region och lokalisera den region där en bild önskas.
    5. Ta en bild av de önskade regionerna användning av den lämpliga bildkvalitet och upplösning (typiskt högsta möjliga). När alla önskade regioner har skannats lösgöra spetsen från provet. Lasta provet. Upprepa steg 4,1 och 4,2 för provtransport.

    7. reaktiv jonetsning

    1. Chill kapacitivt kopplade RIE reaktorn till -110 ° C, sedan ladda provet i dess intro kammare och pumpa ner till 7,5 x 10 -6 mbar.
      1. Stabilisera temperaturen i 3 min. Slå sedan gasen vidare med flödeshastigheter av O 2 vid 8 sccm (standardkubikcentimeter per minut), Ar vid 40 sccm, och SF 6 vid 20 sccm.
      2. Strike plasma med användning av en RF-urladdning 150 W, sedan ändra gasflödet att etsa under 1 min med användning av SF 6 vid 52 sccm och O 2 vid 8 sccm. Interaktion av dessa gaser med Si etsar med en hastighet av ca 20 nm / min. 30
      3. Pump vakuum till 7,5 x 10 -6 mbar. Vent RIE-system. Upprepa steg 4,1 och 4,2 för provtransport.

    8. Svepelektronmikroskopi (SEM)

    1. SEM Prov Montering och införandet av provet till systemet.
      1. Placera inte limprovet montera in ett bra läge för att underlätta provmontering.
      2. Öppna prov transportör och försiktigt bort provet med pincett för att ta provet i kanterna och säkert installera i SEM berget, sedan införa provenheten i SEM.
      3. Vent och öppen SEM kammare. Säkert installera provenheten på SEM provstadiet. Pumpa ner SEM kammare.
    2. Leta reda på referenserna.
      1. Ta förstoringen till lägsta möjliga värde. Välj accelererande aktuella inställningar spänning och balk som skulle ge bra upplösning. Börja med lägsta godtagbara inställningar. Gå upp vid behov.
      2. Slå på elektronstrålen. Ta den allmänna regionenav intresse för rekommenderad arbetsavstånd och eucentric höjd.
      3. Leta upp och fokusera på referenser som beskrivs i avsnitt 1.1. Justera arbetsavstånd som behövs. Optimera fokus, ljusstyrka och kontrast.
    3. Leta upp och bilden mönstren.
      1. I förhållande till referenserna, lokalisera mönster som bygger på optisk mätteknik i avsnitt 3.2 och AFM metrologi i avsnitt 6. För att minimera kolavsättning på mönster, optimera fokus med närliggande icke väsentliga funktioner. När optimerad, flytta till mönstren och förvärva förvaltnings visa bilder och mätningar.
      2. Om det behövs, luta provet för 3D-bilder och mönster höjdmätningar. För andra mönster, upprepa från 8,3 efter behov.
    4. Utför SEM-system stängning rutin och demontera prov / s, som föreskrivs av SEM tillverkaren. Säkra provet tillbaka till transportören.
    5. Upprepa steg 4.3 och 4.4 för transport och förvaring prov. Vid denna punkt, proverna är robusta och kanlagras på obestämd tid. Utför efter avbildning analyser vid behov.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

I de fall som beskrivs här, HDL utförs med hjälp av multi-mode litografi. 24 I FE-läget, utförs med 8 V prov bias, 1 nA, och 0,2 MC / cm (motsvarande 50 nm / sek topphastighet), flyttar spetsen över ytan antingen parallellt eller vinkelrätt till Si-gitter, som producerar linjer depassivation. Medan denna Lineshape är yttersta spetsen beroende, i fallet här, den helt depassivated delen av linjerna var approximativt 6 nm breda, med svansar av partiell depassivation sträcker annan 2 nm på vardera sidan av linjen. När mycket exakta mönster önskas, är AP-läge litografi utförs med hjälp av 4 V prov bias, 4 nA, och 4 MC / cm (motsvarande 10 nm / s spetshastighet). Omfattningen av AP-läge komponenten i varje mönster beror på bredden av de delvis depassivated mönster produceras med hjälp av FE-läge. Se figur 2 för exempel på STM bilder av mönster på Si (100) -H för de olika HDL lägena. Fig 2A visar en liten pattern produceras med hjälp av endast AP-läge HDL. Figur 2B är ett exempel på ett mönster skrivet med multi-mode litografi, där FE läge raderna var ca 6 nm bred, men var skrivet på en 10 nm planen, med cirka 2 nm av varje kant skrivet med AP-läge HDL. FE-läge delar i det inre av mönstret var skrivet på en delning av 10 nm, så det finns smala områden inom mönster där HDL var ofullständig. För stora, oprecisa mönster FE-läget kan användas ensam, som i figur 2C där en ca 1 pm 2 serp mönster var skrivet på en 20 nm stigning.

Figur 2
Figur 2. Representant HDL mönster. (A) STM bild av en HDL mönster skrivet med AP-läge litografi av 4V, 4 nA, och 4 MC / cm (10 nm / sek). (B) STM bild av en muLTI-mode HDL mönster skrivet med en kombination av AP-läge och FE-läge (8V, 1 nA, 0,2 MC / cm). FE läget linje planen valdes för att vara något större än den skriftliga linjebredden att förbättra synligheten av vektorerna som används i skrift. (C) FE-läge litografi av en stor lokaliserings SERP skrivet på en 20 nm stigning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

För att uppnå den bästa masken produktion med hjälp av atomiskt precisa HDL mönster måste en hög grad av selektivitet vara möjlig. Tidigare har ALD selektiviteten undersökts av XPS och andra metoder som jämför avsättning på omönstrad Si (100) -H och Si (100) SiO X ytor som analoger för de omönstrade och mönstrade områden, respektive. 27,31 Använda atomkrafts mikroskopi (AFM), observerar vi liknande resultat, såsom visas i fig 3

Figur 3
Figur 3. Selektivitet av avsättning. (A) Prov AFM bild som visar TiO 2 avsättning på mönstrade och bakgrundsområden. Beläggningen utfördes vid 100 ° C. (B) Deposition djup för olika antal cykler. Kryssen representerar höjd såsom mätt med AFM av tillväxten "på mönster" i förhållande till bakgrunden. De öppna cirklarna visar höjden mätt med AFM av de högsta bakgrund avsättning inom ett område med 200 nm x 200 nm nära en mönstrad yta. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Med tanke på att det är möjligt att deponera på HDL patterns, bör undersökning av gränserna för mönster funktioner undersökas. Även om det har redan visats att ALD producerar breddat mönster i förhållande till HDL mönster, och att de etsade strukturer är något krympt relativt maskerna, fortfarande något olöst effekten att mycket täta arrayer. Figur 4 visar HDL, titanoxid mask och etsade strukturer för en rad av kvadrater tillverkas med hjälp av FE-läge HDL linjer skrivna med en delning av 15 nm. I figur 4A, visar HDL mönstret två sökmotorer -on roteras 90 grader i förhållande till den andra skrivna med en 8 V spets-prov förspänning, 1 nA ström, och 0,2 mC / cm ^ dos (eller 50 nm / sek spetshastighet) . Det finns helt klart öppningar i mönstret av varierande storlek. Inom öppningarna själva har några HDL inträffat, men det är fortfarande låg i storleksordningen 20% H bort. Figur 4B visar en AFM bild av samma mönster efter mask nedfall. På grund av att tippa convolutionseffekter, öppningarna i mönstret är svåra att lösa. Emellertid är en klar beställning observerbar. Figur 4C är en SEM-bild av samma mönster efter RIE. Cirka 60% av de önskade öppningarna var faktiskt överförs till underlaget, vilket tyder på att detta mönster storlek och täthet är ungefär gränsen för effektiv nanostrukturer tillverkning med hjälp av FE-läge HDL.

Figur 4
Figur 4. Array öppningar. (A) STM av HDL med linjer skrivna med hjälp av FE-läge. Två ormliknande mönster, roteras med 90 grader i förhållande till varandra, är skrivna med en stigning på 10 nm. (B) AFM bild efter 2,8 nm ALD av TiO 2 i samma mönster. (C) SEM av "hål" array efter RIE att avlägsna 20 nm Si. Lägg märke till att vissa "hål" har misslyckats med att etsa.Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Utföra metrologi på nanostrukturer som beskrivs ovan kräver förmåga att överbrygga spetsen positionering under HDL och mönster plats med hjälp av andra verktyg såsom AFM och SEM. I motsats till andra välutvecklade mönstringsverktyg med hög upplösning lägeskodning, såsom e-strålelitografi, har HDL utförs här utförs med en STM utan välkontrollerad grov positionering, så extra positionsidentifieringsprotokoll användes, såsom visas i figur 3 . Först en lång brännvidd mikroskop placerad utanför UHV systemet ca 20 cm från spetsen prov korsning. Provet är mönstrad med en fyrkantig rutnät av 10 | im breda linjer, en im djupa, på ett avstånd av 500 ^ m för att underlätta identifiering av spetsen läge på ytan.

Figur 5
Figur 5. Mönster plats bilder av samp le. (A) Optisk bild av STM spets (vänster) och dess reflektion (till höger) i Si (100) ytan på en yta av provet med 500 pm planen linjemönster. Linjerna är 1 pm djup och 10 mikrometer breda före UHV behandling. Hjälplinjer är inkluderade för att visa linjeriktningar. (B) Närbild, de-skev optisk bild av spetsen (nere till vänster) och dess reflektion (uppe till höger). Den center läge mellan spetsen och dess reflektion identifieras inom 500 | im x 500 ^ m referenspunkternas kvadrat C:. Närbild på mönstrings läge med en fläck 50 | im ingår för skal D:. 5 ^ m x 5 | am AFM bild av en hel mönstrade området efter ALD E:.. 1 pm x 1 pm SEM-bild av en av de positionerings mönster efter RIE Klicka här för att se en större version av denna siffra.

e_content "> Det första steget för att lokalisera nanostrukturer är att identifiera spets plats på ytan, 32,33 som sker i detta fall med hjälp av en lång arbetsavstånd mikroskop. Figur 5A visar en optisk bild av spetsen vid ingrepp med provet, med streckade linjer tillagda för att styra läsaren för riktningarna för de referensnätet. För att lokalisera spetsen / prov korsningen den optiska bilden är unskewed att göra en kvadratisk galler, såsom visas i fig 5B, även om det finns fel i högtemperaturbehandling av proverna på grund av betydande yta atom migration. Detta minskar djupet och synlighet av referensnätet som avbildas här, vilket ökar osäkerheten i spetsen position. 32 Även om det har visat sig tidigare att hög temperatur urval bearbetning kommer att leda till betydande atomnivå yta återuppbyggnad, rutnät planen används här är stor nog att ha liten effekt på ytan återuppbyggnaden i mitten av kvmuared definieras av gallret. 34 emellertid nära kanterna av de mönstrade områdena, steg veckar inträffar med asymmetri som beror på riktningen av strömflödet under provberedning. 34 Eftersom optisk avbildning utförs vid en sned vinkel i förhållande till ytan , små förändringar i höjd på ena sidan av ett dike i förhållande till den andra kommer att framkalla ytterligare osäkerhet mönster plats särskilt jämfört med planen-view avbildning som i AFM eller normal SEM. Efter spetsen greppar provet, 10 um fokus punktstorlek av mikroskopet i kombination med de ~ Efterbehandling referenslinjebredd resultat 20 pm i en ungefärlig osäkerhet i mönsterpositionen identifiering av ± 27 nm. Detta definierar sökfönstret för att använda olika tekniker för mönsteridentifiering.

För att underlätta placeringen av de mindre 10-100 nm funktioner, är ytterligare stora SERPS tillsatt nära nanomönster, ettS som visas i figur 5B. Dessa 800 nm x 800 nm sökmotorer är skrivna med hjälp av FE-läge HDL med vertikala linjer och luckor av 15 nm vardera. Genom att anpassa AFM snabba scanningsriktningen att vara vinkelrät mot SERP linjer (dvs horisontell skanning), dessa mönster tenderar att visa en hög kontrast i AFM fasbilden grund av den höga rumsliga frekvensen av topografin, vilket ytterligare underlättar mönster plats. När dessa mönster upptäcks, blir det mycket lättare att hitta de mindre nanoskala mönster som är placerade med cirka 100 nm noggrannhet relativt de stora mönster.

För detta nanostruktur tillverkningsprocessen, provet genomgår atmosfärisk exponering mellan varje större processteg när HDL har utförts, såsom visas schematiskt i figur 1. Mot bakgrund av detta måste det säkerställas att provet inte bryts ned vid någon punkt i hanteringen. Som framgått ovan, finns en begränsad mängd bakgrundsavsättnings dnder ALD, som antas utsäde på bakgrunds defekta. 31 Således, felaktig hantering exempelvis utökad atmosfär exponering kan öka antalet bakgrundsdefekter och minska den skenbara ALD selektivitet. En mekanism ytterligare nedbrytning av ytan kan uppstå under luftning av provet från UHV lastslussens till atmosfäriska förhållanden. 29 För att mildra detta problem, en fjäderbelastad safir chip som monterades på ett linjärt ställdon i UHV gör kontakt med 125 um tjock prov monteringsfolie som kommer i kontakt med prov för att förhindra nedbrytning av ytan. När provet är vid atmosfäriska förhållanden, förblir hastigheten av dinglande bindning ackumulation låg (dvs <0,1% / h) under åtminstone flera timmar, så länge som provet införes i en stabil miljö, såsom ultrarent Ar inom mindre än 1 timme, bör ytterligare bakgrunds avsättning på grund av ytskador förbli låg. Vid denna punkt, bör det noteras att urvalet inte bör vara svakas i vakuum, eftersom det kräver en extra vent / pump ner cykeln, lägga till möjligheten att ytskador. Den här gången mellan HDL och ALD är den punkt där provet är mest känslig eftersom etsmasken har ännu inte tillämpats. Efter ALD, behöver provet fortfarande skydd, men bara för att förhindra ytterligare mask tillväxt på grund av kiseldioxid bildning, en förhållandevis långsam process.

I de mönster som visas i fig 4, HDL avlägsnas> 80% av bakgrunds H i centrum av mönstren, med en rumslig roll-off i effektiviteten i depassivation som kanten av linjen har nåtts. 24 Med tanke på de gränser som mycket begränsad ALD på bakgrunden och inkubation fri tillväxt på helt depassivated mönster (Figur 3), kanter FE mode mönster där det finns en övergång från full effekt HDL och ingen HDL, visar en övergång av effektiviteten hos ALD mask tillväxt. Nedan 70% H avlägsnande underHDL är där denna övergång börjar uppträda, vilket indikerar en ungefärlig region i ~ 2 nm på varje sida av en FE läge linje där partiell maskering avsättning sker. 35 Dessutom förekommer ALD tillväxt i en "svamp" sätt, vilket ytterligare 36 bredda masken relativt till HDL mönster så att en mask av 2,8 nm breddar alla maskfunktioner med motsvarande belopp. För att sammanfatta, ALD linjebredd kan uttryckas som W m = W satt + f (ÖH) + M där W m är den totala bredden, W satt är bredden av den rad där HDL har mättad för att avlägsna> 70% av den yta H, F (S ^) är den ytterligare bredd till följd av tillväxten vid varje punkt på grund av att densiteten hos H finns kvar på ytan, och M är den ytterligare linjebredden på grund av den snabba framväxten av tillväxten. ÖH beror på den rumsliga avstånd från den mättade kantenav HDL mönster, så f (AH) blir f (r) eftersom det finns rumslig beroende av HDL. Av dessa termer, W satt spelar en central roll i den totala linjebredden, och övriga villkor bestämma graden av roll-off of the line kanterna.

Med den ultimata nanostrukturer tillverkning, ALD masken inte ensam bestämma den totala systemdimensionen. Istället mönsterstorleken beror på graden av erosion av substratet under masken. Den totala etsade linjebredden är uttryckt som W t = W m - W e = W satt + f (r) + M - W e, där W e indikerar en erosion linjebredd, eller storleksminskning mönster på grund av etsningsprocessen. Detta beror på, bland annat, tjockleken och kvaliteten på etsningsmasken såsom beskrivits ovan för Wm. Feller ett fall där linjebredden kräver helt enkelt att avlägsna masken före etsning inträffar, W e sikt är noll, men det konstateras att det finns en ändring av funktionen storlek efter etsning i förhållande till masken form, vilket tyder på att mer komplicerade dynamik på lek.

Av de faktorer som bestämmer linjebreddbegränsningar, satt W kan reduceras till en minsta bredd på ~ 4 nm innan tillväxten upphör uppträder på samma sätt som bulk ALD. 35 Av de andra elementen svamp tillväxteffekten, M (och som en följd W m) endast kan minskas om den totala filmtjockleken reduceras, korrelerar med den totala nanostrukturer höjden efter etsning. Linjen utvidgningseffekt på grund av den rumsligt beroende av densiteten hos H finns kvar på ytan, f (ÖH), kan minskas till nästan noll genom att använda multi-mode HDL som producerar HDL-linje kanter med försumbar line kant roll-off. 24 För att visa effekten av denna minskning i f (AH), Figur 6 visar ett mönster rad av kvadrater som producerats med hjälp av multi-mode HDL. Uppsättningen innehåller mönster med HDL linjebredder av 7 nm, 14 nm, och 21 nm från topp till botten, och inre HDL öppningsstorlekar av 7 nm, 14 nm, och 21 nm från vänster till höger. Även om det finns en liten förskjutning av multi-mode HDL i den nedersta raden, längs den översta raden registreringen är exakt <1 nm. Efter RIE, raderna förblir huvudsakligen intakt till bredder av 5 nm med två små defekter, och öppningarna mellan linjerna är upplösbara för samtliga mönster med de 7 nm hålen knappt upplösbara använder detta metrologi verktyg.

Figur 6
Figur 6. Linjebredd och holewidth testet. (A) STM av HDL lådor skrivna med multi-mode HDL. Den linewidth rader är 21 nm, 14 nm och 7 nm från botten till toppen, respektive, och holewidth av kolumnerna är 7 nm, 14 nm och 21 nm från vänster till höger resp. (B) SEM av samma mönster efter ALD och RIE. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

De yttersta gränserna för denna process beror på selektiviteten hos ALD processen, kvaliteten på HDL, motståndet hos masken till etsning, och den önskade funktionen formar själva. Metoder för att förbättra selektivitet baserad på kemi och bakgrund defekt begränsning har redan tagits upp ovan. Det har tidigare visats att lämna H defekter i de mönstrade områdena minskar kvaliteten på masktillväxt, och därmed motståndet mot etsning. 35 Även avsaknaden av noggrann kontroll över de mönstrade linjer kanter resulterar i en mask "roll-off", eller driven thinning av masken längs kanterna av mönster som fungerar som en närhetseffekt förhindrar nära placering av mönster. Lyckligtvis selektivitet etsningsprocessen beror på masken tjocklek, så för falsk avsättning på bakgrunden eller defekter längs kanterna av mönster nettoeffekten är liten. Dessutom, för strukturer som är kortare än 20 nm, tunnare maskeringslager kommer sannolikt att vara möjligt. Eftersom ALD tillväxt sker i en svamp sätt kommer tunnare masker tack vare kortare strukturer resultera i ännu bättre sidreglering och mindre funktioner än de som visats här. Medan den ultimata minskningar funktionen storlek inte är kända för denna process, är sannolikt säkert några nedskalning.

Även SEM mätteknik lämnar osäkerhet om funktionen storlek och placering, det första metrologiska steg som beskrivs i den övre delen av figur 1 ger atomär precision med avseende på HDL-mönster som skrivs. Eftersom Si (100) -H yta består av en very regelbundet gitter, och eftersom STM kan användas på ett icke-förstörande bildläget, HDL mönster kan avbildas utan att inducera ytterligare skador yta eller ytterligare mönstring, i motsats till andra tekniker såsom e-strålelitografi. Med atomskala avbildning av invariant Si (100) gitter, eliminerar STM metrologi den största delen av positionerings osäkerhet relaterad till AFM och SEM metrologi steg. I fig 6B rutan arrayen verkar vara sned, till exempel. Med den höga upplösningen metrologi av STM ger atomär precision av särdrags positioner inom arrayen, kan den skenbara skev bekräftas bero på SEM avbildningsartefakter. Dessutom, med mycket exakt kända avstånden mellan array funktioner, är en ytterligare kalibrerings osäkerhet med avseende på linjebredder i SEM-bilder elimineras.

Detta manuskript beskriver ett nanofabrikation metod som utnyttjar atom precision sveptunnelmikroskopbaserad väte depassivation litografi (HDL). HDL producerar kemiskt reaktiva mönster på en Si (100) -H yta där atomlager avsättning av titanoxid ger en lokaliserad etsmask med en lateral dimension visade ned till under 10 nm. Reaktiv jonetsning överför sedan HDL mönster i underlaget, vilket gör 17 nm höga mönster med hög precision sidreglering. För att uppnå dessa resultat måste proverna skyddas under ventilering och överföring mellan instrument. Med noggrann kontroll av provhantering, kan nanostrukturer med spårbarhet till atomväven tillverkas med atomlägesprecision och ~ 1 nm storlek precision.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av ett kontrakt från DARPA (N66001-08-C-2040) och genom ett bidrag från Emerging Technology Fund i delstaten Texas. Författarna vill tacka för Jiyoung Kim, Greg Mordi, Angela Azcatl och Tom Scharf för deras bidrag i samband med selektiv atomlager nedfall, liksom Wallace Martin och Gordon Pollock för ex situ urval bearbetning.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Si Wafer VA Semiconductor P type (Boron) Si<100> ± 2 degrees, 280 mm ± 25 mm thick, 0.01-0.02 ohm-cm
Ta foil Alfa Aesar 335 0.025 mm (0.001 in) thick, 99.997% (metals basis)
Methanol Alfa Aesar 19393 Semiconductor Grade, 99.9%
2-Propanol Alfa Aesar 19397 Semiconductor Grade, 99.5%
Acetone Alfa Aesar 19392 Semiconductor Grade, 99.5%
Argon Praxair Ultra high purity (grade 5.0)
Deionized water Millipore Milli-Q Water Purification System >18 MW resistance water produced on demand.
TiCl4 Sigma Aldrigh 254312 ≥99.995% trace metals basis
O2 Matheson G2182101 Research Grade
SF6 Matheson G2658922 Ultra high purity (grade 4.7)
Blue Medium Tack Roll Semiconductor Equipment Corporation 18074 Thickness 75 μm / 0.003”  Length 200 M / 660’ 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Yoffe, A. D. Low-dimensional systems: quantum size effects and electronic properties of semiconductor microcrystallites (zero-dimensional systems) and some quasi-two-dimensional systems. Adv. in Phy. 42 (2), 173-262 (1993).
  2. Alivisatos, A. P. Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots. Science. 271 (5251), 933-937 (1996).
  3. Craighead, H. G. Nanoelectromechanical Systems. Science. 290 (5496), 1532-1535 (2000).
  4. Dai, M. D., Kim, C. -W., Eom, K. Finite size effect on nanomechanical mass detection: the role of surface elasticity. Nanotechnology. 22 (26), 265502 (2011).
  5. Personick, M., Mirkin, C. Making sense of the mayhem behind shape control in the synthesis of gold nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 135 (C), 18238-18247 (2013).
  6. Rothemund, P. W. K., Ekani-Nkodo, A., et al. Design and Characterization of Programmable DNA. Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 26, 16344-16353 (2004).
  7. Hersam, M. C., Guisinger, N. P., Lyding, J. W. Silicon-based molecular nanotechnology. Nanotechnology. 11 (2), 70-76 (2000).
  8. Eigler, D. M., Schweizer, E. K. Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope. Nature. 344, 524-526 (1990).
  9. Heinrich, A. J., Lutz, C. P., Gupta, J. A., Eigler, D. M. Molecular cascades. Science. 298, 1381-1387 (2002).
  10. Crommie, M. F., Lutz, C. P., Eigler, D. M. Confinement of Electrons to Quantum Corrals on a Metal Surface. Science. 262 (5131), 218-220 (1993).
  11. Shen, T. -C., Wang, C., et al. Atomic-Scale Desorption Through Electronic and Vibrational Excitation Mechanisms. Science. 268, 1590-1592 (1995).
  12. Randall, J. N., Lyding, J. W., et al. Atomic precision lithography on Si. J. Vac. Sci. Tech. B. 27 (6), 2764-2768 (2009).
  13. Tong, X., Wolkow, R. A. Electron-induced H atom desorption patterns created with a scanning tunneling microscope: Implications for controlled atomic-scale patterning on H-Si(100). Surf. Sci. 600 (16), L199-L203 (2006).
  14. Hitosugi, T., Hashizume, T., et al. Scanning Tunneling Spectroscopy of Dangling-Bond Wires Fabricated on the Si(100)-2x1-H Surface. Jap. J. App. Phys, Pt 2 2. 36 (3B), L361-L364 (1997).
  15. Bird, C. F., Fisher, A. J., Bowler, D. R. Soliton effects in dangling-bond wires on Si(001). Phys. Rev B. 68, 115318 (2003).
  16. Wolkow, R. A., Livadaru, L., et al. Beyond-CMOS Electronics. , Available from: http://arxiv.org/abs/1310.4148 1-28 (2013).
  17. Lyding, J. W., Shen, T. -C., Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2×1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope. App. Phys. Lett. 64 (15), 2010-2012 (1994).
  18. Lyding, J. W., Shen, T. -C., Abeln, G. C., Wang, C., Tucker, J. R. Nanoscale patterning and selective chemistry of silicon surfaces by ultrahigh-vacuum scanning tunneling microscopy. Nanotechnology. 7, 128-133 (1996).
  19. Owen, J. H. G., Ballard, J., Randall, J. N., Alexander, J., Von Ehr, J. R. Patterned Atomic Layer Epitaxy of Si / Si(001):H. J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (6), 06F201 (2011).
  20. Goh, K. E. J., Chen, S., Xu, H., Ballard, J., Randall, J. N., Ehr, J. R. Von Using patterned H-resist for controlled three-dimensional growth of nanostructures. App. Phys. Lett. 98 (16), 163102 (2011).
  21. Ye, W., Peña Martin, P. Direct writing of sub-5 nm hafnium diboride metallic nanostructures. ACS Nano. 4 (11), 6818-6824 (2010).
  22. Brien, J. L., Schofield, S. R., et al. Scanning tunnelling microscope fabrication of arrays of phosphorus atom qubits for a silicon quantum computer. Smart. 11 (5), 741-748 (2002).
  23. Van Oven, J. C., Berwald, F., Berggren, K. K., Kruit, P., Hagen, C. W. Electron-beam-induced deposition of 3-nm-half-pitch patterns on bulk Si. J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (6), 06F305 (2011).
  24. Ballard, J. B., Sisson, T. W., et al. Multimode hydrogen depassivation lithography: A method for optimizing atomically precise write times. J. Vac. Sci. Tech. B. 31 (6), 06FC01 (2013).
  25. Randall, J. N., Ballard, J. B., et al. Atomic precision patterning on Si: An opportunity for a digitized process. Microelec. Eng. 87 (5-8), 955-958 (2010).
  26. Perrine, K. A., Teplyakov, A. V. Reactivity of selectively terminated single crystal silicon surfaces. Chem. Soc. Rev. 39 (8), 3256-3274 (2010).
  27. McDonnell, S., Longo, R. C., et al. Controlling the Atomic Layer Deposition of Titanium Dioxide on Silicon: Dependence on Surface Termination. The J. Phys. Chem. C. 117 (39), 20250-20259 (2013).
  28. Kane, D. F. Plasma cleaning of metal surfaces. J. Vac. Sci. Tech. 11 (3), 567 (1974).
  29. Hersam, M. C., Guisinger, N. P., Lyding, J. W., Thompson, D. S., Moore, J. S. Atomic-level study of the robustness of the Si(100)-2×1:H surface following exposure to ambient conditions. App. Phys. Lett. 78 (7), 886-888 (2001).
  30. Agostino, R., Flamm, D. L. Plasma etching of Si and SiO2 in SF6–O2 mixtures. J. App. Phys. 52 (1), 162 (1981).
  31. Longo, R. C., McDonnell, S., et al. Selectivity of metal oxide atomic layer deposition on hydrogen terminated and oxidized Si(001)-(2×1) surface. J. Vac. Sci Tech. B. 32 (3), 03D112 (2014).
  32. Ruess, F. J., Oberbeck, L., et al. The use of etched registration markers to make four-terminal electrical contacts to STM-patterned nanostructures. Nanotechnology. 16 (10), 2446-2449 (2005).
  33. Ruess, F. J., Pok, W., et al. Realization of Atomically Controlled Dopant Devices in Silicon. Small. 3 (4), 563-567 (2007).
  34. Li, K., Namboodiri, P., et al. Controlled formation of atomic step morphology on micropatterned Si (100). J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (4), 041806 (2011).
  35. Ballard, J. B., Owen, J. H. G., et al. Pattern transfer of hydrogen depassivation lithography patterns into silicon with atomically traceable placement and size control. Journal of Vacuum Science and Technology B. 32 (4), 041804 (2014).
  36. Gusev, E. P., Cabral, C. Jr, Copel, M., D’Emic, C., Gribelyuk, M. U ltrathin HfO 2 films grown on silicon by atomic layer deposition for advanced gate dielectrics applications. Microelectronic Engineering. 69, 145-151 (2003).

Tags

Engineering nanolitografi sveptunnelmikroskopi Atomic Layer Deposition reaktiv jonetsning
Atomically Spårbar nanostruktur Fabrication
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ballard, J. B., Dick, D. D.,… More

Ballard, J. B., Dick, D. D., McDonnell, S. J., Bischof, M., Fu, J., Owen, J. H. G., Owen, W. R., Alexander, J. D., Jaeger, D. L., Namboodiri, P., Fuchs, E., Chabal, Y. J., Wallace, R. M., Reidy, R., Silver, R. M., Randall, J. N., Von Ehr, J. Atomically Traceable Nanostructure Fabrication. J. Vis. Exp. (101), e52900, doi:10.3791/52900 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter