يمكن عزوها بالذرة البنية النانوية تلفيق

الهدف العام من التجربة التالية هو تصنيع هياكل نانوية من السيليكون ذات إمكانية تتبع تعود إلى الشبكة الذرية، وذلك باستخدام نمو قناع حفر من أكسيد المعدن المباشر والحفر بالأيونات التفاعلية. تتضمن الدقة النهائية لهذا الإجراء إزالة مناطق دقيقة من طبقة تخميل الهيدروجين على شريحة سيليكون باستخدام طرف مجهر المسح النفقي، وفي خطوة ثانية، يتم تعريض السطح المخطط لعملية ترسيب الطبقة الذرية التي ترسب ثاني أكسيد التيتانيوم بشكل انتقائي ليعمل كقناع ضد الحفر بالأيونات التفاعلية. بعد ذلك، يتم إجراء الحفر بالأيونات التفاعلية لإزالة السيليكون من السطح في جميع المناطق باستثناء تلك التي تم تخطيطها مسبقاً.

تظهر النتائج القدرة على تصنيع هياكل يصل ارتفاعها إلى 20 nanometer بأبعاد حرجة تقل كثيراً عن 10 nanometers. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق التقليدية مثل الليثوغرافيا الشعاعية الإلكترونية (e-beam) أو الليثوغرافيا الضوئية، في أن خطوات القياس الأولية في مجهر المسح النفقي (STM) توفر معلومات على المقياس الذري. ويمكن لهذه الطريقة أن تساعد في الإجابة على أسئلة جوهرية في تكنولوجيا النانو، مثل: ما هي التفاعلات الدقيقة بين البنى النانوية الموضوعة في مواقع محددة بدقة شديدة بالنسبة لبعضها البعض؟

بشكل عام، سيواجه الأشخاص الجدد في هذه الطريقة صعوبات نظرًا لوجود العديد من الخطوات والفرص التي قد تؤدي إلى تلف العينة. لذا، فكرنا في هذه الطريقة لأول مرة عندما كنا نحاول زيادة سمك أقنعة النقش من ثاني أكسيد السيليكون، والتي كنا نكتبها على السيليكون باستخدام مسبار AFM ومسبار STM في جو مؤكسد. وبدلاً من ذلك، ومن خلال دمج ليثوغرافيا الهيدروجين مع ترسيب الطبقة الذرية، تمكنا من الحصول على تحكم مساحي مماثل مع اكتساب درجة أكبر من الحرية في اتجاه النمو.

يعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمراً بالغ الأهمية لأن خطوات النقل وتحديد موقع النمط يصعب تعلمها، نظراً لأن على كل فرد تنفيذ خطواته الخاصة بشكل صحيح والقدرة على فهم تعليمات تحديد الموقع. للبدء، قم بتحضير وتركيب شريحة سيليكون 1 0 0 تحتوي على علامات مرجعية في حامل العينات الخاص بالمجهر النفقي الماسح، وقم بإجراء دورة وميض وعملية خمول كما هو موضح في البروتوكول النصي المصاحب. بعد ذلك، انقل العينة إلى المجهر النفقي الماسح واجعل العينة والرأس في نطاق النفق.

استخدم كاميرا بقوة تحليل أعلى من حجم بقعة 20 micron لالتقاط صورة بصرية عالية الدقة لوصلة العينة والسن، ثم قم بإزالة الانحراف (des skew) وتغيير حجم الصورة البصرية بحيث تمثل إعادة إنتاج غير مشوهة لعلامات الإسناد مع تحديد موقع السن المرصود. بعد ذلك، صمم أنماط HDL المراد إنتاجها، بما في ذلك كل من الأنماط التجريبية وأنماط التعريف المتعرجة. قم بتجزئة الأنماط الكلية إلى أشكال أساسية من أجل تحديد المتجهات الأساسية التي سيتتبعها السن.

عند تطبيق ظروف الـ HDL في نمط AP ونمط FE، استخدم معلومات الشبكة من سطح السيليكون. ولتحديد المسار النهائي للسن، استخدم الـ HDL بدقة ذرية، والمعروف أيضاً باسم ليثوغرافيا نمط AP للمساحات الصغيرة أو تلك المساحات التي تتطلب حوافاً ذات دقة ذرية باستخدام المخرجات الشعاعية من الخطوة السابقة. قم بإجراء الـ HDL باستخدام ليثوغرافيا نمط الانبعاث الميداني للمساحات الكبيرة بجهد انحياز للعينة يتراوح بين سبعة إلى تسعة فولتات، وتيار قدره 1 nano amp و 0.2 milli klos per centimeter.

بعد ذلك، قم بإجراء قياسات باستخدام المجهر النفقي الماسح على المناطق المنقوشة بـ HDL المطلوبة عن طريق التصوير بجهد انحياز للعينة قدره 2.25- فولت وتيار نفقي قدره 0.2 نانو أمبير. ثم افصل السن عن العينة وأعد العينة إلى غرفة القفل التحميلي. قم بحماية العينة عن طريق ملامستها لركيزة مسطحة خاملة مثل الياقوت النظيف، وبمجرد حمايتها، أغلق الصمامات المؤدية إلى أي مضخات، ثم أدخل غاز النيتروجين إلى الغرفة بأسرع ما يمكن.

عند تفريغ الغرفة من الهواء، قم بإزالة العينة من النظام. انظر هنا لقطة مقربة لمجموعة حماية العينة باستخدام ملاقط من البولي تيترافلورو إيثيلين أو التيتانيوم. انقل العينة بسرعة إلى الناقل، مع الحفاظ على حماية الجانب الأمامي للعينة.

ثبّت الغطاء فوق العينة وقم بتجميع ناقل العينة المضغوط بشكل غير محكم. قم بتطهير الناقل باستخدام غاز الأرجون فائق النقاء لمدة دقيقة واحدة، ثم أغلق ناقل العينة مع الحفاظ على ضغط موجب بسيط من غاز الأرجون. نفذ هذه الخطوات لحماية العينة بين كل مرحلة من مراحل العملية في هذه الحالة.

ستظل العينة مستقرة لمدة تصل إلى شهر واحد. قم بتسخين غرفة الترسيب بالطبقات الذرية مسبقاً إلى 100 درجة مئوية. بعد ذلك، افتح ناقل العينة واستخدم ملاقط من الفولاذ المقاوم للصدأ لنقل العينة بسرعة إلى غرفة الترسيب.

قم بتدوين موضع واتجاه شريحة العينة وشريحة التحكم. أغلق الغرفة وقم بتطهيرها باستخدام تدفق من الأرجون وضغط أقل من 0.2 millibars لمدة ساعة واحدة. بعد ذلك، قم بإجراء 80 دورة متكررة من ترسيب الطبقات الذرية لنمو طبقة من التيتانيا غير المتبلورة بسمك 2.8 nanometer على العينة، وذلك باستخدام الوصفة الموضحة في البروتوكول النصي المرفق.

بمجرد الاكتمال، انقل العينة بسرعة مرة أخرى إلى الناقل وقم بالتطهير باستخدام Argonne. بعد إخراج العينة من الناقل بأمان، قم بتثبيتها في نظام A FM باستخدام طريقة تثبيت ميكانيكية مثل نظام التثبيت بالمشابك أو قطعة التثبيت بالتفريغ. وجه كاميرا A FM نحو العينة وحدد علامات الإسناد الموجودة على سطح العينة لمحاذاة طرف A FM مع المنطقة التي يُتوقع وجود الأنماط النانوية فيها.

باستخدام معلومات الارتفاع والطور عند أعلى دقة، قم بمسح العينة حتى يتم تحديد مناطق نمط التحديد. بعد ذلك، التقط صورة للمناطق المطلوبة باستخدام أعلى جودة صورة ودقة متاحة. وبمجرد تصوير المنطقة المستهدفة، قم بإزالة العينة وإعادتها إلى الناقل تحت غاز argon.

أثناء التحضير لعملية النقش بالأيونات التفاعلية، قم بتبريد مفاعل النقش بالأيونات التفاعلية المقترن سعويًا إلى -110 °C. بعد ذلك، أخرج العينة من الناقل وقم بتحميل العينة وأي شرائح تحكم في غرفة الحث الخاصة بها. باستخدام معجون موصل، قم بتفريغ الغرفة حتى يصل الضغط إلى 7.5 × 10⁻⁶ millibars.

قم بتثبيت النظام لمدة ثلاث دقائق، ثم قم بتدفق الأكسجين بمعدل 8 standard cubic centimeters per minute. والأرجون بمعدل 40 standard cubic centimeters per minute، وسداسي فلوريد الكبريت بمعدل 20 standard cubic centimeters per minute. قم بتوليد البلازما باستخدام تفريغ تردد راديوي (RF discharge) بقدرة 150 watt.

بعد ذلك، قم بتعديل تدفق الغاز والحت لمدة دقيقة واحدة باستخدام معدلات تدفق تبلغ 52 standard cubic centimeters per minute لسداسي فلوريد الكبريت، و8 standards cubic centimeters per minute للأكسجين، وذلك بعد عملية الحت بالأيونات التفاعلية. ضع العينة مرة أخرى في الناقل تحت غاز الأرجون. افتح ناقل العينات وقم بتثبيت العينة، حامل SEM، بشكل آمن.

بعد ذلك، أدخل تجميعة العينة في المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وقم بتفريغ الغرفة، ثم حدد موقع علامات الإسناد (fiducial markers) وقم بضبط التركيز عليها. اضبط مسافة التشغيل حسب الضرورة وقم بتحسين التركيز والسطوع والتباين لتقليل ترسب الكربون على الأنماط. قم بتحسين التركيز باستخدام المعالم غير الأساسية المجاورة.

بمجرد تحسين الإعدادات، حدد موقع النمط التقريبي على العينة. ثم انتقل إلى الأنماط واجمع صور العرض العلوي والقياسات. بعد ذلك، قم بإجراء روتين إغلاق نظام SEM المعتاد وقم بفك العينة وفقاً لتعليمات الشركة المصنعة لجهاز SEM.

قم بتثبيت العينة مرة أخرى داخل الناقل تحت غاز argon. في هذه المرحلة، تكون العينات مستقرة ويمكن تخزينها لفترة زمنية غير محددة. تظهر هنا صور تمثيلية مأخوذة بواسطة المجهر النفقي الماسح لأنماط HDL التي تم إنشاؤها باستخدام وضع AP فقط.

مزيج من وضعي الضغط المطبق (AP) والانبعاث المجالي، حيث استُخدم وضع AP لكتابة كل حافة، بينما استُخدم وضع الانبعاث المجالي بمفرده لتحقيق أفضل إنتاج للقناع. وباستخدام أنماط AP HDL، يجب أن يكون من الممكن تحقيق درجة عالية من الانتقائية باستخدام مجهر القوة الذرية. وقد تمت مقارنة ارتفاع أكسيد التيتانيوم المترسب على مناطق الأنماط مع الترسيب على مناطق الخلفية.

أظهرت هذه العينة فترة حضانة بلغت حوالي 20 دورة لأطول نمو خلفي. هنا، تم رسم نمطين متعرجين بمسافة فاصلة قدرها 10 nanometers باستخدام وضع FE لتقنية HDL. ومن خلال تدوير الأنماط بزاوية 90 درجة بالنسبة لبعضها البعض، يتم إنشاء شبكة.

يظهر هذا النمط نفسه هنا باستخدام وضع الـ FM بعد ترسيب قناع مكون من 2.8 nanometers من أكسيد التيتانيوم. وبسبب تأثيرات التواء السن (tip convolution effects)، يصعب تمييز الفتحات الموجودة في النمط. وبعد إجراء النقش بالأيونات التفاعلية (reactive ion etching)، تم نقل ما يقرب من 60% من الفتحات المطلوبة إلى الركيزة، مما يشير إلى أن حجم وكثافة هذا النمط يمثلان تقريبًا الحد الأقصى لتصنيع البنى النانوية الفعالة باستخدام وضع FE في تقنية HDL بمجرد إتقانها.

يمكن تنفيذ هذه التقنية في غضون ثلاثة أيام تقريبًا إذا تم تنفيذها بشكل صحيح، حيث يتم تخصيص معظم الوقت لتحضير العينات في فراغ فائق والنقل بين المواقع إذا لزم الأمر. وأثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم الحفاظ على نظافة العينات وحماية الخلفية بعد هذا الإجراء. ويمكن استخدام تقنيات أخرى مثل الطباعة النانوية لزيادة قدرات إنتاج التصنيع النانوي لهذه التقنية.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون لديك معرفة جيدة بكيفية التعامل بعناية مع العينات لتصنيع هياكل مفردة على مقياس النانومتر. يجب دائماً اتخاذ الاحتياطات، مثل تخفيف الغاز، عند تنفيذ هذه العملية؛ وإلا فقد يحدث تلف لأنظمة الضخ LD.