原子纳米结构可追溯制造

Summary

我们报道了一种将用于表面图案化的扫描隧道显微镜的原子计量与选择性原子层沉积和反应离子蚀刻相结合的方案。使用涉及大量大气暴露和传输的稳健工艺，制造了具有原子计量学的 3D 纳米结构。

Abstract

将刻蚀纳米结构的规模缩小到 10 nm 范围以下，最终需要对所使用的整个制造过程有原子级的理解，以保持对特征尺寸和特征密度的精细控制。在这里，我们展示了一种从初始模板定义到最终纳米结构计量跟踪原子分辨和控制结构的方法，为纳米制造的自上而下的原子控制开辟了一条途径。氢去钝化光刻是纳米级制造工艺的第一步，随后选择性原子层沉积高达 2.8 nm 的二氧化钛，以制造纳米级刻蚀掩模。显示了与背景的对比，表明在所需图案和 H 钝化背景上的生长机制不同。然后使用反应离子刻蚀将图案转移到块体中，形成 20 nm 高的纳米结构，线宽低至 ~6 nm。为了说明此过程的局限性，制造了一系列孔和线。各种纳米制造工艺步骤在不同的位置进行，因此讨论了工艺集成。讨论了相关问题，包括使用基准标记在宏观样品上查找纳米结构，以及保护化学反应性图案化 Si（100）-H 表面免受大气暴露引起的降解。

Introduction

由于纳米技术变得在各种各样领域，认识结构更重要形成增益重要性，特别是在光刻和电子领域。强调计量的重要性在纳米尺度，特别在低于10纳米尺度，但是应当指出，在仅1纳米的特征尺寸的变化表示的分数变化至少10％。该变型可以具有对器件的性能和材料性质显著影响^{1,2 - 。4}使用合成方法，非常精确地形成单独的特征，例如量子点或其它复杂分子可被制造^，2,5,6-但通常缺乏相同精度在功能布局和方向，尽管为了提高大小和位置的控制工作。本文阐述的用于制造纳米结构邻近的原子尺寸精度和特征放置原子精度，以及一种方法在功能布局原子计量。使用扫描隧道显微镜（STM）的诱导氢取消钝化光刻（HDL）的原子精度，以原子精确图案与化学敏感的对比度形成在一个表面上。选择性原子层沉积（ALD），然后施加一个硬质的氧化物材料中的图案化的区域，用反应离子蚀刻（RIE）最终转印图案到散装物料，如在图1示意性示出。与标准相结合的高度精确的HDL过程ALD和RIE处理的结果以灵活的方法，以产生纳米结构上以任意形状和定位的表面。

图1.原发....

Protocol

1. 前原位样品制备

1. 芯片的准备
   1. 设计适当的蚀刻掩模将确定在硅（100）晶圆标记。使用标准的光刻和RIE，蚀刻线作为基准标记成从该STM样品将要采取的晶片的一个网格。该线应为10微米宽，1微米深，并在500微米的间距。蚀刻后，剥去样本剩余的光刻胶。
      注意:基准标记必须是可识别的原位上的样品，以及在AFM及SEM计量期间尖端位置。
   2. 通过采用标准的粘性蓝色切割带，胶粘面朝下保护晶圆表面。
   3. 骰子晶片成使用金刚石片放倒陶瓷切割锯成适合特定UHV-STM工具尺寸正用于执行高密度脂蛋白。这里，将样品分别为8.1毫米×8.1毫米正方形。
2. 切割后，准备芯片插入UHV-STM图案化模具轻轻剥开切割带，注意不要接触芯片与任何含镍的工具，这将导致特高压准备下文第2节之后的不利表面重建。
   1. 清洁芯片通过漂洗正面每10秒用丙酮，异丙醇，甲醇和去离子水分别流，而夹持样品的侧面与聚四氟乙烯（PTFE）镊子。最后，用干超纯N ₂或Ar，仍与聚四氟乙烯镊子夹取。
   2. 用于高密度脂蛋白使用适合于特定UHV-STM工具的方法中的STM样品架安装样品块。
      1. 如果安装在一个含镍的样品架，切割用钛剪刀钽箔阻隔带（APPX 4毫米乘试样高度）。声处理箔片，每次5分钟，在超纯丙酮，异丙醇，甲醇和去离子水，分别通过部分地覆盖有铝箔和注入烧杯干燥用超纯N _....

Results

在这里所描述的情况下，高密度脂蛋白是使用多模光刻进行^。24在FE模式，具有8 V样品偏压，1 Na和0.2 MC /厘米（相当于50毫微米/秒尖端速度）进行，尖端移过的表面平行或垂直于硅晶格，产生激活操作的行。虽然这种线形很尖依赖，在这里的情况下，线的完全去钝化部分约为6纳米宽，具有部分去钝化延伸的线两侧另一个为2nm的尾巴。当高精细图案需要，可以使用4 V样值的偏差，4 nA的，和4 MC /厘米（相当于10毫微米/秒尖端速度）进行AP模式光刻技术。每个模式的AP模式分量的程度取决于所述部分去钝化图案使用FE模式产生的宽度。参见图2的图案在Si STM图像的实例（100）-H为不同的HDL模式。 图2A示出一个小Pattern产生只使用AP模式的HDL。 图2B是使用多模光刻写入的图案，其中该有限元模式系为约6纳米宽的例子，但写在一个10纳米的间距，以大约2纳米的每个边缘的使用AP模式HDL编写的。在图案的内部对FE模式部分写在10nm的间距，因此有内，其中高密度脂蛋白是不完整的图案窄的区域。对于大型的，不精确的.......

Discussion

上面所描述的纳米结构进行计量要求弥合期间使用其他工具如原子力显微镜和SEM HDL和图案位置的前端定位的能力。与此相反，以具有高分辨率位置编码其它发达构图工具，如电子束光刻，在这里进行的高密度脂蛋白，用一个STM进行而得到很好的控制粗定位，所以额外位置识别的协议被使用， 如图3首先，一个长焦距显微镜定位在超高真空系统从针尖 - 样品的结约20cm外。样品被构图为10微米宽的线条，1微米深的正方形网格，在500微米的间距，以方便识别表面上的末端定位的。

SAMP图5.模式图像位置乐。（A） 的 STM针尖（左）和它的反射（右）中的硅（100）表面上用500微米的节距线图案的样品的一个区域的光学图像。该线是1微米深，10微米宽之前特高压处理。引导线被包括以示出的线的方向。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
硅晶片	VA 半导体		P 型 （硼） Si<100> ±2 度，280 毫米 ±25 mm 厚，0.01-0.02 ohm-cm
钽箔	Alfa Aesar	335	0.025 毫米 （0.001 in） 厚，99.997%（金属基）
甲醇	Alfa Aesar	19393	半导体级，99.9%
2-丙醇	Alfa Aesar	19397	半导体级，99.5%
丙酮	Alfa Aesar	19392	半导体级，99.5%
氩气	Praxair		超高纯度（5.0 级）
去离子水	Millipore	Milli-Q 净水系统	>按需生产 18 MW 电阻水。
TiCl4	Sigma Aldrigh	254312	≥99.995% 微量金属基
O2	Matheson	G2182101	研究级
SF6	Matheson	G2658922	超高纯度（4.7 级）
蓝色中等粘性卷	半导体设备公司	18074	厚度 75 μ米 / 0.003 英寸 长度 200 米 / 660'