原子级可追溯纳米结构制备

以下实验的总体目标是利用直接金属氧化物刻蚀掩模生长和反应离子刻蚀，在硅芯片上制备可追溯至原子晶格的硅纳米结构。该工艺的最终精度包括两个步骤：首先，使用扫描隧道显微镜针尖去除硅芯片上氢钝化层的特定区域；其次，通过原子层沉积工艺在图案化表面选择性地沉积二氧化钛，形成可抵抗反应离子刻蚀的掩模。随后进行反应离子刻蚀，以去除除先前已图案化区域外的所有表面区域中的硅材料。

结果表明，该方法能够制造高达20纳米的结构，其关键尺寸远低于10纳米。与电子束光刻或光学光刻等传统方法相比，该技术的主要优势在于STM中的初始计量步骤可提供原子尺度的信息。该方法有助于回答纳米技术中的关键问题，例如，当纳米结构被精确放置在彼此之间明确定义的位置时，它们之间的相互作用究竟是什么？

初学者通常会因为步骤繁多且容易损伤样品而难以掌握该方法。我们最初想到这种方法，是在尝试通过原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）探针在氧化性气氛中于硅表面制备尽可能厚的二氧化硅刻蚀掩模时。然而，通过将氢化物光刻技术与原子层沉积相结合，我们不仅实现了类似的平面控制，还在生长方向上获得了更高的自由度。

该方法的可视化演示至关重要，因为转移和图案定位步骤较难掌握，每个操作者都必须准确执行各自的操作步骤，并能够理解位置定位说明。首先，准备并安装带有定位标记的硅1 0 0芯片至扫描隧道显微镜的样品台中，并按照配套文本方案进行闪蒸循环和钝化处理。接着，将样品转移至扫描隧道显微镜中，使样品与探针进入隧穿距离范围。

使用分辨能力优于20微米斑点尺寸的相机对针尖-样品结进行高分辨率光学成像，并对光学图像进行去斜和缩放处理，使其准确还原基准标记的无畸变图像，并反映所观察到的针尖位置。接下来，设计将要生成的HDL图案，包括实验图案和蛇形识别图案。将整体图案分解为基本几何形状，以定义针尖将遵循的基本矢量路径。

在应用AP模式和FE模式的HDL条件时，使用硅表面的晶格信息。为了确定最终的针尖路径，对于需要原子级精度边缘的小面积区域，采用原子级精确的HDL，即AP模式光刻，并利用前一步骤的矢量输出结果。对于大面积区域，采用场发射模式光刻进行HDL，样品偏压为7至9伏，电流为1纳安，扫描密度为0.2毫klos/厘米。

接下来，通过施加 -2.25 伏的样品偏压和 0.2 纳安的隧道电流对所需 HDL 图案化区域进行扫描隧道显微镜形貌测量。然后将探针从样品上收回，并将样品移回载入锁。使用惰性平面基底（如洁净的蓝宝石）接触样品以保护样品；一旦完成保护，关闭所有泵的阀门，并尽快向腔室中通入氮气。

当腔室放气后，将样品从系统中取出。请参见此处使用聚四氟乙烯或钛制镊子夹取样品屏蔽组件的特写。迅速将样品转移至转运装置，并保持样品正面受到保护。

将盖子安装到样品上方，并松散组装加压样品转运装置。用超纯氩气冲洗转运装置一分钟，然后在保持微正压氩气的条件下密封样品转运装置。在此条件下，需在工艺各步骤之间执行上述操作，以保护样品。

样品可保持稳定长达一个月。将原子层沉积腔预热至100摄氏度。然后打开样品传输器，使用不锈钢无尘镊子迅速将样品转移至沉积腔中。

记录样品和对照芯片的位置与方向。关闭腔室，通入氩气，保持压力低于0.2毫巴，进行一小时的吹扫。随后，按照随附文本方案中描述的程序，执行80次重复的原子层沉积循环，在样品上生长一层2.8纳米厚的非晶态二氧化钛薄膜。

完成后，迅速将样品移回转运装置中，并用氩气吹扫。安全取出样品后，使用机械固定方法（如夹紧系统或真空卡盘）将其安装到原子力显微镜（AFM）系统中。调节AFM相机对准样品，定位样品表面的基准标记，以使AFM探针与预期存在纳米图案的区域对齐。

利用最高分辨率下的高度和相位信息，扫描样品直至识别出定位图案区域。然后使用可达到的最高图像质量和分辨率对目标区域进行成像。在完成感兴趣区域的成像后，取出样品并将其在氩气环境下重新放回运输容器中。

在准备进行反应离子刻蚀时，将电容耦合型反应离子刻蚀反应腔冷却至零下110摄氏度。随后将样品从传输器中取出，并将样品及任何对照芯片装入其感应腔室中。使用导电胶固定样品，并将腔室抽真空至7.5×10⁻⁶毫巴。

使系统稳定三分钟，然后以每分钟8标准立方厘米的流速通入氧气。以每分钟40标准立方厘米的流速通入氩气，以每分钟20标准立方厘米的流速通入六氟化硫。使用150瓦射频放电激发等离子体。

然后调节气体流量，采用每分钟52标准立方厘米的六氟化硫和每分钟8标准立方厘米的氧气流量，进行一分钟的反应离子刻蚀。将样品重新放入氩气环境下的转运装置中。打开样品转运装置，将样品牢固安装至扫描电镜（SEM）样品台。

然后将样品组件放入扫描电镜（SEM）中，抽真空腔室，定位并聚焦于基准标记。根据需要调整工作距离，并优化聚焦、亮度和对比度，以最小化图案上的碳沉积。使用附近非关键特征优化聚焦。

优化完成后，在样品上确定图案的大致位置。随后移动至相应图案区域，采集平面视图图像并进行测量。然后按照扫描电镜制造商规定的操作流程，执行典型的SEM系统关闭程序，并卸下样品。

在氩气环境下将样品重新固定到转运装置中。此时样品已具有良好的稳定性，可长期保存。图中所示为仅使用AP模式制备的HDL图案的代表性扫描隧道显微镜图像。

结合使用大气压（AP）和场发射模式，其中采用AP模式书写每条边缘，单独使用场发射模式以实现最佳的掩模制备。利用AP HDL图案，通过原子力显微镜应能实现高度的选择性。将图案区域上沉积的二氧化钛高度与背景区域上的沉积高度进行了比较。

该样品中，最高背景生长的孵育周期约为20个循环。在此，使用FE模式HDL以10纳米的节距写入了两条蛇形图案。通过将图案相互旋转90度，形成了一种网格结构。

此处使用 FM 显示了相同的图案，该图案是在沉积 2.8 纳米厚的氧化钛掩模后获得的。由于针尖卷积效应，图案中的开口难以分辨。经过反应离子刻蚀后，约有 60% 的预期开口被成功转移到基底上，这表明仅使用 FE 模式 HDL 时，该图案的尺寸和密度已接近有效纳米结构制备的极限。

如果操作得当，该技术可在大约三天内完成，其中大部分时间用于超高真空样品的制备，以及必要时在不同地点之间的样品传输。在实施该流程时，必须保持样品清洁，并在操作结束后保护本底环境。此外，还可结合纳米压印光刻等其他技术，以提升该技术的纳米制造生产能力。

观看本视频后，您应能充分理解如何谨慎处理样品以制备单纳米尺度结构。进行此过程时，应始终采取预防措施，例如气体稀释。否则，可能导致LD泵浦系统损坏。