Name: Atomar Traceable Nanostrukturen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-07-17T15:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 35 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung atomar präziser Silizium-Nanostrukturen unter 10 Nanometern mit Rastertunnelmikroskopie, atomarer Schichtabscheidung und reaktivem Ionenätzen. Diese Methode ermöglicht präzise 3D-Nanostrukturen für die Nanotechnologie.

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Diese Arbeit wurde durch einen Auftrag von DARPA (N66001-08-C-2040) und durch einen Zuschuss aus dem Emerging Technology Fund des Staates Texas unterstützt. Die Autoren möchten Jiyoung Kim, Greg Mordi, Angela Azcatl und Tom Scharf für ihre Beiträge zur selektiven Atomlagenabscheidung bezogene sowie Wallace Martin und Gordon Pollock für Ex-situ-Probenverarbeitung quittieren.

1. Ex-Situ-Probenvorbereitung <ol><li> Bereiten Chips <ol><li> Gestalten Sie geeignete Ätzmaske Identifizierung von Markern in der Si (100) Wafer zu setzen. Verwendung von Standardphotolithographie und RIE, geätzt ein Gitter aus Linien als Bezugsmarkierungen in den Wafer aus dem STM Proben entnommen. Die Linien sollten 10 &amp; mgr; m breit, 1 &amp; mgr; m tief, und im Pitch von 500 um. Nach dem Ätzen Streifen verbleibende Photoresist von Probe. Hinweis: Die Bezugsmarken sind identifizierbar in situ für Spitze Stelle auf der Probe sowie in AFM und SEM während der Messtechnik sein. </li><li> Schützen Waferoberfläche durch Anwendung von Standard Tack blau Schneidband, klebrigen Seite nach unten. </li><li> Dice Wafer in Chips mit einer Diamantspitze Keramik Trennsäge in Größen für die spezifische UHV-STM-Tool verwendet werden, um geeignete HDL durchzuführen. Hier wurden die Proben 8,1 mm x 8,1 mm Quadraten. </li></ol></li><li> Nach dem Schneiden, bereiten Chip zur Einführung in UHV-STM Strukturierungswerkzeug vorsichtigAbziehen des Dicing-Band, kümmert sich nicht um Chips mit beliebigen nickelhaltigen Werkzeuge, die eine ungünstige Oberflächenrekonstruktion nach UHV prep in Abschnitt 2 unten veranlassen wird zu berühren. <ol><li> Sauber Chip durch Spülen der Vorderfläche für jeweils 10 sec mit Strömen von Aceton, Isopropylalkohol, Methanol und deionisiertem Wasser, jeweils während des Greifens der Seiten der Probe mit Polytetrafluorethylen (PTFE) Pinzette. Schließlich trocken mit hochreinem N 2 oder Ar, noch Greifen mit Teflon Pinzette. </li><li> Berg Probe Chip in STM Probenhalter mit für die spezifische UHV-STM Werkzeug geeignete Methoden für HDL benutzt werden. <ol><li> Bei Montage in einer nickelhaltigen Probenhalter, schneiden Tantalfolie Sperrstreifen (appx. 4 mm vom Probenhöhe) unter Verwendung von Titan Schere. Sonikat Folienstreifen jeweils 5 min in hochreinem Aceton, Isopropylalkohol, Methanol und DI-Wasser auf. Dry mit hochreinem N 2 -Gas durch teilweise überdeckt ein Becherglas mit Aluminiumfolie und spritzening N 2 Düse in die Öffnung. Gas fließen, bis alle Flüssigkeit verdampft ist. Verwendung nickelfrei Pinzette Form Folie um Enden der Probe dann in Probenhalter zu klemmen, um Vorder- und Rückseite der Probe Probenhalter zu isolieren. </li></ol></li><li> Nach der Montage, Plasma sauber Probe und Probenhalter in Sauerstoffplasma zu Kohlenstoff Verunreinigungen zu entfernen. 28 </li></ol></li></ol> 2. UHV Probenvorbereitung <ol><li> Einzuführen Probe in UHV-System über Ladungsschleusen oder anderen bevorzugten UHV-sichere Methode, so dass der UHV Verarbeitung und HDL kann in der Regel bleiben unter 1,3 x 10 -9 mbar (außer Schritt 2.5.1.1 unten). </li><li> Entgasen O / N bei 650 ° C, die Temperaturüberwachung mit einem Pyrometer. Sicherzustellen, dass der Kammerdruck innerhalb von 25% des Hintergrundes. In dem hier beschriebenen Fall sind typische Hinterdrücke ungefähr 4,5 x 10 -10 mbar. </li><li> Entgasen Wolfram Wasserstoff Crack Filament bei 1.500 ° C für 5 min.Aktivieren Titansublimationspumpen wenn möglich. </li><li> Führen Probe &quot;Flash&quot; Zyklus. <ol><li> Flash Probe durch Erhitzen auf 1250 ° C für 20 sec, Überwachung T mit Pyrometer und mit einem 10 ° C / sec Aufheizgradienten. Haben einen maximalen Druck von 7 x 10 -9 mbar nicht übersteigt. Coole indem Heizstrom in weniger als 5 Sekunden. </li><li> Rest Probe bei 350 ° C für 5 min. damit Druck auf den Ausgangswert wiederherstellen. 3x wiederholen. </li></ol></li><li> Führen Probe Passivierung. <ol><li> Gesetzt Probentemperatur auf 350 ° C unter Verwendung eines Pyrometers, um die Temperatur zu überwachen. Einführung 1.3 x 10 -6 mbar ultrareines H 2 in prep Raum mit Leckventil. <ol><li> Legen Sie eine Kühlfalle auf der H 2 Linie sehr nahe eines Lecks Ventil im System, um weiter zu reinigen H 2. </li><li> Wenn möglich, Pumpensystem mit Hochgeschwindigkeitsturbopumpe anstelle eines Ionenpumpe. Dies ist, so dass die Ionenpumpe nicht die Probe entfernt, expo verunreinigenzu den hohen Druck und Auswerfen Verunreinigungen sed. Die Pumpen werden wieder in den Normalzustand (350 ° C) gesetzt, nachdem die meisten der Wasserstoff entfernt wurde und die Probe noch warm ist. </li></ol></li><li> Schalten Sie Wolfram Wasserstoffcrack Filament auf eine Temperatur von 1.400 ° C für 12 min, schalten Sie Filament und H 2 Gasstrom dann. Coole Probe RT. </li></ol></li></ol> 3. Rastertunnelmikroskopie und Lithografie <ol><li> Übertragen Probe STM und Probe und STM-Spitze bringen in Tunnelbereich. Verwendung einer Kamera mit Auflösungsvermögen von besser als ein 20 &amp; mgr; m Punktgröße, nehmen Sie hochauflösende optische Bild der Spitze-Probe-Kreuzung. Ausrichten und die Größe des optischen Bildes, so dass es eine unverzerrte Wiedergabe der Markierungszeichen darstellt. </li><li> Entfernen Sie das Beleuchtungssystem zur thermischen Instabilitäten zu reduzieren. Bestimmen Sie die Oberflächenqualität. <ol><li> Mit herkömmlichen STM-Techniken mit Beispiel Vorspannung von -2,25 V und 200 pA, identifizieren die tauber von Defekten auf der Oberfläche. </li><li> Wenn Oberflächenfehler sind unter ein annehmbares Niveau, um zum nächsten Schritt. Maximale annehmbare Defektstufen sind wie folgt: freie Bindungen von 1%; Si Stellenangebote von 3%; Verunreinigungen von 1%. </li></ol></li><li> Design HDL-Muster erzeugt werden, einschließlich sowohl experimentelle als Muster und groß ist (1 um x 1 um) serp Identifikationsmuster. SERP-Muster sollte mit einem langen Vektor Achse senkrecht zu erwarten AFM schnelle Scanachse gezogen werden, mit einem Abstand von 15 bis 20 nm. Fracture Gesamtmuster in grundlegende Formen, um den Pfad, gefolgt von der Spitze bei der Anwendung HDL Bedingungen zu definieren. 24 </li><li> Verwendung von Vektor-Ausgänge von der vorherigen Stufe durchzuführen HDL mittels FE-Modus Lithographie für große Flächen mit Probenspannung von 7-9 V, Stromstärke von 1 nA und 0,2 mC / cm und AP-Modus Lithographie für kleine Flächen oder jene Bereiche erfordern atomarer Präzision Rändern . 24 <ol><li> Bestimmen Sie die optimale AP-Modus Lithographie Bedingungen performing HDL mit einer Vielzahl von mit Probenspannung von 3,5 bis 4,5 V, Strom im Bereich von 2 bis 4 nA und Zeilen Dosierungen im Bereich von 2 bis 4 mC / cm. Wählen Sie Bedingungen, die die engsten vollständig depassiviert Linie zu erzeugen. </li></ol></li><li> Führen STM Metrologie auf Wunsch HDL gemusterten Bereiche durch Bildgebung bei -2,25 V Probenspannung und 0,2 nA Tunnelstrom. <ol><li> [Optional] Führen Sie die Fehlerkorrektur. Nach STM Messtechnik, vergleichen Depassivierung Muster in den STM-Bilder mit dem gewünschten Muster aus Schritt 3.5. Wenn irgendwelche Bereiche zeigen unzureichende baumelnde Bindungsbildung, wiederholen Sie den Lithographie-Zyklus in diesen Bereichen. </li></ol></li><li> Nach Abschluss STM HDL, lösen Spitze von Probe und zu bewegen Probe Schloss laden. </li><li> Vent und Probe zu entfernen. Während Entlüftungs mit hochreinem N 2, zu schützen Probe durch Kontaktieren mit inerten, flachen Substrat, wie sauber Saphir. 29 Nach Oberflächenschutz, in der Nähe zu allen Ventilen Pumpen einzuführen dann Abluftgas als quicKly wie möglich. Entfernen Probe aus System. </li></ol> 4. Proben Transport <ol><li> Entfernen Probe von Ladesperre. Lassen Sie Probe Probenhalter, einschließlich, wenn möglich, das Entfernen der Folienbarriere Stücke. Verwendung von PTFE (oder Ti) Pinzette, bewegen Probe-Transporter, halten Vorderseite Probe geschützt, Sie versuchen, Atmosphäre Exposition gegenüber weniger als 10 Minuten zu halten. </li><li> Installieren Abdeckung über Probe und eine Probe unter Druck Transporter lose montieren. Flush mit hochreinem Ar für 1 min. Zu evakuieren nicht System an einer beliebigen Stelle oder Oberflächenschäden auftreten können. 29 Schließlich Dichtung Probe-Transporter mit einem kleinen positiven Druck (~ 50-100 mbar) von Ar so dass die Probe für bis stabil bleibt zu einem Monat. </li></ol> 5. Atomic Layer Deposition <ol><li> Stellen Sie sicher, die ALD ist bei der richtigen Abscheidungstemperatur (100 ° C). Erhöhen Sie langsam die Argondruck in der ALD-Kammer, bis Atmosphärendruck erreicht worden ist. </li><li> Öffnen ALD-Kammer. </li><li> Offene Probe-Transporter und schnell zu übertragen, um ALD-Kammer unter Verwendung eines Paares von PTFE Pinzette Ergreifen der Probe auf der Kante, und schließen Sie das ALD-Kammer und Spülen mit einem Strom von Argon bei einem Druck von &lt;2 x 10 -1 mbar 1 h zum Entgasen der Probe. Legen Sie einen Prozess zu 80 wiederholte Zyklen von ALD durchführen, um 2,8 nm von amorphem Titandioxid wachsen. <ol><li> Verwendung eines nicht-modifizierten kommerziellen ALD-System bei einer Probentemperatur von 100-150 ° C, mit Titantetrachlorid (TiCl 4) und Wasser (H 2 O) als Vorläufer führen Abscheidung mit den Reaktanten bei Drücken von 0,3 mbar und 0,8 mbar, mit Pulszeiten 0,1 s und 0,05 s auf. 27 </li><li> Im Anschluss an jede Gaspuls, spülen den Reaktor mit Ar für 60 sec bei 0,2 mbar bis minimal Hintergrund Abscheidung aufgrund physisorbierte Reaktanden zu gewährleisten. Für die Masken in dieser Arbeit werden 80 ALD-Zyklen verwendet, um etwa 2,8 nm von amorphem Titandioxid bei 100 ° C wachsen. </li></ol&gt; </li><li> Langsam entlüften ALD-Kammer mit Ar-Gas und offen. Wiederholen Sie die Schritte 4.1 und 4.2 für die Probentransport. </li></ol> 6. Atomic Force Microscopy (AFM) <ol><li> Stellen Sie sicher, korrekte Kalibrierung des AFM gemäß dem Protokoll des Herstellers. Offene Probe-Transporter und entfernen Sie vorsichtig Probe mit einer Pinzette. </li><li> Nach dem Entfernen von Transporter, sicher installieren Sie die Probe in die AFM mittels eines mechanischen Befestigungsverfahren, wie ein Spannsystem, wenn möglich. Fokussieren Sie die AFM-Kamera auf die Probe, und suchen Sie die Bezugsmarkierungen auf der Probenoberfläche, um die AFM-Spitze auf das Muster auf der Grundlage der optischen Messtechnik in Schritt 3.2 auszurichten. </li><li> Stellen Sie sicher, dass die AFM-Einstellungen werden sowohl die Höhe als auch Phaseninformation zeigen, und stellen Sie die Scangröße zu sein, zwischen 20 und 40 &amp; mgr; m breit. Aktivieren Sie die AFM-Spitze auf die Probe. </li><li> Verwenden Sie die Höhe und Phaseninformation bei höchster Auflösung scannen, bis der Ortungsmuster-Region identifiziert. Untersuche den gemusterten region und suchen Sie den Bereich, in dem ein Bild erwünscht ist. </li><li> Nehmen Sie ein Bild von den gewünschten Bereichen mit der entsprechenden Bildqualität und Auflösung (in der Regel die höchste möglich). Sobald alle gewünschten Bereiche gescannt wurden, lösen Sie die Spitze aus der Probe. Entladen Sie die Probe. Wiederholen Sie die Schritte 4.1 und 4.2 für die Probentransport. </li></ol> 7. Reactive Ion Etching <ol><li> Chill kapazitiv gekoppelten RIE-Reaktor bis -110 ° C, dann die Probe zu laden in ihre intro Kammer und Pumpe bis zu 7,5 x 10 -6 mbar. <ol><li> Stabilisierung der Temperatur für 3 min. Schalten Sie dann das Gas auf mit Durchflussraten von O 2 bei 8 sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) Ar bei 40 sccm und SF 6 bei 20 sccm. </li><li> Treffer Plasma unter Verwendung einer 150 W Hochfrequenz-Entladung und dann den Gasstrom zu modifizieren, um für 1 Minute unter Verwendung von SF 6 bei 52 sccm und O 2 bei 8 sccm ätzen. Wechselwirkung dieser Gase mit Si mit einer Geschwindigkeit von etwa 20 nm / min geätzt. 30 </sup&gt; </li><li> Pumpenvakuum bis 7,5 x 10 -6 mbar. Vent RIE-System. Wiederholen Sie die Schritte 4.1 und 4.2 für die Probentransport. </li></ol></li></ol> 8. Rasterelektronenmikroskopie (SEM) <ol><li> SEM Proben Montage und Einführung der Probe auf System. <ol><li> Zeigen nicht klebenden Probenträger in einer günstigen Lage, um Proben Montage zu erleichtern. </li><li> Offene Probe-Transporter und entfernen Sie vorsichtig Probe mit einer Pinzette, um die Probe durch die Kanten greifen und sicher zu installieren in SEM Halterung, dann vorstellen Probenanordnung in SEM. </li><li> Vent und offene SEM Kammer. Proben Montage sicher zu installieren, um die SEM Probentisch. Abpumpen SEM Kammer. </li></ol></li><li> Suchen Sie die Passermarken. <ol><li> Bringen Sie die Vergrößerung auf möglichst niedrigen Wert. Wählen Sie die Beschleunigungsspannung und Strahlstrom-Einstellungen, die eine gute Auflösung geben. Beginnen Sie mit niedrigste annehmbare Einstellungen. Go up nach Bedarf. </li><li> Einschalten des Elektronenstrahls. Bringen Sie die allgemeinen Regionvon Interesse empfohlen, Arbeitsabstand und euzentrischen Höhe. </li><li> Suchen und sich auf in Abschnitt 1.1 beschriebenen Bezugsmarkierungen. Passen Sie Arbeitsabstand nach Bedarf. Optimieren Sie den Fokus, Helligkeit und Kontrast. </li></ol></li><li> Suchen Sie und Bild die Muster. <ol><li> In Bezug auf die Referenzpunkte, suchen Sie die Muster auf der Grundlage der optischen Messtechnik von Ziffer 3.2 und AFM Messtechnik von Abschnitt 6. Um die Kohlenstoffablagerung auf Muster zu minimieren, mit der Nähe nicht wesentlichen Funktionen optimiert Fokus. Sobald optimiert, um die Muster zu bewegen und zu erwerben Draufsicht Bilder und Messungen. </li><li> Wenn nötig, kippen Sie die Probe für die 3D-Bilder und Muster Höhenmessungen. Für andere Muster, wiederholen von 8,3, wie gebraucht. </li></ol></li><li> Führen Sie SEM-System Abschluss-Routine und Absteigen Probe / s, wie durch die SEM Hersteller vorgeschrieben. Sichern Sie die Probe wieder in den Transporter. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4.3 und 4.4 für die Proben Transport und Lagerung. An dieser Stelle werden die Proben robust und kannauf unbestimmte Zeit gelagert werden. Führen Sie nach der Bildaufzeichnung analysiert, wenn nötig. </li></ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Darstellende Messtechnik auf den oben beschriebenen Nanostrukturen erfordert die Fähigkeit, um die Spitze Positionierung während HDL und Muster Standort mit anderen Tools wie AFM und SEM überbrücken. Im Gegensatz zu anderen gut entwickelten Strukturierungswerkzeuge mit hochauflösenden Positionscodierung, wie Elektronenstrahllithographie wurde das HDL hier durchgeführt mit einer STM ohne gut kontrolliert Grobpositionierung durchgeführt, so dass zusätzliche Positionsidentifikations Protokolle verwendet wurden, wie in <str...

Nanotechnologie wird in einer Vielzahl von Stadien, das Verständnis der Strukturen wichtiger gebildet gewinnt an Bedeutung, vor allem im Bereich der Lithographie und Elektronik. Um die Bedeutung der Metrologie im Nanostreichen, und zwar im Maßstab von weniger als 10 nm, sollte darauf hingewiesen werden, dass eine Variation der Merkmalsgröße von nur 1 nm zeigt eine gebrochene Variante mindestens 10%. Diese Variante kann erhebliche Auswirkungen auf die Geräteleistung und Materialcharakter haben 1,2 -. 4 Verwenden Synthesemethoden, sehr genau gebildet einzelnen Funktionen wie Quantenpunkten oder anderen komplexen Molekülen hergestellt werden, aber in der Regel fehlt 2,5,6 die gleiche Präzision in Funktion Anordnung und Ausrichtung trotz Arbeit zur Verbesserung der Größe und Platzierung Kontrolle. Dieses Papier zeigt einen Ansatz zur Herstellung von Nanostrukturen mit in der Nähe von Atomgröße Präzision und atomarer Präzision in Funktion Platzierung sowiemit atomarer Messtechnik in Funktion Platzierung. Verwendung der Atom Präzision Rastertunnelmikroskop (STM) induziert Hydrogen Depassivierung Lithography (HDL), atomar präzise Muster mit chemisch empfindlichen Kontrast auf einer Oberfläche gebildet. Selektive Atomic Layer Deposition (ALD) wendet dann eine harte Oxidmaterial in den gemusterten Bereichen mit Reactive Ion Etching (RIE) schließlich Übertragen der Muster in das Schüttgut, wie schematisch in Figur 1 dargestellt ist. Die Kombination der hochpräzisen HDL Prozess mit dem Standard ALD und RIE-Prozesse ergibt eine flexible Methode zur Nanostrukturen auf einer Oberfläche mit beliebiger Form und Positionierung zu erzeugen. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig1.jpg" /> Abbildung 1. Primäre Nanofabrication Prozessschritte. Als ein Beispiel kann eine 200 nm x 200 nm Quadrat dargestellt. Jede eingekreisten Pfeil zeigt einen Schritt des atmosphärischen Exposition und transport zwischen Standorten. Nach UHV Probenvorbereitung wird die Probe mit UHV HDL gefolgt von STM Metrologie (oben links) strukturiert. ALD wird dann durchgeführt, gefolgt von AFM Messtechnik (rechts). RIE überträgt die Muster in Si (100), gefolgt von SEM Messtechnik (unten links). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52900/52900fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Die genaueste Lithographie bisher in der Regel beinhaltet Rastersondentechniken, speziell STM-basierte Strukturierung wo atomarer Auflösung Strukturierung und Funktionalisierung hat für viele Anwendungen demonstriert. 7 Zuvor hat Atom Manipulation produziert Nanostrukturen in höchster Präzision durch die Verwendung einzelner Atome als Bausteine, 8 , 9,10, aber die erforderlichen kryogenen Bedingungen und damit Nanostrukturen fehlten langfristige Stabilität. RT Atom Manipulation durch Entfernen der Wasserstoffatome von der Oberfläche hat sich gezeigt, specifically HDL. 11,12,13 HDL verspricht neue Klassen von elektronischen und anderen Geräten auf der Grundlage der räumlichen Lokalisierung der Oberflächenkontrast zu ermöglichen. Verwendung HDL ohne weitere Verarbeitung sind verschiedene Gerätearchitekturen möglich, einschließlich der dangling bonds Drähte oder Logikvorrichtungen. 14,15,16 Zusätzlich zur Bereitstellung elektrischer Gegensatz HDL können chemische Kontrast auf der Oberfläche, wo die passi H Schicht entfernt wurde einführen, effektiv Erstellung einer Vorlage für die weitere chemische Modifikation. Diese chemische Modifikation auf Silizium und anderen Oberflächen nachgewiesen, welche die Selektivität für die Abscheidung von Metallen, Isolatoren 17, 18 und sogar Halbleiter. 16,19 Jedes dieser Beispiele erzeugt zweidimensionale Strukturen, so dass die anderen Verarbeitungsschritte sind getreu verwendet werden drei dimensionalen Strukturen mit der atomar aufgelösten Steuer von HDL versprochen. Bisher hat dies erforderlich wiederholte Musterung, 19,20,21 Glühen, 22 </sup&gt; oder weniger gut gelöst Prozesse wie Tipp-basierte e-beam induzierte Abscheidung. 23 Ähnlich wie Elektronenstrahllithographie verwendet HDL eine lokalisierte Elektronenfluss zu belichten ein Resist. Mehrere Ähnlichkeiten bestehen, wie beispielsweise die Fähigkeit, Multi-Mode-Lithographie mit variabler Punktgröße und Strukturieren Effizienz durchzuführen. 24 Allerdings ist die wahre Macht der HDL ergibt sich aus, wie es von Elektronenstrahllithographie unterscheidet. Erstens, die wider in HDL ist eine Monolage von atomarem Wasserstoff, so dass wider Exposition zu einem digitalen Prozess; der Resist-Atom entweder ist oder nicht vorhanden ist. 25 Da die H-Atom Platzierung entspricht dem zugrundeliegenden Si (100) Gitter die HDL Prozess kann eine atomar präzisen Prozess sein, obwohl es zu beachten, dass in diesem Papier die HDL hat Nanometer-Präzision, wie werden um mit den Ordnungs Perfektion und damit gegenüber ist nicht digital in diesem Fall. Da die Elektronenquelle in HDL lokal auf der Oberfläche, die verschiedenen Modi des STM zu erleichtern sowohlDurchsatzoptimierung sowie Fehlerprüfung. Am Spitze-Probe Vorurteile unter ~ 4,5 V kann Lithographie am einzelnen Atom-Ebene mit atomarer Präzision, wie Atomar Precise-Modus (AP Modus) bekannt durchgeführt werden. Im Gegensatz zu oben vorspannt ~ 7 V, die Elektronen direkt von der Spitze zu der Probe mit breiten Linienbreite und hohe Effizienzen Depassivierung, die hier als Feldemissionsmodus (FE-Modus) bekannt emittiert. HDL Durch kann dann durch geschickte Kombination dieser beiden Betriebsarten optimiert werden, obwohl die Gesamtdurch klein relativ zu regeln bleibt Strukturieren bis zu 1 &amp; mgr; m 2 / min möglich, Elektronenstrahllithographie. Wenn die Vorspannung ist, so dass umgekehrt die Probe bei ~ -2.25 V, tunneln Elektronen von der Probe zu der Spitze mit extrem niedrigen Depassivierung Effizienz gehalten wodurch Inspektion der Atomstruktur der Oberfläche sowohl zur Fehlerkorrektur und zum atomaren Maßstab Metrologie . Diese in Figur 1 gezeigte Nanoherstellungsverfahren </strong&gt; beginnt mit einer UHV-HDL Schritt wird, wie oben beschrieben. HDL folgenden wird die Probe in die Atmosphäre abgelassen, zu welchem ​​Zeitpunkt die gemusterten Bereiche gesättigt mit Wasser, wobei eine dünne (dh ~ 1 Monoschicht) SiO 2 -Schicht. 26. Nach dem Transport wird die Probe in eine ALD-Kammer zum Abscheiden eingefügt Titandioxid (TiO 2), mit einer Dicke etwa 2-3 nm hier abgeschieden, wie durch AFM und XPS. 27. Da der Titandioxid-Reaktion hängt von einer Wassersättigung der Oberfläche gemessen, obwohl Atmosphäre Belichtung, die die Oberfläche mit Wasser gesättigt ist dieses Verfahren möglich . Als nächstes wird die ALD Maskenmuster in die Masse der Probe wurde unter Verwendung von RIE, so dass 20 nm Si entfernt geätzt zu übertragen, mit der Ätztiefe von AFM und SEM bestimmt. Um Messschritten zu erleichtern, wird ein Si (100) Wafer mit einem Raster von Linien, die ausgelegt sind, nach der Herstellung durch UHV großem Arbeitsabstand Lichtmikroskop AFM Draufsicht optischen Abbildung sichtbar werden gemustert undLow-Vergrößerung Draufsicht SEM-Bildgebung. Zur Identifizierung der Strukturen im Nanobereich sind 1 &amp; mgr; m 2 Serpentinenmuster (SERPs) auf die Proben mit den am stärksten isolierten Nano an festen Standorten in Bezug auf die SERPS liegt gemustert. Diese Kombination von HDL, selektive ALD und RIE kann ein wichtiges Verfahren zur Nanostrukturen, und es enthält einen atomaren Bereich Messtechnik als natürliches Nebenprodukt des Verfahrens. Unten sind wir eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Schritte, um sub-10 nm-Nanostrukturen in Si (100) unter Verwendung von HDL, selektive ALD und RIE herzustellen. Es wird angenommen, dass ein Fachmann ist in jedem dieser Prozesse, die Information wird damit zusammen, wie die verschiedenen Prozesse integriert enthalten sein. Besonderes Gewicht wird auf diese unerwarteten Schwierigkeiten von den Autoren um die gleichen Schwierigkeiten zu verhindern erlebt gegeben werden, vor allem im Zusammenhang mit Transport und Messtechnik.

<table><tbody><tr><td>Si Wafer</td><td>VA Halbleiter</td><td></td><td>P Typ (Bor) Si< 100> &#177; 2 Grad, 280 mm &#177; 25 mm stark, 0,01-0,02 ohm-cm Ta-Folie</td></tr><tr><td></td><td>Alfa Aesar</td><td>335</td><td>0,025&nbsp; mm (0,001&nbsp; in) dick, 99,997 % (Metallbasis)</td></tr><tr><td>Methanol</td><td>Alfa Aesar</td><td>19393</td><td>Halbleiterqualität, 99,9 %</td></tr><tr><td>2-Propanol</td><td>Alfa Aesar</td><td>19397</td><td>Halbleiterqualität, 99,5 %</td></tr> <tr><td>Aceton</td><td>Alfa Aesar</td><td>19392</td><td>Halbleiterqualität, 99,5 %</td></tr> <tr><td>Argon</td><td>Praxair</td><td></td><td>Ultrahochreinheit (Klasse 5,0)</td></tr><tr><td>Deionisiertes Wasser</td><td>Millipore</td><td>Milli-Q Wasseraufbereitungssystem</td><td>>18 MW resistentes Wasser, das auf Anfrage produziert wird.</td></tr><tr><td>TiCl4</td><td>Sigma Aldrigh</td><td>254312</td><td>&ge; 99,995 % Spurenmetallbasis</td></tr><tr><td>O2</td><td>Matheson</td><td>G2182101</td><td>Forschungsqualität</td></tr><tr><td>SF6</td><td>Matheson</td><td>G2658922</td><td>Ultrahohe Reinheit (Klasse 4,7)</td></tr><tr><td>Blue Medium Tack Roll</td><td>Semiconductor Equipment Corporation</td><td>18074</td><td>Dicke 75 &#956; m / 0.003" &nbsp; Länge 200 m / 660' &nbsp;</td></tr></tbody></table>

atomar traceable nanostrukturen

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

Die Reduzierung des Maßstabs von geätzten Nanostrukturen unter den 10-nm-Bereich erfordert schließlich ein Verständnis des gesamten Herstellungsprozesses auf atomarer Ebene, um eine exquisite Kontrolle über die Strukturgröße und die Strukturdichte zu behalten. Hier demonstrieren wir eine Methode zur Verfolgung atomar aufgelöster und kontrollierter Strukturen von der ersten Template-Definition bis zur endgültigen Nanostruktur-Metrologie, die einen Weg für die atomare Top-down-Kontrolle über die Nanofabrikation eröffnet. Die Wasserstoff-Depassivierungslithographie ist der erste Schritt des nanoskaligen Herstellungsprozesses, gefolgt von der selektiven Atomlagenabscheidung von bis zu 2,8 nm Titandioxid zur Herstellung einer nanoskaligen Ätzmaske. Es wird ein Kontrast zum Hintergrund gezeigt, der auf unterschiedliche Wachstumsmechanismen auf den gewünschten Mustern und auf dem H-passivierten Hintergrund hinweist. Die Muster werden dann mittels reaktivem Ionenätzen in die Masse übertragen, um 20 nm hohe Nanostrukturen mit Linienbreiten von bis zu ~6 nm zu bilden. Um die Grenzen dieses Prozesses zu veranschaulichen, werden Anordnungen von Löchern und Linien hergestellt. Die verschiedenen Prozessschritte der Nanofabrikation werden an unterschiedlichen Orten durchgeführt, so dass die Prozessintegration diskutiert wird. Verwandte Fragen werden diskutiert, einschließlich der Verwendung von Passermarken zum Auffinden von Nanostrukturen auf einer makroskopischen Probe und dem Schutz der chemisch reaktiv strukturierten Si(100)-H-Oberfläche vor Degradation durch atmosphärische Einwirkung.

In den hier beschriebenen Fällen wird HDL erfolgte mit Multimode-Lithographie. 24 In FE Modus mit 8 V Probe bias, 1 nA und 0,2 mC / cm (äquivalent zu 50 nm / s Spitzengeschwindigkeit) durchgeführt, wobei die Spitze über bewegt die Oberfläche entweder parallel oder senkrecht zu der Si-Gitter produziert Linien Depassivierung. Während diese Linienform ist sehr Spitze abhängig, in der Fall, die vollständig depassiviert Teil der Linien betrug ca. 6 nm breit, mit Schwänzen Teil Depassivierung der sich eine weitere ...

Wir berichten über ein Protokoll zur Kombination der atomaren Messtechnik des Rastertunnelmikroskops für die Oberflächenstrukturierung mit der selektiven Atomlagenabscheidung und dem reaktiven Ionenätzen. In einem robusten Prozess, der zahlreiche atmosphärische Expositionen und Transporte umfasst, werden 3D-Nanostrukturen mit atomarer Messtechnik hergestellt.

Atomar Traceable Nanostrukturen

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, Silizium-Nanostrukturen mit Rückverfolgbarkeit zum atomaren Gitter mithilfe des direkten Wachstums von Metalloxid-Ätzmasken und reaktiver Ionenätzung herzustellen. Die endgültige Präzision dieses Verfahrens umfasst das gezielte Entfernen bestimmter Bereiche einer Wasserstoffpassivierungsschicht auf einem Siliziumchip unter Verwendung einer Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Im zweiten Schritt wird die strukturierte Oberfläche mittels eines Atomlagenabscheideverfahrens freigelegt, das selektiv Titandioxid ablagert und als Maske gegen die reaktive Ionenätzung wirkt. Anschließend erfolgt eine reaktive Ionenätzung, um Silizium von der Oberfläche in allen Bereichen zu entfernen, die zuvor nicht strukturiert wurden.Die Ergebnisse zeigen die Fähigkeit, Strukturen mit einer Höhe von bis zu 20 Nanometern und kritischen Abmessungen deutlich unter 10 Nanometern herzustellen. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber konventionelleren Methoden wie Elektronenstrahl- oder optischer Lithographie liegt darin, dass die anfänglichen Messtechnikschritte im Rastertunnelmikroskop (STM) Informationen auf atomarer Skala liefern. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in der Nanotechnologie zu beantworten, beispielsweise welche präzisen Wechselwirkungen zwischen Nanostrukturen auftreten, die relativ zueinander sehr genau definierte Positionen einnehmen.Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten, da es viele Schritte gibt und die Probe leicht beschädigt werden kann. Wir entwickelten diese Methode ursprünglich, als wir versuchten, die Dicke von Siliziumdioxid-Ätzmasken, die wir mittels eines AFM- und eines STM-Spitzen in oxidierender Atmosphäre auf Silizium schrieben, zu maximieren. Stattdessen erzielten wir durch die Kombination der Wasserstoff-Lithographie mit der atomlagenweisen Abscheidung eine vergleichbare laterale Kontrolle, gewannen dabei jedoch tatsächlich ein höheres Maß an Freiheit in der Wachstumsrichtung.Die visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da die Schritte zum Übertragen und zur Platzierung des Musters schwer zu erlernen sind, weil jede Person ihre Schritte korrekt ausführen und Positionsanweisungen verstehen können muss. Zunächst bereiten Sie einen Silizium-1-0-0-Chip mit Referenzmarkierungen vor, montieren Sie ihn in der Probenhalterung eines Rastertunnelmikroskops und führen Sie einen Flash-Zyklus sowie eine Passivierung wie in der begleitenden Textanleitung beschrieben durch. Danach übertragen Sie die Probe in das Rastertunnelmikroskop und bringen Probe und Spitze in den Tunnelbereich.Verwenden Sie eine Kamera mit einer Auflösung von besser als 20 Mikrometer Spotgröße, um ein hochauflösendes optisches Bild der Spitzenproben-Übergangszone aufzunehmen, korrigieren Sie Verzerrungen und skalieren Sie das optische Bild so, dass es eine verzerrungsfreie Wiedergabe der Referenzmarkierungen mit der beobachteten Position der Spitze darstellt. Entwerfen Sie anschließend die herzustellenden HDL-Muster, einschließlich experimenteller Muster und schlangenförmiger Identifikationsmuster. Zerlegen Sie die Gesamtmuster in grundlegende Formen, um die Basisvektoren zu definieren, denen die Spitze folgen wird.Verwenden Sie bei Anwendung der AP-Modus- und FE-Modus-HDL-Bedingungen die Gitterinformationen von der Siliziumoberfläche. Zur Bestimmung des endgültigen Schrittpfades verwenden Sie die atomar präzise HDL, auch bekannt als AP-Modus-Lithographie, für kleine Bereiche oder solche Bereiche, die atomar präzise Kanten erfordern, unter Verwendung der Vektorausgaben aus dem vorherigen Schritt. Führen Sie die HDL mittels Feldemissionsmodus-Lithographie für große Bereiche mit einer Probenvorspannung von sieben bis neun Volt, einem Strom von einem Nanoampere und 0,2 Milliklos pro Zentimeter durch.Führen Sie anschließend die Rastertunnelmikroskopie-Metrologie an den gewünschten, mit HDL strukturierten Bereichen durch, indem Sie mit einer Probenspannung von minus 2,25 Volt und einem Tunnelstrom von 0,2 Nanoampere abbilden. Danach ziehen Sie die Spitze vom Probenträger zurück und bewegen die Probe zurück in die Ladeschleuse. Schützen Sie die Probe, indem Sie sie mit einem inerten, flachen Substrat wie sauberem Saphir in Kontakt bringen; sobald der Schutz erfolgt ist, schließen Sie die Ventile zu eventuellen Pumpen und führen anschließend so schnell wie möglich Stickstoffgas in die Kammer ein.Wenn die Kammer entlüftet ist, entfernen Sie die Probe aus dem System. Hier sehen Sie eine Nahaufnahme der Abschirmvorrichtung der Probe mit Polytetrafluoroethylen- oder Titanpinzette. Bringen Sie die Probe schnell zum Transportbehälter, wobei die Vorderseite der Probe geschützt bleiben muss.Befestigen Sie die Abdeckung über der Probe und setzen Sie den druckbeaufschlagten Probenbehälter locker zusammen. Spülen Sie den Behälter eine Minute lang mit ultrareinem Argon aus und verschließen Sie ihn anschließend, wobei ein geringer Überdruck von Argon aufrechterhalten wird. Führen Sie diese Schritte durch, um die Probe zwischen den einzelnen Verfahrensschritten unter diesen Bedingungen zu schützen.Die Probe bleibt bis zu einem Monat stabil. Heizen Sie die Atomlagenabscheidungskammer auf 100 Grad Celsius vor. Öffnen Sie dann den Probenbeförderer und verwenden Sie kraftfreie Edelstahlspitzen, um die Probe schnell in die Abscheidungskammer zu überführen.Notieren Sie sich die Position und Ausrichtung des Proben- und Kontrollchips. Schließen Sie die Kammer und spülen Sie sie eine Stunde lang mit einem Argonstrom und einem Druck von weniger als 0,2 Millibar aus. Führen Sie anschließend 80 wiederholte Zyklen der Atomlagenabscheidung durch, um gemäß dem im begleitenden Textprotokoll beschriebenen Verfahren eine 2,8 Nanometer dicke Schicht amorphes Titandioxid auf der Probe abzuscheiden.Wenn der Vorgang abgeschlossen ist, bringen Sie die Probe schnell wieder in den Transportbehälter und spülen Sie diesen mit Argon. Nachdem die Probe sicher aus dem Transportbehälter entfernt wurde, installieren Sie sie mithilfe einer mechanischen Befestigungsmethode, wie beispielsweise einem Klemmsystem oder Vakuumspannfutter, in das AFM-System. Richten Sie die AFM-Kamera auf die Probe aus und lokalisieren Sie die Referenzmarkierungen auf der Probenoberfläche, um die AFM-Spitze mit dem Bereich auszurichten, in dem die Nanostrukturen erwartet werden.Unter Verwendung der Höhen- und Phaseninformationen mit der höchsten Auflösung wird die Probe abgetastet, bis die Locator-Musterbereiche identifiziert sind. Anschließend wird ein Bild der gewünschten Bereiche mit der bestmöglichen Bildqualität und Auflösung aufgenommen. Nach der Abbildung des interessierenden Bereichs wird die Probe entfernt und unter Argongas wieder in den Transportbehälter zurückgelegt.Während der Vorbereitung auf die reaktive Ionenätzung kühlen Sie den kapazitiv gekoppelten Reaktor für die reaktive Ionenätzung auf minus 110 Grad Celsius ab. Entfernen Sie dann die Probe aus dem Transporter und laden Sie die Probe sowie alle Kontrollchips in die Induktionskammer ein. Verwenden Sie leitfähige Paste und pumpen Sie die Kammer auf 7,5 × 10⁻⁶ Millibar herunter.Stabilisieren Sie das System für drei Minuten, anschließend leiten Sie Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von acht Standardkubikzentimetern pro Minute ein. Argon mit 40 Standardkubikzentimetern pro Minute und Schwefelhexafluorid mit 20 Standardkubikzentimetern pro Minute. Erzeugen Sie das Plasma mittels einer 150-Watt-HF-Entladung.Danach modifizieren Sie den Gasfluss und ätzen eine Minute lang mit Durchflussraten von 52 Standardkubikzentimetern pro Minute für Schwefelhexafluorid und 8 Standardkubikzentimetern pro Minute für Sauerstoff nach der reaktiven Ionenätzung. Legen Sie die Probe erneut in den Transportbehälter unter Argongas. Öffnen Sie den Proben-Transporter und installieren Sie die Probe, die SEM-Halterung, sicher darin.Danach die Probenanordnung in das REM einbringen, die Kammer evakuieren und anschließend die Fiduzialmarker lokalisieren und darauf fokussieren. Den Arbeitsabstand nach Bedarf einstellen und Fokus, Helligkeit und Kontrast optimieren, um die Kohlenstoffablagerung auf den Mustern zu minimieren. Den Fokus mithilfe nahegelegener nicht essenzieller Strukturen optimieren.Wenn die Optimierung abgeschlossen ist, identifizieren Sie die ungefähre Position des Musters auf der Probe. Wechseln Sie anschließend zu den Mustern und nehmen Sie Aufnahmen und Messungen in Planansicht vor. Führen Sie danach eine typische Schließroutine des REM-Systems durch und demontieren Sie die Probe gemäß den Vorgaben des REM-Herstellers.Befestigen Sie die Probe erneut im Transportbehälter unter Argon. Zu diesem Zeitpunkt sind die Proben robust und können unbegrenzt lange gelagert werden. Hier sind repräsentative Rastertunnelmikroskop-Aufnahmen von HDL-Mustern dargestellt, die ausschließlich im AP-Modus erstellt wurden.Eine Kombination aus AP- und Feldemissionsmodi, bei der der AP-Modus zum Schreiben jeder Kante verwendet wurde und allein der Feldemissionsmodus, um die beste Maskenherstellung zu erreichen. Mithilfe von AP-HDL-Mustern muss eine hohe Selektivität mittels Rasterkraftmikroskopie möglich sein. Die Höhe des Titansuboxids, das auf den strukturierten Bereichen abgeschieden wurde, wurde mit der Abscheidung auf den Hintergrundbereichen verglichen.Dieses Beispiel zeigte eine Inkubation von etwa 20 Zyklen für das höchste Hintergrundwachstum. Hier werden zwei serpentinförmige Muster mit einer Teilung von 10 Nanometern im FE-Modus-HDL geschrieben. Durch Drehung der Muster um 90 Grad relativ zueinander entsteht ein Raster.Dasselbe Muster wird hier mit einem KM dargestellt, nachdem eine 2,8 Nanometer dicke Schicht aus Titanoxid abgeschieden wurde. Aufgrund von Tip-Konvolutions-Effekten sind die Öffnungen im Muster schwer aufzulösen. Nach dem reaktiven Ionenätzen wurden etwa 60 % der gewünschten Öffnungen in das Substrat übertragen, was darauf hinweist, dass diese Mustergröße und -dichte ungefähr die Grenze für die effektive Herstellung von Nanostrukturen mittels ausschließlich im FE-Modus betriebenem HDL darstellt, sobald dieser beherrscht ist.Diese Technik kann in etwa drei Tagen durchgeführt werden, sofern sie korrekt angewendet wird, wobei der größte Teil der Zeit der ultrahochvakuumbasierten Probenvorbereitung und gegebenenfalls dem Transport zwischen verschiedenen Orten gewidmet ist. Während des Verfahrens ist es wichtig, die Proben sauber zu halten und die Hintergrundatmosphäre nach dem Verfahren zu schützen. Andere Techniken wie die Nanoimprint-Lithografie können verwendet werden, um die nanofabrikatorischen Produktionskapazitäten dieser Technik zu erweitern.Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Proben sorgfältig behandelt werden müssen, um einzelne nanostrukturierte Gebilde im Nanometerbereich herzustellen. Vorsichtsmaßnahmen wie die Verdünnung von Gasen sollten stets beachtet werden, wenn dieser Prozess durchgeführt wird. Andernfalls können Schäden an den LD-Pumpsystemen verursacht werden.

atomically-traceable-nanostructure-fabrication

Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

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