Atomar Traceable Nanostrukturen

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist die Herstellung von Silizium-Nanostrukturen mit Rückführbarkeit auf das Atomgitter durch direktes Metalloxidätzen, Maskenwachstum und reaktives Ionenätzen. Die höchste Präzision dieses Verfahrens besteht darin, präzise Bereiche einer Wasserstoff-Passivierungsschicht auf einem Silikonchip mit einer Rastertunnelmikroskopspitze zu entfernen. In einem zweiten Schritt wird die Musteroberfläche mit einem Atomlagenabscheidungsverfahren freigelegt, das Titandioxid selektiv abscheidet und als Maske gegen reaktives Ionenätzen wirkt. Als nächstes wird das reaktive Ionenätzen durchgeführt, um das Silikon von der Oberfläche in allen Bereichen zu entfernen, mit Ausnahme derjenigen, die zuvor strukturiert wurden.

Die Ergebnisse zeigen die Fähigkeit, bis zu 20 Nanometer hohe Strukturen mit kritischen Abmessungen weit unter 10 Nanometern herzustellen. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber konventionelleren Methoden wie der Elektronenstrahl- oder optischen Lithographie besteht darin, dass die ersten Messschritte im STM Informationen über die atomare Skala liefern. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen der Nanotechnologie zu beantworten, wie z.B. was genau die Wechselwirkungen zwischen Nanostrukturen sind, die an sehr genau definierten Positionen relativ zueinander angeordnet sind.

Im Allgemeinen werden Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, da es so viele Schritte und Möglichkeiten gibt, die Probe zu beschädigen. Wir dachten zum ersten Mal an diese Methode, als wir versuchten, die Dicke von Siliziumdioxid-Ätzmasken zu maximieren, die wir auf Silizium schrieben, indem wir ein A FM und eine STM-Spitze in einer oxidierenden Atmosphäre verwendeten. Stattdessen konnten wir durch die Kombination von Wasserstofflithographie und Atomlagenabscheidung eine ähnliche Luftsteuerung erzielen und gleichzeitig einen größeren Freiheitsgrad in der Wachstumsrichtung gewinnen.

visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Schritte zur Übertragung und Musterortung schwer zu erlernen sind, da jeder Einzelne seine eigenen Schritte korrekt ausführen und in der Lage sein muss, die Anweisungen zur Positionsbestimmung zu verstehen. Zu Beginn wird ein Siliziumchip 1 0 0 mit Passermarken vorbereitet und in den Probenhalter eines Rastertunnelmikroskops eingebaut und ein Blitzzyklus und eine Passivierung durchgeführt, wie im beigefügten Textprotokoll beschrieben. Übertragen Sie anschließend die Probe in das Rastertunnelmikroskop und bringen Sie die Probe und die Spitze in den Tunnelbereich.

Verwenden Sie eine Kamera mit einem Auflösungsvermögen von besser als 20 μm Spotgröße, um ein hochauflösendes optisches Bild einer Spitzenprobe zu aufnehmen, und ändern Sie die Größe des optischen Bildes so, dass es eine unverzerrte Reproduktion der Passermarken mit der beobachteten Spitzenposition darstellt. Entwerfen Sie als Nächstes die zu erzeugenden HDL-Muster, einschließlich experimenteller Muster und Serpentin-Identifikationsmuster. Zerlegen Sie die Gesamtmuster in Grundformen, um die Grundvektoren zu definieren, auf die die Spitze folgt.

Wenn Sie die HDL-Bedingungen für den AP-Modus und den FE-Modus anwenden, verwenden Sie Gitterinformationen von der Siliziumoberfläche. Um den ultimativen Spitzenpfad zu bestimmen, verwenden Sie atomar präzises HDL, auch bekannt als AP-Modus-Lithographie für kleine Bereiche oder Bereiche, die atomare Präzisionskanten erfordern, unter Verwendung der Vektorausgaben aus dem vorherigen Schritt. Führen Sie HDL mit der Feldemissions-Lithographie für große Flächen mit einer Probenverzerrung von sieben bis neun Volt, einem Strom von einem Nanoampere und 0,2 Milliklos pro Zentimeter durch.

Führen Sie als Nächstes eine Rastertunnelmikroskop-Metrologie an den gewünschten HDL-strukturierten Bereichen durch, indem Sie mit einer Probenvorspannung von minus 2,25 Volt und einem Tunnelstrom von 0,2 Nanoampere abbilden. Lösen Sie dann die Spitze von der Probe und bewegen Sie die Probe zurück in die Lastschleuse. Schützen Sie die Probe, indem Sie sie mit einem inerten, flachen Substrat wie sauberem Saphir in Kontakt bringen, sobald sie geschützt sind, schließen Sie die Ventile für alle Pumpen und leiten Sie dann so schnell wie möglich Stickstoffgas in die Kammer ein.

Wenn die Kammer entlüftet ist, nehmen Sie die Probe aus dem System. Sehen Sie hier eine Nahaufnahme der Probenabschirmung mit einer Pinzette aus Polytetrafluorethylen oder Titan. Bringen Sie die Probe schnell zum Transporter, wobei die Vorderseite der Probe geschützt bleibt.

Bringen Sie die Abdeckung über der Probe an und montieren Sie den unter Druck stehenden Probentransporter lose. Spülen Sie den Transporter eine Minute lang mit hochreiner Argonne und verschließen Sie dann den Probentransporter mit einem kleinen Überdruck von Argonnen. Führen Sie diese Schritte aus, um die Probe zwischen den einzelnen Schritten des Prozesses in diesem Zustand zu schützen.

Die Probe bleibt bis zu einem Monat lang stabil. Heizen Sie die Atomlagenabscheidungskammer auf 100 Grad Celsius vor. Öffnen Sie dann den Probentransporter und verwenden Sie eine edelstahlfreie Pinzette, um die Probentransporter schnell in die Abscheidekammer zu befördern.

Notieren Sie sich die Position und Ausrichtung des Proben- und Steuerchips. Schließen Sie die Kammer und spülen Sie sie eine Stunde lang mit einem Argonstrom und einem Druck von weniger als 0,2 Millibar. Führen Sie dann 80 wiederholte Zyklen der Atomlagenabscheidung durch, um eine 2,8 Nanometer dicke Schicht aus amorphem Titandioxid auf der Probe zu züchten, wobei das im begleitenden Textprotokoll beschriebene Rezept

Wenn dies abgeschlossen ist, bringen Sie die Probe schnell zurück in den Transporter und reinigen Sie sie mit Argonne. Nachdem Sie die Probe sicher aus dem Transporter entnommen haben, installieren Sie sie mit einer mechanischen Befestigungsmethode, wie z. B. einem Spannsystem oder einem Vakuumfutter, in das A FM-System. Fokussieren Sie die A FM-Kamera auf die Probe und lokalisieren Sie die Passermarkenmarkierungen auf der Probenoberfläche, um die A FM-Spitze auf den Bereich auszurichten, in dem Nanomuster zu finden sind.

Verwenden Sie die Höhen- und Phaseninformationen mit der höchsten Auflösung, und scannen Sie die Probe, bis die Bereiche des Locator-Musters identifiziert sind. Nehmen Sie dann ein Bild der gewünschten Bereiche mit der höchsten verfügbaren Bildqualität und Auflösung auf. Sobald der interessierende Bereich abgebildet wurde, entnehmen Sie die Probe und legen Sie sie zurück in den Transporter unter Argongas.

Während Sie sich auf das reaktive Ionenätzen vorbereiten, kühlen Sie den kapazitiv gekoppelten reaktiven Ionenätzreaktor auf minus 110 Grad Celsius ab. Nehmen Sie dann die Probe aus dem Transporter und laden Sie die Probe und eventuelle Steuerchips in die Induktionskammer. Mit leitfähiger Paste die Kammer auf 7,5 mal 10 bis minus sechs Millibar herunterpumpen.

Stabilisieren Sie das System drei Minuten lang und lassen Sie dann Sauerstoff mit acht Standardkubikzentimetern pro Minute fließen. Das Argon bei 40 Normkubikzentimetern pro Minute und das Schwefelhexafluorid bei 20 Normkubikzentimetern pro Minute. Schlagplasma mit einer 150-Watt-HF-Entladung

Modifizieren Sie dann den Gasfluss und ätzen Sie eine Minute lang mit Durchflussraten von 52 Standardkubikzentimetern pro Minute für Schwefelhexafluorid und acht Standardkubikzentimetern pro Minute für Sauerstoff nach reaktivem Ionenätzen. Legen Sie die Probe zurück in den Transporter unter Argongas. Öffnen Sie den Probentransporter und setzen Sie die Probe, die REM-Montierung, sicher ein.

Führen Sie dann die Probenanordnung in das REM ein, pumpen Sie die Kammer hinunter und lokalisieren und fokussieren Sie dann die Passermarken. Passen Sie den Arbeitsabstand nach Bedarf an und optimieren Sie den Fokus, die Helligkeit und den Kontrast, um die Kohlenstoffablagerung auf den Mustern zu minimieren. Optimieren Sie den Fokus mithilfe von nicht wesentlichen Merkmalen in der Nähe.

Identifizieren Sie nach der Optimierung die ungefähre Position des Musters auf der Probe. Wechseln Sie dann zu den Mustern und erfassen Sie Draufsichtsbilder und Messungen. Führen Sie dann eine typische Schließroutine für das REM-System durch und demontieren Sie die Probe wie vom REM-Hersteller vorgeschrieben.

Sichern Sie die Probe wieder unter Argon in den Transporter. Zu diesem Zeitpunkt sind die Proben robust und können auf unbestimmte Zeit gelagert werden. Hier sehen Sie repräsentative Rastertunnelmikroskopbilder von HDL-Mustern, die nur im AP-Modus erstellt wurden.

Eine Kombination aus AP- und Feldemissionsmodi, bei der der AP-Modus verwendet wurde, um jeden Kanten- und Feldemissionsmodus einzeln zu schreiben, um die beste Maskenproduktion zu erzielen. Unter Verwendung von AP-HDL-Mustern muss mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie ein hohes Maß an Selektivität möglich sein. Die Höhe des Titanoxids, das sich auf den Strukturbereichen ablagert, wurde mit der Abscheidung auf den Hintergrundbereichen verglichen.

Diese Probe zeigte eine Inkubation von etwa 20 Zyklen für das höchste Hintergrundwachstum. Hier werden zwei Serpentinenmuster auf einem Abstand von 10 Nanometern mit dem FE-Modus HDL geschrieben. Durch Drehen der Muster um 90 Grad relativ zueinander wird ein Raster erstellt.

Das gleiche Muster wird hier mit einem FM gezeigt, das der Maskenabscheidung von 2,8 Nanometern Titanoxid folgt. Aufgrund von Spitzenfaltungseffekten sind die Öffnungen im Muster schwer zu lösen. Nach dem reaktiven Ionenätzen wurden etwa 60 % der gewünschten Öffnungen in das Substrat übertragen, was darauf hindeutet, dass diese Strukturgröße und -dichte ungefähr die Grenze für eine effektive Nanostrukturherstellung mit nur dem FE-Modus HDL ist.

Diese Technik kann bei sachgemäßer Durchführung in etwa drei Tagen durchgeführt werden, wobei die meiste Zeit für die Vorbereitung von Ultrahoch- und Vakuumproben und den Transport zwischen den Standorten aufgewendet wird, falls erforderlich. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, die Proben sauber zu halten und den Hintergrund zu schützen. Andere Techniken wie die Nano-Imprint-Lithographie können verwendet werden, um die Produktionsmöglichkeiten dieser Technik in der Nanofabrikation zu erweitern.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie sorgfältig mit Proben umgehen, um Strukturen im Nanometermaßstab herzustellen. Bei der Durchführung dieses Vorgangs sollten immer Vorsichtsmaßnahmen wie z. B. Gasverdünnung getroffen werden. Andernfalls kann es zu Schäden an den a LD Pumpsystemen kommen.