La fabricación de nanoestructuras Atómicamente trazable

El objetivo general del siguiente experimento es fabricar nanoestructuras de silicio con trazabilidad a la red atómica utilizando el crecimiento directo de la máscara de grabado de óxido metálico y el grabado de iones reactivos. La máxima precisión de este procedimiento implica la eliminación de áreas precisas de una capa de pasivación de hidrógeno en un chip de silicona utilizando una punta de microscopio de efecto túnel de barrido como segundo paso, la superficie del patrón se expone mediante un proceso de deposición de capa atómica que deposita selectivamente dióxido de titanio y actúa como una máscara contra el grabado iónico reactivo. A continuación, se realiza un grabado iónico reactivo con el fin de eliminar el silicio de la superficie en todas las áreas excepto en las que se habían modelado previamente.

Los resultados muestran la capacidad de fabricar estructuras de hasta 20 nanómetros de altura con dimensiones críticas muy por debajo de los 10 nanómetros. La principal ventaja de esta técnica sobre métodos más convencionales como el e-beam o la litografía óptica, es que los pasos iniciales de metrología en el STM proporcionan información a escala atómica. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en nanotecnología, como ¿cuáles son las interacciones precisas entre nanoestructuras colocadas en posiciones muy bien definidas entre sí?

Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque hay muchos pasos y oportunidades para dañar la muestra. Así que pensamos por primera vez en este método cuando estábamos tratando de maximizar el grosor de las máscaras de grabado de dióxido de silicio, que estábamos escribiendo en silicona, utilizando una punta A FM y una punta STM en una atmósfera oxidante. En cambio, al combinar la litografía de hidrógeno con la deposición de capas atómicas, pudimos obtener un control aéreo similar y, al mismo tiempo, obtener un mayor grado de libertad en la dirección del crecimiento.

La demostración visual de este método es fundamental, ya que los pasos de transferencia y ubicación del patrón son difíciles de aprender porque cada individuo debe realizar sus propios pasos correctamente y ser capaz de comprender las instrucciones de ubicación de la posición. Para empezar, prepare y monte un chip de silicio 1 0 0 con marcas de referencia en el portamuestras de un microscopio de efecto túnel de barrido, y realice un ciclo de flash y pasivación como se describe en el protocolo de texto adjunto. A continuación, transfiera la muestra al microscopio de efecto túnel y lleve la muestra y la punta al rango de tunelización.

Utilice una cámara con un poder de resolución de más de 20 micras de tamaño de punto para tomar una imagen óptica de alta resolución de una unión de muestra de punta des skew y cambie el tamaño de la imagen óptica para que represente una reproducción no distorsionada de las marcas fiduciales con la ubicación de la punta observada. A continuación, diseñe los patrones de HDL que se van a producir, incluyendo tanto los patrones experimentales como los patrones de identificación de serpentinas. Fractura los patrones generales en formas fundamentales para definir los vectores básicos que serán seguidos por la punta.

Al aplicar las condiciones HDL del modo AP y del modo FE, utilice la información de celosía de la superficie de silicio. Para determinar la trayectoria final de la punta, utilice HDL de precisión atómica, también conocida como litografía en modo AP para áreas pequeñas o aquellas áreas que requieren bordes de precisión atómica utilizando las salidas vectoriales del paso anterior. Realice HDL utilizando litografía en modo de emisión de campo para áreas grandes con una polarización de muestra de siete a nueve voltios, una corriente de un nanoamperio y 0,2 mili klos por centímetro.

A continuación, realice la metrología del microscopio de túnel de barrido en las áreas con patrón de HDL deseadas mediante la obtención de imágenes con un sesgo de muestra de menos 2,25 voltios y una corriente de túnel de 0,2 nanoamperios. A continuación, desenganche la punta de la muestra y vuelva a colocar la muestra en el bloqueo de carga. Proteja la muestra poniéndola en contacto con un sustrato plano inerte, como un zafiro limpio, una vez protegida, cierre las válvulas de las bombas y, a continuación, introduzca el gas nitrógeno en la cámara lo más rápido posible.

Cuando la cámara esté ventilada, retire la muestra del sistema. Vea aquí un primer plano del conjunto de blindaje de muestra con pinzas de politetrafluoroetileno o titanio. Mueva rápidamente la muestra al transportador, manteniendo protegida la parte frontal de la muestra.

Instale la cubierta sobre la muestra y ensamble sin apretar el transportador de muestras presurizado. Enjuague el transportador con argonne ultrapuro durante un minuto y luego selle el transportador de muestras con una pequeña presión positiva de Argonne. Realice estos pasos para proteger la muestra entre cada paso del proceso en esta condición.

La muestra permanecerá estable hasta un mes. Precaliente la cámara de deposición de la capa atómica a 100 grados Celsius. A continuación, abra el transportador de muestras y utilice pinzas libres de acero inoxidable para transferirlas rápidamente a la cámara de deposición.

Tomar nota de la posición y orientación de la muestra y del chip de control. Cierre la cámara y purgue con un flujo de argón y una presión de menos de 0,2 milibares durante una hora. A continuación, realice 80 ciclos repetidos de deposición de capas atómicas para hacer crecer una capa de titania amorfa de 2,8 nanómetros de grosor en la muestra utilizando la receta descrita en el protocolo de texto adjunto.

Una vez completado, mueva rápidamente la muestra de vuelta al transportador y purgue con Argonne. Después de retirar la muestra del transportador de forma segura, instálela en el sistema A FM utilizando un método de montaje mecánico, como un sistema de sujeción o un mandril de vacío. Enfoque la cámara A FM en la muestra y ubique las marcas de referencia en la superficie de la muestra para alinear la punta A FM con el área donde se espera encontrar nanopatrones.

Utilizando la información de altura y fase en la resolución más alta, escanee la muestra hasta que se identifiquen las regiones del patrón de localización. A continuación, tome una imagen de las regiones deseadas utilizando la máxima calidad de imagen y resolución disponibles. Una vez que se haya obtenido una imagen del área de interés, retire la muestra y vuelva a colocarla en el transportador bajo el gas argón.

Mientras se prepara para el grabado de iones reactivos, enfríe el reactor de grabado de iones reactivos acoplado capacitivo a menos 110 grados Celsius. A continuación, retire la muestra del transportador y cargue la muestra y los chips de control en su cámara de inducción. Usando pasta conductora y bombee la cámara hasta 7.5 veces 10 a menos seis milibares.

Estabilice el sistema durante tres minutos, luego haga fluir el oxígeno a ocho centímetros cúbicos estándar por minuto. El argón a 40 centímetros cúbicos estándar por minuto y el fluoruro hexadecimal de azufre a 20 centímetros cúbicos estándar por minuto. Plasma de impacto utilizando una descarga de RF de 150 vatios.

Luego modifique el flujo de gas y grabe durante un minuto usando caudales de 52 centímetros cúbicos estándar por minuto para fluoruro de hexa de azufre, ocho centímetros cúbicos estándar por minuto para oxígeno después del grabado de iones reactivos. Vuelva a colocar la muestra en el transportador bajo el gas argón. Abra el transportador de muestras e instale de forma segura la muestra, el soporte SEM.

A continuación, introduzca el conjunto de muestras en el SEM, bombee hacia abajo en la cámara y, a continuación, localice y concéntrese en los marcadores de referencia. Ajuste la distancia de trabajo según sea necesario y optimice el enfoque, el brillo y el contraste para minimizar la deposición de carbono en los patrones. Optimice el enfoque utilizando funciones cercanas no esenciales.

Una vez optimizado, identifique la ubicación aproximada del patrón en la muestra. A continuación, desplácese a los patrones y adquiera imágenes y medidas de vista en planta. A continuación, realice una rutina típica de cierre del sistema SEM y desmonte la muestra según lo prescrito por el fabricante del SEM.

Asegure la muestra de nuevo en el transportador bajo el argón. En este punto, las muestras son robustas y se pueden almacenar durante un período de tiempo indefinido. Aquí se muestran imágenes representativas de microscopio de túnel de barrido de patrones HDL creados solo con el modo AP.

Una combinación de modos de emisión AP y de campo en la que se utilizó el modo AP para escribir cada modo de emisión de borde y campo solo con el fin de lograr la mejor producción de máscara. Utilizando patrones AP HDL, debe ser posible un alto grado de selectividad utilizando microscopía de fuerza atómica. La altura del óxido de titanio depositado en las regiones del patrón se comparó con la deposición en las regiones de fondo.

Esta muestra mostró una incubación de alrededor de 20 ciclos para el crecimiento de fondo más alto. Aquí, dos patrones serpentinos se escriben en un tono de 10 nanómetros utilizando el modo FE HDL. Al rotar los patrones 90 grados entre sí, se crea una cuadrícula.

Este mismo patrón se muestra aquí utilizando un FM después de la deposición de la máscara de 2,8 nanómetros de óxido de titanio. Debido a los efectos de convolución de la punta, las aberturas en el patrón son difíciles de resolver. Después del grabado iónico reactivo, aproximadamente el 60% de las aberturas deseadas se transfirieron al sustrato, lo que indica que el tamaño y la densidad de este patrón son aproximadamente el límite para la fabricación efectiva de nanoestructuras utilizando solo el modo FE HDL una vez dominado.

Esta técnica se puede realizar en aproximadamente tres días si se realiza correctamente, y la mayor parte del tiempo se dedica a la preparación de muestras al vacío ultra alto y al transporte entre ubicaciones si es necesario. Al intentar este procedimiento, es importante mantener las muestras limpias y proteger el fondo después de este procedimiento. Otras técnicas, como la litografía por nanoimpresión, pueden utilizarse para ampliar las capacidades de producción de nanofabricación de esta técnica.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo manejar cuidadosamente las muestras para fabricar estructuras a escala de un solo nanómetro. Siempre se deben tomar precauciones, como la dilución de gas, al realizar este proceso. De lo contrario, se pueden causar daños a los sistemas de bombeo LD.