Name: La fabricación de nanoestructuras Atómicamente trazable (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-07-17T15:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 35 s
Description: Aprende a fabricar nanoestructuras de silicio con precisión atómica mediante microscopía de efecto túnel, deposición de capa atómica y grabado iónico reactivo. Este método permite crear estructuras tridimensionales con dimensiones críticas inferiores a 10 nanómetros.

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Este trabajo fue apoyado por un contrato de DARPA (N66001-08-C-2040) y por una subvención del Fondo de Tecnologías Emergentes del Estado de Texas. Los autores desean reconocer Jiyoung Kim, Greg Mordi, Angela Azcatl, y Tom Scharf por sus contribuciones relacionadas con selectiva deposición de capas atómicas, así como Wallace Martin y Gordon Pollock para el procesamiento de muestras ex situ.

1. Ex-Situ Preparación de la muestra <ol><li> Preparar fichas <ol><li> Diseño máscara de ataque apropiado para poner la identificación de marcadores en el Si (100) oblea. El uso de la litografía óptica estándar y RIE, grabar una cuadrícula de líneas como marcas de referencia en la oblea de la que se tomarán muestras de MCI. Las líneas deben ser de 10 micras de ancho, 1 m de profundidad, y en el terreno de juego de 500 micras. Después del grabado, la tira restante de la muestra de resina fotosensible. Nota: Las marcas de referencia deben ser identificables in situ para localización de la punta en la muestra, así como en el AFM y SEM durante la metrología. </li><li> Proteja la superficie de la oblea mediante la aplicación táctica estándar de cinta azul cortado en dados, con el lado pegajoso hacia abajo. </li><li> Obleas dados en los chips utilizando un diamante con punta de corte en cuadritos de cerámica vio en tamaños adecuados para la herramienta específica UHV-STM que se utiliza para realizar el HDL. Aquí, las muestras eran 8,1 mm x 8,1 mm cuadrados. </li></ol></li><li> Después de cortar en cubitos, preparar el chip para la inserción en herramienta de modelado UHV-STM suavementequitando la cinta cortar en cubitos, teniendo cuidado de no tocar chip con cualquier herramienta que contienen níquel que inducirán una reconstrucción de la superficie desfavorable después de UHV de preparación en el apartado 2 siguiente. <ol><li> Chip de Clean enjuagando la cara frontal para 10 seg cada uno con corrientes de acetona, alcohol isopropílico, metanol, y agua desionizada, respectivamente, mientras que agarre los lados de la muestra con politetrafluoroetileno (PTFE) pinzas. Por último, secar con ultrapura N2 o Ar, siendo agarre con pinzas de teflón. </li><li> Chip de la muestra en el Monte portamuestras STM utilizando métodos adecuados para la herramienta específica UHV-STM que se utilizará para el HDL. <ol><li> Si se monta en un soporte de la muestra que contiene níquel, tantalio cortar tiras de barrera de aluminio (aprox. 4 mm de altura de la muestra), utilizando tijeras de titanio. Tiras de papel de aluminio sonicar durante 5 min cada uno en acetona ultrapura, alcohol isopropílico, metanol, y agua DI, respectivamente. Seque con ultrapura gas N2 cubriendo parcialmente un vaso de precipitados con papel de aluminio e inyectaring una boquilla de N 2 en la abertura. Flujo de gas hasta que todo el líquido se haya evaporado. El uso de níquel pinzas libres, forma de lámina alrededor termina de la muestra a continuación en la abrazadera soporte de muestras para aislar partes delantera y trasera de la muestra de soporte de la muestra. </li></ol></li><li> Después del montaje, el plasma de la muestra limpia y soporte de la muestra en el plasma de oxígeno para eliminar la contaminación de carbono. 28 </li></ol></li></ol> 2. UHV Preparación de la muestra <ol><li> Introducir la muestra en el sistema de UHV a través de carga de bloqueo u otro método UHV-safe preferido para que el procesamiento de UHV y HDL normalmente pueden permanecer por debajo de 1,3 x 10 -9 mbar (excepto el paso 2.5.1.1 abajo). </li><li> Degas O / N a 650 ° C, el control de la temperatura con un pirómetro. Asegúrese de que la presión de la cámara está dentro de 25% del fondo. En el caso descrito aquí, las presiones de fondo típicos son de aproximadamente 4,5 x 10 -10 mbar. </li><li> Degas tungsteno agrietamiento por hidrógeno filamento a 1500 ° C durante 5 min.Activar las bombas de sublimación de titanio, si es posible. </li><li> Realizar muestras ciclo &quot;Flash&quot;. <ol><li> Flash muestra por calentamiento a 1250 ° C durante 20 seg, el seguimiento T con pirómetro y el uso de un / seg gradiente de calentamiento 10 ° C. No exceda una presión máxima de 7 x 10 -9 mbar. Enfriar mediante la eliminación de corriente de calentamiento en menos de 5 seg. </li><li> Resto muestra a 350 ° C durante 5 min. para permitir que la presión para recuperar al inicio del estudio. Repita 3 veces. </li></ol></li><li> Realizar muestra pasivación. <ol><li> Establecer temperatura de la muestra a 350 ° C usando un pirómetro para controlar la temperatura. Introducir 1,3 x 10 -6 mbar H ultrapura 2 en la cámara de preparación utilizando la válvula de escape. <ol><li> Ponga una trampa fría en la línea H 2 muy cerca de una válvula de escape en el sistema con el fin de purificar más H 2. </li><li> Si es posible, el sistema de alta velocidad de la bomba turbo en lugar de una bomba de iones bombear. Esto es por lo que la bomba de iones no contamine la muestra de ser exposed a los altos contaminantes presionado y expulsión. Las bombas se pusieron de nuevo en el estado normal después de la mayoría del hidrógeno se ha eliminado y la muestra está todavía caliente (350 ° C). </li></ol></li><li> Encienda hidrógeno tungsteno craqueo filamento a una temperatura de 1400 ° C durante 12 minutos, luego apague filamento y H 2 flujo de gas. Muestra Enfriar a temperatura ambiente. </li></ol></li></ol> 3. Scanning Tunneling Microscopía y Litografía <ol><li> Transferir la muestra para STM, y llevar la muestra y STM punta en gama de túneles. Utilizando una cámara con poder de resolución superior a un tamaño de punto de 20 micras, tome de alta resolución de imagen óptica de unión de punta-muestra. Enderezar y cambiar el tamaño de la imagen óptica de modo que representa una reproducción sin distorsión de las marcas de referencia. </li><li> Retire cualquier iluminación para reducir las inestabilidades térmicas del sistema. Determinar la calidad superficial. <ol><li> Utilizando técnicas de MCI convencionales con sesgo muestra de -2,25 V y 200 pA, identificar la adormecidaer de defectos en la superficie. </li><li> Si los defectos superficiales están por debajo de los niveles aceptables, pasar al siguiente paso. Niveles de defectos máximos aceptables son tan seguido: lazos que cuelgan de un 1%; Las vacantes de Si de 3%; contaminantes de 1%. </li></ol></li><li> Patrones de diseño de HDL a ser producidos, incluyendo tanto los patrones experimentales y grandes (1 micras x 1 m) los patrones de identificación serp. Los patrones serp deben elaborarse con un largo eje vector perpendicular al eje de exploración espera AFM rápido, usando un tono de 15 a 20 nm. Fractura patrón general en formas fundamentales para definir la trayectoria seguida por la punta cuando se aplican condiciones de HDL. 24 </li><li> El uso de salidas de vector de la etapa anterior, realice HDL usando el modo de litografía FE para las áreas grandes con sesgo de la muestra de 7-9 V, corriente de 1 nA, y 0,2 mC / cm y la litografía modo AP para áreas pequeñas o aquellas áreas que requieren bordes precisión atómica . 24 <ol><li> Determinar óptimas condiciones AP modo de litografía por performing HDL con una variedad de condiciones con sesgo de la muestra oscila entre 3,5 y 4.5 V, la corriente que van del 2 al 4 nA, y la línea de dosis que varían del 2 al 4 mC / cm. Elija condiciones que producen la línea más estrecha completamente depassivated. </li></ol></li><li> Realizar STM metrología en las áreas de HDL modelado deseados por imágenes en -2,25 sesgo V muestra y 0.2 corriente túnel nA. <ol><li> [Opcional] Realizar la corrección de errores. Después de la metrología STM, comparar patrón despasivación en las imágenes de STM con el patrón deseado desde el paso 3.5. Si cualquier área muestran la formación de enlaces colgando insuficiente, repetir el ciclo de la litografía en esas áreas. </li></ol></li><li> Después de completar STM HDL, desenganche la punta de la muestra, y mover la muestra para cargar cerradura. </li><li> Vent y retire la muestra. Durante ventilación con ultrapura N 2, proteger la muestra poniéndola en contacto con, sustrato plano inerte como el zafiro limpio. 29 Después de protección de la superficie, cierre las válvulas a las bombas y luego introducen ventilar el gas como quicKLY posible. Retirar la muestra a partir del sistema. </li></ol> Transporte 4. Muestra <ol><li> Retire la muestra a partir de bloqueo de carga. Suelte muestra del soporte de muestra, incluyendo la eliminación de las piezas de lámina de barrera si es posible. El uso de PTFE (Ti) o pinzas, mover la muestra a transportador, manteniendo lado frontal de la muestra protegido, tratando de mantener la exposición del ambiente a menos de 10 min. </li><li> Instale la cubierta sobre la muestra y vagamente montar un transportador de la muestra a presión. Enjuagar con Ar ultrapura durante 1 minuto. No evacuar sistema en cualquier momento, o se puede producir daños en la superficie. 29 Por último, el transportador muestra sello con una pequeña presión positiva (~ 50 a 100 mbar) de Ar para que la muestra se mantiene estable hasta a un mes. </li></ol> 5. deposición de capas atómicas <ol><li> Asegúrese de que el ALD está a la temperatura adecuada deposición (100 ° C). Aumente lentamente la presión de argón en la cámara de ALD hasta que se haya alcanzado la presión atmosférica. </li><li> Cámara de ALD en Abrir. </li><li> Abrir transportador de muestra y rápidamente transferir a la cámara de ALD usando un par de pinzas de PTFE agarrar la muestra en el borde, a continuación, cierre la cámara de ALD y purgar el uso de un flujo de argón a una presión de &lt;2 × 10 -1 mbar durante 1 hora para desgasificar las muestra. Establecer un proceso para llevar a cabo 80 ciclos repetidos de ALD a crecer 2,8 nm de óxido de titanio amorfo. <ol><li> El uso de un sistema de ALD comercial sin modificar a una temperatura de la muestra de 100-150 ° C, con tetracloruro de titanio (TiCl 4) y agua (H 2 O) como precursores realizan la deposición con reactivos a presiones de 0,3 mbar y 0,8 mbar, con tiempos de pulso de 0,1 seg y 0,05 seg, respectivamente. 27 </li><li> Después de cada pulso de gas, purgar el reactor con Ar durante 60 segundos a 0,2 mbar para asegurar una mínima deposición de fondo debido a reactivos adsorbidas. Para las máscaras en este trabajo, 80 ciclos de duración limitada se utilizan para crecer aproximadamente 2,8 nm de óxido de titanio amorfo a 100 ° C. </li></ol&gt; </li><li> Poco a poco la cámara de ventilación ALD con gas Ar y abierto. Repita los pasos 4.1 y 4.2 para el transporte de muestras. </li></ol> 6. Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) <ol><li> Asegurar la calibración adecuada de la AFM según el protocolo del fabricante. Abrir transportador muestra y retire con cuidado la muestra con unas pinzas. </li><li> Después de retirar de transportador, instalar de forma segura la muestra en el AFM utilizando un método de montaje mecánico tal como un sistema de sujeción si es posible. Enfoque la cámara AFM sobre la muestra, y localizar las marcas fiduciales sobre la superficie de la muestra para alinear la punta del AFM con el patrón basado en la metrología óptica en el paso 3.2. </li><li> Asegúrese de que los ajustes de AFM mostrarán tanto la información de la altura y la fase y establecer el tamaño de escaneo para estar entre 20 y 40 micras de ancho. Involucrar a la punta del AFM sobre la muestra. </li><li> Uso de la información de la altura y de la fase en la resolución más alta, escanear hasta la región de los patrones de localización se identifican. Zoom en la re modeladoregión y localizar la región en la que se desea una imagen. </li><li> Tome una imagen de las regiones deseadas usando la calidad de imagen y resolución apropiada (típicamente la más alta posible). Una vez que todas las regiones deseadas han sido escaneados, desenganche la punta de la muestra. Descargue la muestra. Repita los pasos 4.1 y 4.2 para el transporte de muestras. </li></ol> 7. Reactive Ion Aguafuerte <ol><li> Chill reactor RIE capacitivamente acoplada a -110 ° C, a continuación, cargar la muestra en su cámara de introducción y bombear hasta 7,5 x 10 -6 mbar. <ol><li> Estabilizar la temperatura durante 3 min. A continuación, gire el gas con velocidades de flujo de O 2 a 8 sccm (centímetros cúbicos estándar por minuto), Ar a 40 sccm, y SF 6 a 20 sccm. </li><li> Huelga usando un plasma de descarga de RF 150 W, a continuación, modificar el flujo de gas para grabar durante 1 min usando SF 6 a 52 sccm y O 2 a 8 sccm. La interacción de estos gases con Si va a grabar a una velocidad de aproximadamente 20 nm / min. 30 </sup&gt; </li><li> Bomba de vacío de 7,5 x 10 -6 mbar. Vent sistema RIE. Repita los pasos 4.1 y 4.2 para el transporte de muestras. </li></ol></li></ol> 8. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) <ol><li> SEM de montaje de la muestra y la introducción de la muestra a sistema. <ol><li> Coloque la muestra no adhesivo de montaje en una ubicación conveniente para facilitar el montaje de la muestra. </li><li> Abrir transportador muestra y retire con cuidado la muestra con unas pinzas para agarrar la muestra por los bordes y segura instalación al monte de SEM, y luego introducir la muestra en el montaje SEM. </li><li> Vent y la cámara SEM abierta. Instalar de forma segura el montaje de la muestra a la fase de muestra SEM. Bomba abajo cámara de SEM. </li></ol></li><li> Localice los fiduciales. <ol><li> Traiga la ampliación a menor valor posible. Seleccione el voltaje y haz los ajustes actuales de aceleración que darían buena resolución. Comience con la configuración más aceptables. Sube según sea necesario. </li><li> Encienda el haz de electrones. Traiga la región generalde interés para la distancia de trabajo recomendada y altura eucéntrica. </li><li> Busque y centrarse en fiduciales descritas en el apartado 1.1. Ajustar la distancia de trabajo según sea necesario. Optimizar el enfoque, el brillo y el contraste. </li></ol></li><li> Localizar y la imagen de los patrones. <ol><li> En relación con los fiduciales, busque los modelos basados ​​en la metrología óptica de la sección 3.2 y AFM de metrología de la sección 6. Para reducir al mínimo la deposición de carbono en los patrones, optimizar el enfoque utilizando características no esenciales cercanas. Una vez optimizado, mover a los patrones y adquirir imágenes y mediciones vista en planta. </li><li> Si es necesario, incline la muestra de imágenes en 3D y mediciones de altura patrón. Para otros modelos, repetir de 8.3, según sea necesario. </li></ol></li><li> Realice la rutina de cierre del sistema SEM y desmontar muestra / s, según lo prescrito por el fabricante SEM. Asegure la muestra de nuevo en el transportador. </li><li> Repita los pasos 4.3 y 4.4 para el transporte y almacenamiento de muestras. En este punto, las muestras son robustos y puedenser almacenados por un período indefinido de tiempo. Realizar post-proyección de imagen analiza si es necesario. </li></ol>

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<li>Ballard, J. B., Owen, J. H. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pattern+transfer+of+hydrogen+depassivation+lithography+patterns+into+silicon+with+atomically+traceable+placement+and+size+control%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vacuum+Science+and+Technology+B%22%5BJournal%5D)">Pattern transfer of hydrogen depassivation lithography patterns into silicon with atomically traceable placement and size control.</a> Journal of Vacuum Science and Technology B. 32 (4), 041804(2014).</li>
<li>Gusev, E. P., Cabral, C. Jr, Copel, M., D’Emic, C., Gribelyuk, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((U+ltrathin+HfO+2+films+grown+on+silicon+by+atomic+layer+deposition+for+advanced+gate+dielectrics+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Microelectronic+Engineering%22%5BJournal%5D)">U ltrathin HfO 2 films grown on silicon by atomic layer deposition for advanced gate dielectrics applications.</a> Microelectronic Engineering. 69, 145-151 (2003).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Realización de la metrología en las nanoestructuras descritos anteriormente requiere la capacidad de tender un puente sobre el posicionamiento de punta durante el HDL y el patrón de localización usando otras herramientas como AFM y SEM. En contraste con otras herramientas de modelado bien desarrollados con codificación de posición de alta resolución tales como la litografía por haz de electrones, la HDL realizado aquí se realizó con un STM sin ​​posicionamiento grueso bien controlada, por lo que se utilizaron protocolos...

Como la nanotecnología se vuelve más importante en una amplia variedad de escenarios, la comprensión de las estructuras que se está formando gana importancia, sobre todo en los campos de la litografía y la electrónica. Para enfatizar la importancia de la metrología a escala nanométrica, específicamente a escalas inferiores a 10 nm, cabe señalar que una variación en el tamaño de la característica de sólo el 1 nm indica una variación fraccional al menos 10%. Esta variación puede tener implicaciones importantes para el rendimiento del dispositivo y el carácter material de 1,2 -. 4 Utilizando métodos de síntesis, las características individuales de manera muy precisa formados como puntos cuánticos u otras moléculas complejas pueden ser fabricados, 2,5,6 pero por lo general carecen de la misma precisión en la colocación de características y orientación, a pesar del trabajo para mejorar el tamaño y la colocación de control. Este trabajo demuestra un enfoque para la fabricación de nanoestructuras con cerca de precisión tamaño atómico y la precisión en la colocación atómica característica, así comocon la metrología atómica en la colocación función. Uso de la precisión atómica de Scanning Tunneling Microscope (STM) de hidrógeno inducida Despasivación Litografía (HDL), los patrones atómicamente precisos con contraste químicamente sensibles se forman sobre una superficie. La deposición de capa atómica selectivo (ALD), entonces se aplica un material de óxido duro en las áreas estampadas, con Reactive Ion Etching (RIE) en última instancia, la transferencia de los patrones en el material a granel, como se muestra esquemáticamente en la Figura 1. Combinando el proceso de HDL de alta precisión con la norma ALD y RIE procesa los resultados en un método flexible para producir nanoestructuras sobre una superficie con forma arbitraria y posicionamiento. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig1.jpg" /> Figura 1. nanofabricación Primaria pasos del proceso. Como un ejemplo, un cuadrado x 200 nm 200 nm se muestra. Cada flecha círculo indica un paso de exposición atmosférica y tRANSPORTE entre sitios. Después de UHV preparación de muestras, la muestra se modela usando UHV HDL seguido de STM metrología (arriba a la izquierda). ALD se realiza a continuación, seguido por AFM metrología (derecha). RIE transfiere los patrones en Si (100), seguido por SEM metrología (abajo a la izquierda). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52900/52900fig1large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> La litografía más precisa hasta la fecha por lo general implica técnicas de sonda escaneadas, patrones específicamente basada en STM donde resolución atómica patrón y funcionalización se ha demostrado para muchas aplicaciones. 7 nanoestructuras Anteriormente, manipulación átomo ha producido con la máxima precisión mediante el uso de átomos individuales como bloques de construcción, 8 , 9,10 pero las nanoestructuras necesarias condiciones criogénicas y por lo tanto carecían de largo plazo robustez. Manipulación átomo de RT por eliminación de átomos de hidrógeno de la superficie se ha demostrado, specificalLy HDL. 11,12,13 HDL promete permitir nuevas clases de dispositivos electrónicos y otras basadas en la localización espacial de contraste superficie. Uso de HDL sin más procesamiento, varias arquitecturas de dispositivos son posibles incluyendo colgando cables de bonos o dispositivos lógicos. 14,15,16 Además de proporcionar contraste eléctrica, HDL puede introducir contraste químico en la superficie donde se ha eliminado la capa de pasivación H, en efecto crear una plantilla para su posterior modificación química. Esta modificación química ha sido demostrada en el silicio y otras superficies, mostrando selectividad por la deposición de metales, 17 aisladores, 18 y semiconductores incluso. 16,19 Cada uno de estos ejemplos produce dos estructuras tridimensionales, por lo que otras etapas de procesamiento debe ser utilizado para producir verdadera tres estructuras tridimensionales con el control resuelto atómicamente prometido por HDL. Anteriormente, esto ha requerido patrón repetido, 19,20,21 recocido, 22 </sup&gt; o menos bien resuelto procesos como el haz de electrones a base de punta deposición inducida. 23 Similar a la litografía por haz de electrones, HDL utiliza un flujo de electrones localizados para exponer una resisten. Existen varias similitudes tales como la capacidad para realizar multi-modo de litografía con tamaño de punto variable y eficiencia patrones. 24 Sin embargo, el verdadero poder de HDL surge de qué se diferencia de la litografía por haz de electrones. En primer lugar, el resistir en HDL es una monocapa de hidrógeno atómico de modo que resisten la exposición se convierte en un proceso digital; el átomo de resistir que se aplica o no está presente. 25 Desde la colocación átomo de H corresponde a la de Si subyacente (100) celosía proceso HDL puede ser un proceso atómicamente precisa, aunque debe tenerse en cuenta que en este trabajo el HDL tiene una precisión nanométrica como en lugar de tener la perfección atómico y por lo tanto no es digital en este caso. Desde la fuente de electrones en HDL es local a la superficie, los diversos modos de funcionamiento STM facilitar tantooptimización de rendimiento, así como la comprobación de errores. En sesgos punta de la muestra por debajo de ~ 4,5 V, la litografía se puede realizar en el nivel átomo individual con precisión atómica, conocido como modo preciso (modo AP) Atómicamente. Por el contrario, en los prejuicios anteriores ~ 7 V, los electrones son emitidos directamente desde la punta hasta la muestra con anchuras de línea de ancho y altas eficiencias de despasivación, conocidos aquí como el modo de emisión de campo (modo FE). Caudales de HDL pueden entonces ser optimizadas por cuidadosa combinación de estos dos modos, a pesar de los caudales globales siguen siendo pequeño en relación a e-beam litografía con modelar hasta 1 m 2 / minuto posible. Cuando el sesgo se invierte de modo que la muestra se mantiene a ~ -2.25 V, los electrones túnel desde la muestra a la punta con muy baja eficiencia despasivación, permitiendo de este modo la inspección de la estructura atómica de la superficie tanto para la corrección de errores y para la metrología escala atómica . Este proceso de fabricación nanoestructura muestra en la Figura 1 </strong&gt; comienza con un paso UHV-HDL, como se describe anteriormente. Después de HDL, la muestra se ventila a la atmósfera, en cuyo momento las áreas estampadas se saturan con agua, formando una delgada (es decir, ~ 1 monocapa) SiO 2 capa. 26 Después del transporte, la muestra se introduce en una cámara de ALD para la deposición de titania (TiO 2), con espesores de alrededor de 2-3 nm deposita aquí, medida por AFM y. XPS 27 Puesto que la reacción de óxido de titanio depende de una saturación de agua de la superficie, este proceso es posible a pesar de la exposición atmósfera que satura la superficie con agua . A continuación, para transferir el patrón de máscara ALD en la masa de la muestra fue grabado usando RIE de modo que se elimina 20 nm de Si, con la profundidad de ataque determinado por AFM y SEM. A fin de facilitar los pasos de metrología, una (100) de la oblea de Si se modela con una rejilla de líneas que están diseñados para ser visible después de la preparación UHV por un microscopio óptico de larga distancia de trabajo, formación de imágenes ópticas AFM vista en planta, ybajo magnificación plan de visión de imágenes SEM. Para ayudar a identificar las estructuras a nanoescala, los patrones de 1 m 2 de serpentina (SERPs) se modelan en las muestras con las nanopatrones más aisladas situadas en ubicaciones fijas en relación con los SERPs. Esta combinación de HDL, ALD selectiva, y RIE puede ser un proceso importante para la fabricación de nanoestructuras, y que incluye un metrología escala atómica como un subproducto natural del proceso. A continuación, incluimos una descripción detallada de los pasos necesarios para fabricar-10 sub nanoestructuras nm en Si (100) utilizando el HDL, ALD selectiva y RIE. Se supone que uno es experto en cada uno de estos procesos, pero la información se incluirá relacionada a la manera de integrar los diversos procesos. Se prestará especial atención a aquellas dificultades inesperadas experimentados por los autores con el fin de evitar que las mismas dificultades, especialmente en relación con el transporte y la metrología.

<table><tbody><tr><td>Oblea de Si</td><td>VA Semiconductor</td><td></td><td>tipo P (Boro) Si< 100> &#177; 2 grados, 280 mm &#177; 25 mm de espesor, 0,01-0,02 ohm-cm</td></tr><tr><td>Ta lámina</td><td>Alfa Aesar</td><td>335</td><td>0,025&nbsp; mm (0,001&nbsp; pulgadas) grueso, 99.997% (base de metales)</td></tr><tr><td>Metanol</td><td>Alfa Aesar</td><td>19393</td><td>Grado Semiconductor, 99.9%</td></tr><tr><td>2-Propanol</td><td>Alfa Aesar</td><td>19397</td><td>Grado Semiconductor, 99.5%</td></tr><tr><td>Acetona</td><td>Alfa Aesar</td><td>19392</td><td>Grado Semiconductor, 99.5%</td></tr><tr><td>Argón</td><td>Praxair</td><td></td><td>Pureza ultra alta (grado 5.0)</td></tr><tr><td>Agua desionizada</td><td>Millipore</td><td>Sistema de purificación de agua Milli-Q</td><td>>18 MW de agua de resistencia producida bajo demanda.</td></tr><tr><td>TiCl4</td><td>Sigma Aldrigh</td><td>254312</td><td>&ge; 99.995% base de metales traza</td></tr><tr><td>O2</td><td>Matheson</td><td>G2182101</td><td>Research Grade</td></tr><tr><td>SF6</td><td>Matheson</td><td>G2658922</td><td>Pureza ultra alta (grado 4.7)</td></tr><tr><td>Blue Medium Tack Roll</td><td>Semiconductor Equipment Corporation</td><td>18074</td><td>Espesor 75 &#956; m / 0.003" &nbsp; Longitud 200 m / 660' &nbsp;</td></tr></tbody></table>

la fabricación de nanoestructuras atómicamente trazable

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

Reducir la escala de las nanoestructuras grabadas por debajo del rango de 10 nm eventualmente requerirá una comprensión a escala atómica de todo el proceso de fabricación que se utiliza para mantener un control exquisito sobre el tamaño y la densidad de las características. Aquí, demostramos un método para rastrear estructuras controladas y resueltas atómicamente desde la definición inicial de la plantilla hasta la metrología final de la nanoestructura, abriendo un camino para el control atómico de arriba hacia abajo sobre la nanofabricación. La litografía por despasivación de hidrógeno es el primer paso del proceso de fabricación a nanoescala, seguido de la deposición selectiva de capas atómicas de hasta 2,8 nm de titanio para hacer una máscara de grabado a nanoescala. Se muestra el contraste con el fondo, indicando diferentes mecanismos de crecimiento en los patrones deseados y en el fondo pasivado H. A continuación, los patrones se transfieren a granel mediante grabado iónico reactivo para formar nanoestructuras de 20 nm de altura con anchos de línea de hasta ~6 nm. Para ilustrar las limitaciones de este proceso, se fabrican matrices de agujeros y líneas. Los diversos pasos del proceso de nanofabricación se realizan en ubicaciones dispares, por lo que se discute la integración del proceso. Se discuten temas relacionados, incluido el uso de marcas de referencia para encontrar nanoestructuras en una muestra macroscópica y la protección de la superficie de Si(100)-H con patrón químicamente reactivo contra la degradación debida a la exposición atmosférica.

En los casos descritos aquí, HDL se realiza usando multi-modo de litografía. 24 En el modo de FE, realizada con 8 V sesgo de la muestra, 1 nA, y 0,2 mC / cm (equivalente a 50 nm / seg velocidad de la punta), la punta se mueve sobre la superficie ya sea paralelo o perpendicular a la red de Si, la producción de líneas de despasivación. Mientras que esta forma lineal de punta es muy dependiente, en el caso aquí, la porción completamente depassivated de las líneas fue de aproximadamente 6 nm de ancho, con colas d...

Informamos de un protocolo para combinar la metrología atómica del Microscopio de Efecto Túnel de Barrido para el modelado de superficies con la Deposición selectiva de la Capa Atómica y el Grabado de Iones Reactivos. Utilizando un proceso robusto que implica numerosas exposiciones atmosféricas y transporte, se fabrican nanoestructuras 3D con metrología atómica.

La fabricación de nanoestructuras Atómicamente trazable

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

El objetivo general del siguiente experimento consiste en fabricar nanoestructuras de silicio con trazabilidad respecto a la red atómica, utilizando el crecimiento directo de una máscara de grabado de óxido metálico y el grabado iónico reactivo. La precisión máxima de este procedimiento implica eliminar áreas precisas de una capa de pasivación de hidrógeno sobre un chip de silicio mediante la punta de un microscopio de túnel de barrido; en un segundo paso, se expone la superficie patrón mediante un proceso de deposición de capa atómica que deposita selectivamente dióxido de titanio y actúa como máscara frente al grabado iónico reactivo. A continuación, se realiza un grabado iónico reactivo con el fin de eliminar silicio de la superficie en todas las áreas excepto en aquellas que previamente habían sido estructuradas.Los resultados muestran la capacidad de fabricar estructuras de hasta 20 nanómetros de altura con dimensiones críticas muy por debajo de 10 nanómetros. La principal ventaja de esta técnica frente a métodos más convencionales como la litografía por haz de electrones o la litografía óptica es que los pasos iniciales de metrología en el microscopio de efecto túnel (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 en relación una con otra.Generalmente, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque existen muchos pasos y múltiples oportunidades de dañar la muestra. Por ello, pensamos por primera vez en este método cuando intentábamos maximizar el espesor de las máscaras de grabado de dióxido de silicio, que estábamos escribiendo sobre silicio, utilizando una punta de MF y una de MEB en una atmósfera oxidante. En cambio, al combinar la litografía con hidrógeno y el depósito de capa atómica, pudimos obtener un control aéreo similar mientras que, en realidad, ganamos un mayor grado de libertad en la dirección de 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 persona debe realizar correctamente sus propios pasos y debe ser capaz de comprender las instrucciones de ubicación de posición. Para comenzar, prepare y monte un chip de silicio 1 0 0 con marcas fiduciales en el portamuestras de un microscopio de túnel de barrido, y realice un ciclo de flash y una pasivación según se describe en el protocolo de texto adjunto. A continuación, transfiera la muestra al microscopio de túnel de barrido y acerque la muestra y la punta al rango de túnel. Utilice una cámara con una potencia de resolución mejor que 20 micrones de tamaño de punto para tomar una imagen óptica de alta resolución de la unión entre la muestra y la punta, corrigiendo y redimensionando la imagen óptica de modo que represente una reproducción no distorsionada de las marcas de referencia con la ubicación observada de la punta. A continuación, diseñe los patrones HDL que se producirán, incluyendo tanto patrones experimentales como patrones de identificación serpenteantes. Fraccione los patrones generales en formas fundamentales con el fin de definir los vectores básicos que seguirá la punta.Al aplicar las condiciones de modo AP y modo FE en HDL, utilice la información de la red de la superficie de silicio. Para determinar la trayectoria final de la punta, emplee la litografía por desorción de hidrógeno con precisión atómica (HDL), también conocida como litografía en modo AP, para áreas pequeñas o aquellas que requieran bordes con precisión atómica, utilizando las salidas vectoriales del paso anterior. Realice la HDL mediante litografía en modo de emisión de campo para áreas grandes, con un sesgo de muestra de siete a nueve voltios, una corriente de un nanoamperio y 0,2 miliklos por centímetro.A continuación, realice la metrología mediante microscopía de túnel de barrido en las áreas deseadas del patrón HDL, obteniendo imágenes con un sesgo de muestra de menos 2,25 voltios y una corriente de túnel de 0,2 nanoamperios. Luego retire la punta de la muestra y mueva la muestra de regreso al compartimento de carga. Proteja la muestra poniéndola en contacto con un sustrato plano inerte, como zafiro limpio; una vez protegida, cierre las válvulas de las bombas e introduzca gas nitrógeno en la cámara lo más rápidamente posible.Cuando se ventile la cámara, retire la muestra del sistema. Vea aquí una vista de cerca del ensamblaje de blindaje de la muestra utilizando pinzas de politetrafluoroetileno o titanio. Mueva rápidamente la muestra al transportador, manteniendo el lado frontal de la muestra protegido.Coloque la tapa sobre la muestra y ensamble ligeramente el transportador de muestras presurizado. Lave el transportador con argón ultrapuro durante un minuto, y luego selle el transportador de muestras con una pequeña presión positiva de argón. Realice estos pasos para proteger la muestra entre cada etapa del proceso en estas condiciones.La muestra permanecerá estable durante hasta un mes. Precaliente la cámara de deposición por capas atómicas a 100 grados Celsius. Luego abra el transportador de muestras y utilice pinzas libres de acero inoxidable para transferir rápidamente la muestra a la cámara de deposición.Registre la posición y orientación del chip de la muestra y del control. Cierre la cámara y purifíquela mediante un flujo de argón y una presión inferior a 0,2 milibares durante una hora. A continuación, realice 80 ciclos repetidos de deposición atómica de capas para crecer una capa de 2,8 nanómetros de espesor de titania amorfa sobre la muestra, utilizando la receta descrita en el protocolo de texto adjunto.Una vez finalizado, traslade rápidamente la muestra de vuelta al transportador y purifique con argón. Después de retirar la muestra del transportador de forma segura, instálela en el sistema de MF-A mediante un método de montaje mecánico, como un sistema de sujeción o mordaza al vacío. Enfoque la cámara de MF-A sobre la muestra y localice las marcas de referencia en la superficie de la muestra para alinear la punta de MF-A con la zona donde se espera encontrar los patrones nanométricos.Utilizando la información de altura y fase a la máxima resolución, escanee la muestra hasta identificar las regiones del patrón localizador. Luego, obtenga una imagen de las regiones deseadas utilizando la calidad y resolución de imagen más alta disponible. Una vez que se haya obtenido la imagen del área de interés, retire la muestra y colóquela nuevamente en el transportador bajo gas argón.Mientras se prepara para el grabado iónico reactivo, enfríe el reactor del grabador iónico reactivo acoplado capacitivamente a menos 110 grados Celsius. Luego, retire la muestra del transportador y cargue la muestra y cualquier chip de control en su cámara de inducción. Utilice pasta conductiva y bombee la cámara hasta alcanzar 7,5 × 10⁻⁶ milibares.Estabilice el sistema durante tres minutos, luego haga fluir oxígeno a ocho centímetros cúbicos estándar por minuto. El argón a 40 centímetros cúbicos estándar por minuto y el hexafluoruro de azufre a 20 centímetros cúbicos estándar por minuto. Genere el plasma utilizando una descarga de RF de 150 vatios.Luego modifique el flujo de gas y ataque durante un minuto utilizando tasas de flujo de 52 centímetros cúbicos estándar por minuto para el hexafluoruro de azufre y 8 centímetros cúbicos estándar por minuto para el oxígeno tras el ataque iónico reactivo. Coloque la muestra nuevamente en el transportador bajo gas argón. Abra el transportador de la muestra e instale firmemente la muestra, el soporte para SEM.Luego introduzca el ensamblaje de la muestra en el MEB, evacúe la cámara y localice y enfoque los marcadores fiduciales. Ajuste la distancia de trabajo según sea necesario y optimice el enfoque, el brillo y el contraste para minimizar la deposición de carbono sobre los patrones. Optimice el enfoque utilizando características no esenciales cercanas.Una vez optimizado, identifique la ubicación aproximada del patrón en la muestra. A continuación, muévase hacia los patrones y obtenga imágenes y mediciones en vista plana. Luego, realice una rutina típica de cierre del sistema de MEB y desmonte la muestra según lo indicado por el fabricante del MEB.Fije la muestra nuevamente en el transportador bajo argón. En este punto, las muestras son estables y pueden almacenarse durante un período indefinido. Aquí se muestran imágenes representativas de microscopio de túnel de barrido de patrones de HDL creados utilizando únicamente el modo AP.Una combinación de los modos AP y emisión de campo, en la que se utilizó el modo AP para escribir cada borde y el modo de emisión de campo por separado para lograr la mejor producción de máscaras. Mediante patrones HDL en modo AP, debe ser posible alcanzar un alto grado de selectividad utilizando microscopía de fuerza atómica. Se comparó la altura del óxido de titanio depositado en las regiones patrón con el depósito en las regiones de fondo.Esta muestra mostró una incubación de aproximadamente 20 ciclos para el crecimiento de fondo más alto. Aquí, dos patrones serpenteantes se escriben con un paso de 10 nanómetros utilizando HDL en modo FE. Al rotar los patrones 90 grados uno respecto al otro, se crea una cuadrícula.Este mismo patrón se muestra aquí utilizando un microscopio de fuerza siguiendo la deposición de 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 este tamaño y densidad de patrón es aproximadamente el límite para la fabricación eficaz de nanoestructuras utilizando únicamente el modo FE de HDL una vez dominado.Esta técnica puede realizarse en aproximadamente tres días si se lleva a cabo correctamente, dedicando la mayor parte del tiempo a la preparación de la muestra bajo ultravacío y al transporte entre ubicaciones, si es necesario. Durante la realización de este procedimiento, es importante mantener las muestras limpias y proteger el fondo de contaminación tras este procedimiento. Otras técnicas, como la litografía por nanoimpresión, pueden utilizarse para aumentar las capacidades de producción de nanofabricación de esta técnica.Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo manipular cuidadosamente las muestras para fabricar estructuras a escala de un solo nanómetro. Siempre se deben tomar precauciones, como la dilución del gas, al realizar este proceso. De lo contrario, se podrían causar daños a los sistemas de bombeo LD.

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Investigación

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Ingeniería

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