Atomiquement traçable nanostructures Fabrication

L’objectif général de l’expérience suivante est de fabriquer des nanostructures de silicium avec traçabilité au réseau atomique en utilisant la croissance directe d’un masque de gravure d’oxyde métallique et la gravure ionique réactive. La précision ultime de cette procédure consiste à éliminer des zones précises d’une couche de passivation de l’hydrogène sur une puce de silicone à l’aide d’une pointe de microscope à effet tunnel comme deuxième étape, la surface du motif est exposée à l’aide d’un processus de dépôt de couche atomique qui dépose sélectivement du dioxyde de titane et agit comme un masque contre la gravure ionique réactive. Ensuite, une gravure ionique réactive est effectuée afin d’éliminer le silicium de la surface dans toutes les zones, à l’exception de celles qui avaient été modelées précédemment.

Les résultats montrent la capacité de fabriquer des structures jusqu’à 20 nanomètres de haut avec des dimensions critiques bien inférieures à 10 nanomètres. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes plus conventionnelles telles que le faisceau d’électrons ou la lithographie optique, est que les premières étapes de métrologie dans le STM fournissent des informations à l’échelle atomique. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés en nanotechnologie, telles que : quelles sont les interactions précises entre des nanostructures placées à des positions très bien définies les unes par rapport aux autres ?

En général, les personnes qui ne connaissent pas cette méthode auront du mal à s’adapter car il y a tellement d’étapes et d’opportunités d’endommager l’échantillon. Nous avons donc d’abord pensé à cette méthode lorsque nous avons essayé de maximiser l’épaisseur des masques de gravure au dioxyde de silicium, que nous écrivions sur du silicium, en utilisant une pointe A FM et une pointe STM dans une atmosphère oxydante. Au lieu de cela, en combinant la lithographie à l’hydrogène avec le dépôt de couche atomique, nous avons pu obtenir un contrôle aérien similaire tout en obtenant un plus grand degré de liberté dans le sens de la croissance.

La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle car les étapes de transfert et de localisation du motif sont difficiles à apprendre car chaque individu doit effectuer correctement ses propres étapes et être capable de comprendre les instructions de localisation de la position. Pour commencer, préparez et montez une puce de silicium 1 0 0 avec des repères dans le porte-échantillon d’un microscope à effet tunnel, et effectuez un cycle de flash et une passivation comme décrit dans le protocole de texte ci-joint. Ensuite, transférez l’échantillon dans le microscope à effet tunnel et amenez l’échantillon et la pointe dans la portée de l’effet tunnel.

À l’aide d’un appareil photo doté d’un pouvoir de résolution supérieur à 20 microns, la taille d’un spot est supérieure à 20 microns pour prendre une image optique haute résolution d’une jonction d’échantillon de pointe et redimensionner l’image optique de manière à ce qu’elle représente une reproduction non déformée des repères avec l’emplacement de la pointe observé. Ensuite, concevez les motifs HDL à produire, y compris les motifs expérimentaux et les motifs d’identification en serpentine. Divisez les motifs globaux en formes fondamentales afin de définir les vecteurs de base qui seront suivis par la pointe.

Lorsque vous appliquez les conditions HDL du mode AP et du mode FE, utilisez les informations de réseau de la surface du silicium. Pour déterminer le chemin de pointe ultime, utilisez le HDL atomiquement précis, également connu sous le nom de lithographie en mode AP pour les petites zones ou les zones nécessitant des arêtes de précision atomique à l’aide des sorties vectorielles de l’étape précédente. Effectuez la lithographie HDL en mode d’émission de champ pour de grandes surfaces avec un biais d’échantillonnage de sept à neuf volts, un courant d’un nanoampère et 0,2 milli klos par centimètre.

Ensuite, effectuez la métrologie du microscope à effet tunnel sur les zones HDL souhaitées en imageant avec une polarisation d’échantillon de moins 2,25 volts et un courant d’effet tunnel de 0,2 nanoampère. Ensuite, dégagez la pointe de l’échantillon et replacez l’échantillon dans le verrou de charge. Protégez l’échantillon en le mettant en contact avec un substrat plat inerte tel qu’un saphir propre une fois protégé, fermez les vannes de toutes les pompes, puis introduisez de l’azote gazeux dans la chambre le plus rapidement possible.

Lorsque la chambre est ventilée, retirez l’échantillon du système. Voir ici un gros plan de l’ensemble de blindage de l’échantillon à l’aide d’une pince à épiler en polytétrafluoroéthylène ou en titane. Déplacez rapidement l’échantillon vers le transporteur, en protégeant la face avant de l’échantillon.

Installez le couvercle sur l’échantillon et assemblez sans serrer le transporteur d’échantillon sous pression. Rincez le transporteur avec de l’argonne ultrapure pendant une minute, puis scellez le transporteur d’échantillons avec une petite pression positive d’argonne. Effectuez ces étapes pour protéger l’échantillon entre chaque étape du processus dans cet état.

L’échantillon restera stable jusqu’à un mois. Préchauffez la chambre de dépôt de la couche atomique à 100 degrés Celsius. Ouvrez ensuite le transporteur d’échantillons et utilisez une pince à épiler sans acier inoxydable pour transférer rapidement le ballon dans la chambre de dépôt.

Prendre note de la position et de l’orientation de l’échantillon et de la puce de contrôle. Fermez la chambre et purgez-la à l’aide d’un flux d’argon et d’une pression inférieure à 0,2 millibars pendant une heure. Effectuez ensuite 80 cycles répétés de dépôt de couche atomique pour faire croître une couche de titane amorphe de 2,8 nanomètres d’épaisseur sur l’échantillon en utilisant la recette décrite dans le protocole de texte d’accompagnement.

Une fois l’opération terminée, remettez rapidement l’échantillon dans le transporteur et purgez-le avec de l’argonne. Après avoir retiré l’échantillon du transporteur en toute sécurité, installez-le dans le système A FM à l’aide d’une méthode de montage mécanique telle qu’un système de serrage ou un mandrin à vide. Concentrez la caméra A FM sur l’échantillon et localisez les repères sur la surface de l’échantillon pour aligner la pointe A FM sur la zone où les nanomotifs sont censés être trouvés.

À l’aide des informations de hauteur et de phase à la résolution la plus élevée, balayez l’échantillon jusqu’à ce que les régions du motif de localisation soient identifiées. Prenez ensuite une image des régions souhaitées en utilisant la meilleure qualité d’image et la meilleure résolution disponibles. Une fois la zone d’intérêt imagée, prélever l’échantillon et le remettre dans le transporteur sous gaz argon.

Pendant la préparation de la gravure ionique réactive, refroidissez le réacteur de gravure ionique réactive couplé capacitif à moins 110 degrés Celsius. Retirez ensuite l’échantillon du transporteur et chargez l’échantillon et les puces de contrôle dans sa chambre d’induction. À l’aide de pâte conductrice, pompez la chambre à 7,5 fois 10 puissance moins six millibars.

Stabilisez le système pendant trois minutes, puis faites couler de l’oxygène à huit centimètres cubes standard par minute. L’argon à 40 centimètres cubes par minute et l’hexafluorure de soufre à 20 centimètres cubes par minute. Frappez le plasma à l’aide d’une décharge RF de 150 watts.

Modifiez ensuite le débit de gaz et gravez pendant une minute en utilisant des débits de 52 centimètres cubes standard par minute pour l’hexafluorure de soufre, de huit centimètres cubes standard par minute pour l’oxygène après la gravure ionique réactive. Replacez l’échantillon dans le transporteur sous le gaz argon. Ouvrez le transporteur d’échantillons et installez l’échantillon en toute sécurité, le support MEB.

Ensuite, introduisez l’ensemble d’échantillons dans le MEB, pompez la chambre, puis localisez et concentrez-vous sur les repères. Ajustez la distance de travail si nécessaire et optimisez la mise au point, la luminosité et le contraste pour minimiser le dépôt de carbone sur les motifs. Optimisez la mise au point à l’aide des fonctionnalités non essentielles à proximité.

Une fois optimisé, identifiez l’emplacement approximatif du motif sur l’échantillon. Passez ensuite aux motifs et acquérez des images et des mesures en plan. Effectuez ensuite une routine typique de fermeture du système MEB et démontez l’échantillon comme prescrit par le fabricant du MEB.

Fixez l’échantillon dans le transporteur sous argon. À ce stade, les échantillons sont robustes et peuvent être stockés pour une période indéterminée. Vous trouverez ici des images représentatives d’un microscope à effet tunnel de motifs HDL créés en utilisant uniquement le mode AP.

Une combinaison de modes d’émission AP et de champ où le mode AP a été utilisé pour écrire chaque mode d’émission de bord et de champ seul afin d’obtenir la meilleure production de masque. En utilisant les modèles HDL AP, un haut degré de sélectivité doit être possible à l’aide de la microscopie à force atomique. La hauteur de l’oxyde de titane déposé sur les régions du motif a été comparée au dépôt sur les régions de fond.

Cet échantillon a montré une incubation d’environ 20 cycles pour la croissance de fond la plus haute. Ici, deux motifs serpentins sont écrits sur un pas de 10 nanomètres à l’aide du mode EF HDL. En faisant pivoter les motifs de 90 degrés les uns par rapport aux autres, une grille est créée.

Ce même motif est illustré ici à l’aide d’un FM suite au dépôt de masque de 2,8 nanomètres d’oxyde de titane. En raison des effets de circonvolution de la pointe, les ouvertures du motif sont difficiles à résoudre. Après la gravure ionique réactive, environ 60 % des ouvertures souhaitées ont été transférées dans le substrat, ce qui indique que la taille et la densité de ce motif sont approximativement la limite pour une fabrication efficace de nanostructures en utilisant uniquement le mode FE HDL une fois maîtrisé.

Cette technique peut être réalisée en trois jours environ si elle est correctement exécutée, la plupart du temps étant consacré à la préparation d’échantillons sous vide ultra-intensif et au transport entre les sites si nécessaire. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de garder les échantillons propres et de protéger l’arrière-plan après cette procédure. D’autres techniques comme la lithographie par nano-impression peuvent être utilisées pour augmenter les capacités de production de nano-fabrication de cette technique.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de manipuler soigneusement des échantillons pour fabriquer des structures à l’échelle nanométrique unique. Des précautions, telles que la dilution du gaz, doivent toujours être utilisées lors de l’exécution de ce processus. Sinon, des dommages aux systèmes de pompage d’un LD peuvent être causés.