ניתוח של ממשקי מגע עבור יחיד התקני Nanowire גן

סיכום

טכניקה פותחה שמסירה סרטי מגע מתכת ניקל / Au מהמצע שלהם, כדי לאפשר בדיקה ואפיון של הקשר / מצע וממשקי המגע / NW של מכשירי nanowire גן אחד.

תקציר

מכשירי nanowire גן יחיד (NW) מפוברקים על SiO ₂ יכולים תערוכת השפלה חזקה לאחר חישול עקב ההתרחשות של היווצרות חלל במגע / SiO ₂ ממשק. היווצרות חלל זה יכול לגרום לפיצוח וdelamination של סרט המתכת, אשר יכול להגביר את ההתנגדות או להוביל לכישלון של מכשיר NW מלא. על מנת לטפל בבעיות הקשורות להיווצרות חלל, טכניקה פותחה שמסירה סרטי מגע מתכת ניקל / Au מהמצעים, כדי לאפשר בדיקה ואפיון של הקשר / מצע וממשקי המגע / NW של התקני גן NW אחת. הליך זה קובע את מידת ההידבקות של קשר הסרטים למצע וNWS ומאפשר האפיון של המורפולוגיה וההרכב של קשר הממשק עם המצע וnanowires. טכניקה זו שימושית גם להערכת כמות הזיהום שיורית שנותרה מהשעית NWnd מתהליכי photolithographic על פני השטח NW-SiO ₂ לפני בתצהיר מתכת. הצעדים מפורטים של הליך זה מוצגים להסרת אנשי קשר ניקל / Au annealed לNWS גן מסומם-Mg במצע SiO _2.

מבוא

מכשירים היחיד NW נעשים על ידי פיזור השעיה NW על גבי מצע מבודד ויוצרים קשר כריות על המצע באמצעות photolithography הקונבנציונלי ותצהיר מתכת, מה שגורם מכשירי שני מסוף נוצרו באופן אקראי. SiO ₂ סרט עבה על פרוסות סיליקון Si משמש בדרך כלל כמצע בידוד ^1,2. למתכות שהופקדו על פני השטח SiO _2, בעיה נפוצה הנובעת מטיפול בחום היא התופעה של היווצרות חלל ב/ SiO ₂ ממשק המתכת. בנוסף לפיצוח וdelamination של סרט המתכת, היווצרות חלל זה יכול להשפיע לרעה על ביצועי מכשיר מגידול בהתנגדות שנגרם על ידי הפחתה של שטח המגע. קשר ניקל / Au מתחמצן בN ₂ / O ₂ אטמוספרות הוא תכנית הקשר הדומיננטית תחול על p-גן ^3-7. במהלך טיפול בחום בN ₂ / O _2, Ni מפזר על פני השטח כדי ליצור NIO וAu מתמוסס אלפני מצע.

בעבודה זו, היווצרות חלל מוגזמת _ב2 ממשקי המגע / NW וקשר / SiO הוצגה להתרחש במהלך חישול של אנשי קשר של ניקל / Au לNWS על SiO ₂ ^8. המורפולוגיה של סרט ניקל / Au annealed פני השטח, לעומת זאת, אינה מצביעה על קיומם של חללים או המידה שבה להיווצרות החלל התרחשה. כדי לטפל בבעיה זו, פיתחנו טכניקה להסרת של אנשי קשר של ניקל / Au וגן NWS מSiO ₂ / Si מצעים על מנת לנתח את הממשק של המגע עם המצע וNWS. טכניקה זו יכולה לשמש להסרת כל מבנה קשר שיש הידבקות עניות למצע. סרטי ניקל / Au עם NWS גן שגלום בו יוסרו מן המצע SiO ₂ עם קלטת פחמן. קלטת פחמן דבקה סיכה סטנדרטית לעלות לאפיון על ידי שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), יחד עם כמה כלים אחרים. הנוהל מפורט לfabrication של התקני גן NW אחת וניתוח של מורפולוגיה ממשק אנשי הקשר שלהם מתוארים.

פרוטוקול

NWS גן המשמש בניסויים אלה גדלו על ידי epitaxy ללא זרז מולקולרי קורה (MBE) על Si (111) מצעים ^9. הנוהל הכללי להכנת ההשעיה NW מהמצע עם NWS כבוגר מודגם באיור 1.

1. הכנת ההשעיה Nanowire

1. קליב חתיכה (<5 מ"מ x 5 מ"מ) קטנה של NWS כ- גדל על המצע.
2. מלא בקבוקון קטן עם כתרים על 1 מיליליטר של isopropanol (IPA).
3. מניחים את פיסה ביקע לתוך הבקבוקון, לסגור את המכסה וsonicate כ 30 שניות על מנת להסיר NWS מהמצע. ברגע שמוכן, ההשעיה NW נשארת קיימא במשך תקופה ארוכה של זמן.

2. הכנת מצע

מצעים בשימוש הם מסוממים בכבדות (ρ ~ 0.001-.005 Ω-סנטימטר) 3 אינץ Si ופלים עם 200 ננומטר של SiO תרמית שגודל ₂ בשני הצדדים.

1. אם eleקשר ctrical למצע סיליקון הוא רצוי, לחרוט את תחמוצת מהישבן של פרוסות סיליקון באמצעות חרט ורי עם התנאים, O זרימה ₂ = 20 SCCM, ₃ CHF זרימה = 50 SCCM, -240 V הטיה, 120 W לבא 20 דקות. צעד זה גם עוזר למנוע טעינה של הדגימה במיקרוסקופ אלקטרונים.
2. לאחר לחרוט תחמוצת, רקיק נקי על ידי submersing זה עם פנים כלפי מטה באמצעות בעל חצובה לתוך מבחנה 1,000 מיליליטר עם של אצטון ~ 100 מיליליטר למשך 5 דקות.
3. הסר רקיק מאצטון ומייד לשטוף את שני הצדדים של פרוסות סיליקון באמצעות בקבוק להשפריץ של IPA מעל כוס ריקה 1,000 מיליליטר, אשר תשמש לפסולת ממס.
4. חזור על שלב 2 באמצעות IPA.
5. חזור על שלב 3 שטיפת רקיק עם H ₂ O deionized מעל כוס פסולת הממס.
6. חזור על שלב 2 באמצעות H deionized ₂ O.
7. מכה יבשה רקיק תוך שימוש בחנקן יבש דחוס _2.

3. Nanowire פיזור

1. קליב הנקי wafer ל -4 רבעים שווים. כל רבעון יש 3 דפוסי קשר שהופקדו עליו בתחומים הכלליים שמוצגים באיורי 2 א ו-B.
2. Sonicate הבקבוקון של ההשעיה NW לפני מחלק על מנת לקבל ריכוז NW אחיד בהשעיה.
3. הגדר את micropipette לגודל הרצוי הטיפה (3-30 μl) ולצייר את ההשעיה NW מהבקבוקון.
4. קח פיסת מצע (¼ רקיק) שישמש לפיזור ולוודא שהוא ברמה, כך שהשעית NW אינה מעבירה משם לקצוות.
5. לוותר על ההשעיה NW על גבי המשטח הקדמי (חמצון) של מצע Si באזור הכללי שבו דפוס הקשר יופקד. אם תרצה, טיפות נוספות הפקדה של ההשעיה NW באותו האזור, לאחר הממס מהירידה הקודמת התאדו לחלוטין.
6. חזור על שלב 3.4 ל2 אזורים האחרים שבם דפוס קשר יהיה. לא לוותר על ההשעיה NW מיותרמאשר להפעיל צמיחת 1 על פיסת מצע יחידה (רקיק ¼) על מנת למנוע זיהום לחצות. הפיזור של ההשעיה NW על גבי המצע בא לידי ביטוי בדמויות 2C ו-D.
7. לאחר הירידה הסופית של ההשעיה NW התנדפה, הנח את פני המדגם למטה בבעל החצובה ובעדינות לטבול באמבטיות רצופות של אצטון וisopropanol כדי להסיר זיהומים לא רצויים. יש לשטוף בH deionized ₂ O, ומכה יבשה בN _2. אין להשתמש בבקבוקי לחיצים או sonicate הממס במהלך תהליך ניקוי זה כדי להימנע מהסרה עודפת של NWS מפני השטח.

4. Photolithography של תבנית לתקשר

השתמש בטכניקות photolithographic סטנדרטיות כדי ליצור דפוס הקשר בחדר נקי עם תנאי סביבה של ~ 20 ° C ו ~ 40% לחות יחסית. עוצמת מסכת aligner (שלב 4.6), משך החשיפה (שלב 4.8) ולפתח זמן (שלב 4.9) תהיה ציוד תלויnd צריך להיות מותאם כדי לייצר הגדרת דפוס מקסימלית עם (שרה"ט) המראה-להתנגד לערער של כ 0.5 מיקרומטר.

1. ספין המראה להתנגד על מדגם באמצעות מתכון צעד שניים (1) 300 סל"ד 10 שניות (2) 2,000 סל"ד 45 שניות.
2. הנח מדגם על פלטה חשמלית לאפות במשך 5 דקות ב150-170 ° C.
3. הסר את המדגם ולאפשר להתקרר במשך 30 שניות ולאחר מכן לסובב על photoresist באמצעות מתכון צעד שניים (1) 1,000 סל"ד במשך 3 שניות (2) בסל"ד 5,000 ל45 שניות.
4. הנח מדגם על פלטה חשמלית לאפות 1 דקות ב115 ° C.
5. אפשר לדוגמה כדי לקרר דקות 1.
6. לכייל aligner מסכה לעוצמת אור של ~ 1.90 mW / ² סנטימטר.
7. טען מדגם לתוך aligner מסכה, עם המסכה המתאימה לדפוס המגע המותקן.
8. תביא דוגמא במגע עם מסכה ולחשוף את המדגם עבור 24 שניות.
9. לפתח photoresist ידי מתערבל מדגם בכוס של יזם ל21 שניות.
10. לשטוף עם H ₂ O deionized ומכה יבש wה-i N _2.

5. לדוגמא לפני טיפול לפני מתכת הפקדת

לפני טעינת הדגימות לתוך מאייד אלומת אלקטרונים לתצהיר מתכת, לתת רקיק בדוגמת טיפול UV אוזון וHCl: H ₂ O אמבטיה.

1. דגימות עומס למחולל אוזון UV עבור 10 דקות עם O ₂ קצב זרימה גבוה במיוחד-טוהר 80 SCCM.
2. לאחר טיפול באוזון UV, דגימות מקום בHCl: פתרון H ₂ O (1:10) 1 דקות בטמפרטורת חדר.
3. יש לשטוף את דגימות עם H ₂ O deionized ומכה יבש בעדינות עם N _2.

6. קרן אלקטרונים אידוי של מתכות לתקשר

1. מייד לאחר טיפול מקדים, הר הדגימות לplaten באמצעות ברגים וסרטונים וplaten המאובטח במאייד הקרן האלקטרוני. ודא כי Ni המספיק וAu זמינים לתצהיר.
2. לשאוב את חדר עד שהלחץ הוא מתחת 1.3 x 10 ^-3 P(μTorr 1) (ייתכן שיש צורך לשאוב לילה).
3. הגדרת מתח גבוה ל10 ק ולהתחיל סיבוב של דגימות ב5 סל"ד. תריס בטוח להפוך סגור.
4. בחר את כור היתוך Ni ולהזין פרמטרים לניקל לצג שיעור גביש. פיקדון 50 ננומטר (500 Å) של ניקל בקצב תצהיר של ~ 0.1 ננומטר / s.
5. ברגע שמקור Ni התקרר במידה מספקת (~ 15 דקות), לעבור לכור היתוך Au, לשנות את הפרמטרים לאלו של Au, והפקדת 100 ננומטר (1,000 Å) של Au בקצב תצהיר של ~ 0.1 ננומטר / sec.
6. ברגע שכור היתוך Au התקרר (10 דקות ~), לפרוק את החדר ולפרוק platen מדגם. אם אינך בטוח של עובי מתכת, השתמש profilometer כדי לקבוע את עובי ניקל / Au.

7. מתכת לתקשר המראה

1. הסר דגימות מplaten ומניח באמבט חשפנית photoresist בטמפרטורת חדר לכמה שעות כדי להרים את המתכת שהונחה על photoresist. אם תרצה, להעלות את טמפרטורת האמבטיה כדי סביב 50-60 מעלות צלזיוס לacceleשיעור המראה.
2. אם המתכת לא יורדת לגמרי, להשתמש בבקבוק שפריץ של מסיר PG כדי להסיר בכוח המתכת רצויה שנותרה מעל פני השטח. אל sonicate המדגם, כי זה יכול לגרום לnanowires להשתחרר מהמתכת.
3. לשטוף את PG מסיר ממדגם עם IPA לתוך כוס פסולת ממס ולמקם את המדגם לתוך מבחנה של IPA הנקי.
4. חזור על שלב 7.3 באמצעות H ₂ O deionized ואז לפוצץ יבש המדגם באמצעות N _2.

8. לחשל לתקשר

מכשירי בדיקה לפני המגע לחשל על מנת להשוות אלה עם מכשירי annealed. לבצע את הקשר לחשל של סרטי ניקל / Au באמצעות annealer מהיר תרמית (להרכבה עצמית) עם N-Ultra High-טוהר ₂ / O ₂ (3:1) כגז בתהליך.

1. חכה לפחות 24 שעות לאחר הסרת מגע מתכת לפני דגימות חישול, על מנת להבטיח את מגעים המתכת שהגיעו לשיווי משקל לאחר בתצהיר.
2. טהר להרכבה עצמית על ידי הפעלת N ₂ / O ₂ בטמפרטורה של 650 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות ללא כל דגימות.
3. דגימות עומס ולהתאים את קצב זרימה של N ₂ / O _2-1.4 SLPM.
4. דגימות לחשל ב-C ° 550 10 דקות. שיעור רמפת הטמפרטורה היה ~ 500 ° C / min.

9. הסרת ניקל / Au קולנוע

מאז סילוקו של סרט ניקל / Au הוא תהליך הרסני, התקנים הם בדרך כלל צילמו ונבדקו לפני הצעד הזה. ההליך להסרת סרט ניקל / Au מתואר באיור 3.

1. חכה לפחות 24 שעות לאחר לחשל מגע לפני הסרת סרט ניקל / Au.
2. קליב חתיכת המדגם מהאזור של עניין. גודל בטוח להפוך של מדגם גדול מספיק על מנת לתפוס את הקצוות עם פינצטה בלי לגעת באזור של עניין.
3. Secure בדל פינים SEM הר בבעל כזה שהר ניתן להעביר או נלקח החוצה בקלות.
4. מניחים פיסת גדירת onductive פחמן קלטת על גבי משטח ההר. חתיכת סרט פחמן צריכה להיות גדולה יותר מהשטח של הסרט שהוא שיש להסירו. כרטיסיית פחמן מוליך שהוא בגודל המדויק של שטח ההר עובדת טוב מאוד עבור יישום זה. להחיל את קלטת פחמן או כרטיסייה למשטח ההר לאט ובזהירות כדי להבטיח שהשטח הוא חלק ככל האפשר.
5. לפני הסרת הגיבוי של הקלטת, באמצעות אצבע, לחץ בחוזקה על הקלטת כך שהוא דבק בחוזקה על פני השטח ההר. זה מאוד חשוב כדי שהקלטת לא יורדת עם המדגם.
6. קח פיסת מדגם ביקע ועדינות להניח את השטח של עניין ישירות על גבי קלטת פחמן בשולי ההר, כך שהאזור של המדגם ששימש לטיפול עם פינצטה נשמט מ( איור 3 א) קצה. ברגע שהמדגם הושם על גבי קלטת, לא להסיר אותו למיקום מחדש על מנת להימנע מלהרוס את סרט ניקל / Au.
7. לחץ כלפי מטה על תקיפותלחלק האחורי של המדגם באמצעות מלקחיים (איור 3 ב). יש להיזהר שלא ללחוץ חזק מדי על המדגם סביב הר קצוות, כי זה יכול לגרום למדגם לשבור.
8. כדי להסיר את המצע, לקחת סכין גילוח נקי או אזמל ועדינות לנדנד אותו בין המצע ואת הקלטת בשולי הדגימה (איור 3 ג). לחזור על תהליך זה בזהירות, ודחק את סכין הגילוח עוד קצת בכל פעם עד שהמצע יכול בקלות להיות קילף ידי תופס אותו עם פינצטה. שימוש בכוח רב מדי יכול לשבור את המדגם. כדי לשמור את הסרט מיורד עם מצע, הנח זוג מלקחיים או בדיקה על השטח של הקלטת שנמצאה בסמוך למצע כאשר חטטניות את המצע (איור 3 ג). סרט ניקל / Au annealed צריך להישאר דבק בקלטת (איור 3D). בממוצע, צעד זה ייקח בערך 1 דקות כדי להשלים.
9. תמונת סרט ניקל / Au הוסר החדש באמצעות SEM בהקדם האפשרי כל כךים כדי לבחון את הממשק שנחשף מחדש את הסרט לפני שהוא הופך להיות מזוהם.

תוצאות

דוגמא לניתוח SEM על סרטי ניקל / Au annealed הוסרו ממצע SiO ₂ באמצעות קלטת פחמן מוצגת באיור 4. פני השטח של מגע ניקל / Au לפני ההסרה מוצג באיור 4 א. התחתון של אותו האזור של שסרט ניקל / Au מסוים לאחר ההסרה מוצגת באיור 4. השוואה של פני השטח ומורפולוגיה התחתונה יכולה לעזור לקבוע אם יש קשר בין שתיים. לדוגמא, כאשר שני התמונות הן בהשוואה, ניתן לראות אותו כי הכתמים הכהים ב( א) בקנה אחד עם התכונות האפלות ב( ב). בהגדלות גדולות יות...

דיון

הטכניקה שהוצגה מאפשרת ניתוח של קשר / המצע ומייקרו קשר / NW של מכשירי NW אחת. היתרונות העיקריים של שיטה זו הם העלות הנמוכה שלה ופשטות. היא מאפשרת ניתוח איכותי וכמותי של קשר הממשק בקנה מידה גדול עם המצע כמו גם בקנה מידת submicrometer עם NWS הבודד. השימוש בקלטת פחמן להסרת הסרט וספחי פינים SEM להרכבת מדגם לעשות את זה אפשרי עבור ניתוח תוך שימוש בטכניקות אפיון שדורשות סביבות בלחץ נמוך נקיות. בנוסף לשימוש בSEM הדמיה מורפולוגיה הממשק, ניתן להשתמש בשיטות אפיון רבות אחרות, כוללים EDS, ספקטר...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
<חזק>ריאגנטים וחומרים
התנגדות להרמה	MicroChem	LOR 5A	משתנה בהתאם ליישום
Photoresist	Shipley	1813	משתנה בהתאם ליישום
מפתח	Rohm and Haas Electronic Materials	MF CD-26	משתנה בהתאם ליישום
חשפנית	PhotoresistMicroChem	Nano Remover PG	משתנה בהתאם ליישום
Ni source	International Advanced Materials	99.999% טוהר
Au source	International Advanced Materials	99.999% טוהר
SiO2/Si פרוסות	עמק הסיליקון מיקרואלקטרוניקה	3 אינץ' < 100> N / As 0.001-0.005 אוהם-ס"מ, 200 ננומטר תחמוצת
סרט פחמן	SPI Supplies	5072, 8 מ"מ רוחב
ממיסים הם מוליכים למחצה סטנדרטיים או דרגת מחקר. הספק אינו חשוב לתוצאת הניסוי.
גזי תחריט יונים תגובתיים וגזי חישול תרמיים הם בדרגת טוהר גבוהה. הספק אינו חשוב לתוצאת הניסוי.
EQUIPMENT
Ultrasonic cleaner	Cole-Palmer	EW-08849-00	הספק נמוך
Micropipette	Rainin	PR-200	מדוד, טיפים לסילוק
תחריט יונים תגובתי	SemiGroup	RIE 1000 TP	ספקים אחרים המשמשים גם עם פרמטרי תהליך שונים
יישור מסכה	Karl Suss	MJB3	ספקים אחרים השתמשו גם עם פרמטרי תהליך שונים
מנקה אוזון UV		Jelight דגם 42	ספקים אחרים השתמשו גם עם פרמטרי תהליך שונים
מאייד קרן אלקטרונית	CVC	SC-6000	ספקים אחרים המשמשים גם עם פרמטרי תהליך שונים
* היצרנים ושמות המוצרים ניתנים אך ורק לשלמות. ציטוטים ספציפיים אלה אינם מהווים תמיכה במוצר על ידי NIST ואינם מרמזים על כך שמוצרים דומים של חברות אחרות יהיו פחות מתאימים.

תרמית