Atomicamente tracciabile nanostrutture

L'obiettivo generale del seguente esperimento è la fabbricazione di nanostrutture in silicio con tracciabilità al reticolo atomico, utilizzando la crescita diretta di una maschera di incisione a base di ossido metallico e l'incisione ionica reattiva. La massima precisione di questa procedura prevede la rimozione di aree precise di uno strato di passivazione all'idrogeno su un chip di silicio mediante una punta di microscopio a effetto tunnel a scansione; in un secondo passaggio, la superficie stampata viene esposta mediante un processo di deposizione in strati atomici che deposita selettivamente biossido di titanio, agendo come maschera contro l'incisione ionica reattiva. Successivamente, viene effettuata un'incisione ionica reattiva al fine di rimuovere il silicio dalla superficie in tutte le aree tranne quelle precedentemente strutturate.

I risultati mostrano la capacità di realizzare strutture alte fino a 20 nanometri con dimensioni critiche ben al di sotto dei 10 nanometri. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto a metodi più convenzionali come la litografia con fascio di elettroni o quella ottica è che i passaggi iniziali di metrologia nel microscopio a scansione tunnel (STM) forniscono informazioni su scala atomica. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nella nanotecnologia, ad esempio quali sono le interazioni precise tra nanostrutture posizionate in posizioni ben definite le une rispetto alle altre?

Generalmente, le persone alle prime armi con questo metodo incontrano difficoltà perché ci sono molti passaggi e numerose occasioni in cui il campione può essere danneggiato. Abbiamo quindi pensato a questo metodo quando stavamo cercando di massimizzare lo spessore delle maschere di incisione di biossido di silicio, che scrivevamo sul silicio utilizzando una punta di microscopia a forza atomica (AFM) e di microscopia a scansione tunnel (STM) in un'atmosfera ossidante. Tuttavia, combinando la litografia con idrogeno con la deposizione in strati atomici, siamo riusciti a ottenere un controllo areale simile, guadagnando effettivamente un maggiore grado di libertà nella direzione di crescita.

La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale poiché i passaggi di trasferimento e di posizionamento del pattern sono difficili da apprendere, in quanto ogni operatore deve eseguire correttamente le proprie azioni ed essere in grado di comprendere le istruzioni relative alla posizione. Per iniziare, preparare e montare un chip di silicio 1 0 0 con marcatori fiduciali nel portacampioni di un microscopio a scansione tunnel, quindi eseguire un ciclo di flash e una passivazione come descritto nel protocollo testuale allegato. Successivamente, trasferire il campione nel microscopio a scansione tunnel e portare il campione e la punta nell'intervallo di tunneling.

Utilizzare una fotocamera con un potere risolutivo superiore a 20 micron di dimensione del punto per acquisire un'immagine ottica ad alta risoluzione del giunto tra punta e campione, correggendo inclinazioni e ridimensionando l'immagine ottica in modo che rappresenti una riproduzione non distorta dei segni di riferimento con la posizione osservata della punta. Successivamente, progettare i modelli HDL da produrre, inclusi sia i modelli sperimentali sia i modelli di identificazione a serpentina. Suddividere i modelli complessivi in forme fondamentali al fine di definire i vettori di base che verranno seguiti dalla punta.

Quando si applicano le condizioni HDL in modalità AP e in modalità FE, utilizzare le informazioni del reticolo della superficie di silicio. Per determinare il percorso finale della punta, utilizzare la litografia HDL atomicamente precisa, nota anche come litografia in modalità AP, per aree piccole o per quelle aree che richiedono bordi con precisione atomica, usando gli output vettoriali del passaggio precedente. Eseguire la litografia HDL in modalità emissione a campo per aree estese con un bias del campione compreso tra sette e nove volt, una corrente di un nanoampere e 0,2 milliklos per centimetro.

Successivamente, eseguire la metrologia mediante microscopio a scansione in tunneling sulle aree desiderate del campione HDL, utilizzando un bias del campione di -2,25 volt e una corrente di tunneling di 0,2 nanoampere. Quindi ritirare la punta dal campione e riposizionare il campione nel load lock. Proteggere il campione mettendolo a contatto con un substrato piatto inerte, come ad esempio zaffiro pulito; una volta protetto, chiudere le valvole di tutte le pompe ed introdurre rapidamente gas azoto nella camera.

Quando la camera viene sfiatata, rimuovere il campione dal sistema. Ecco un dettaglio dell'assemblaggio di schermatura del campione utilizzando pinzette in politetrafluoroetilene o titanio. Trasferire rapidamente il campione al trasportatore, mantenendo protetta la faccia anteriore del campione.

Installare il coperchio sopra il campione e assemblare in modo lento il trasportatore pressurizzato per il campione. Spurgare il trasportatore con argon ultrapuro per un minuto, quindi sigillare il trasportatore del campione mantenendo una leggera pressione positiva di Argon. Eseguire questi passaggi per proteggere il campione tra ciascuna fase del processo in queste condizioni.

Il campione rimarrà stabile fino a un mese. Preriscaldare la camera di deposizione ad strato atomico a 100 gradi Celsius. Quindi aprire il trasportatore del campione e utilizzare pinzette libere in acciaio inossidabile per trasferire rapidamente il campione nella camera di deposizione.

Prendere nota della posizione e dell'orientamento del chip del campione e del controllo. Chiudere la camera ed eseguire una spurgatura mediante un flusso di argon e una pressione inferiore a 0,2 millibar per un'ora. Successivamente, eseguire 80 cicli ripetuti di deposizione in strati atomici per far crescere uno strato di 2,8 nanometri di spessore di titanio amorfo sul campione, utilizzando la procedura descritta nel protocollo testuale allegato.

Una volta completato, spostare rapidamente il campione nuovamente nel trasportatore e spurgare con Argonne. Dopo aver rimosso il campione dal trasportatore in modo sicuro, installarlo nel sistema A FM utilizzando un metodo di montaggio meccanico, come un sistema di serraggio o un mandrino a vuoto. Mettere a fuoco la telecamera A FM sul campione e individuare i riferimenti di allineamento sulla superficie del campione per posizionare correttamente la punta A FM nell'area in cui ci si aspetta di trovare le nanostrutture.

Utilizzando le informazioni di altezza e fase alla risoluzione più elevata, scansionare il campione fino a identificare le regioni del modello di localizzazione. Successivamente, acquisire un'immagine delle regioni desiderate utilizzando la qualità e risoluzione dell'immagine più elevate disponibili. Una volta che l'area di interesse è stata immagata, rimuovere il campione e riposizionarlo nel trasportatore sotto gas argon.

Durante la preparazione per l'incisione ionica reattiva, raffreddare il reattore per incisione ionica reattiva a accoppiamento capacitivo a meno 110 gradi Celsius. Successivamente, rimuovere il campione dal trasportatore e caricare il campione e qualsiasi chip di controllo nella sua camera di induzione. Utilizzare una pasta conduttiva e pompare la camera fino a 7,5 × 10⁻⁶ millibar.

Stabilizzare il sistema per tre minuti, quindi far fluire l'ossigeno a otto centimetri cubici standard al minuto. L'argon a 40 centimetri cubici standard al minuto e l'esafuoruro di zolfo a 20 centimetri cubici standard al minuto. Generare il plasma utilizzando una scarica RF da 150 watt.

Quindi modificare il flusso di gas ed eseguire l'incisione per un minuto utilizzando portate di 52 centimetri cubi standard al minuto per l'esafuoruro di zolfo e 8 centimetri cubi standard al minuto per l'ossigeno, seguendo l'incisione ionica reattiva. Riposizionare il campione nel trasportatore sotto gas argon. Aprire il trasportatore del campione e installare in modo sicuro il campione sul supporto per microscopia elettronica a scansione (SEM).

Quindi introdurre l'assemblaggio del campione nel microscopio elettronico a scansione (SEM), pompare il vuoto nella camera ed individuare e mettere a fuoco i marcatori fiduciali. Regolare la distanza di lavoro secondo necessità e ottimizzare messa a fuoco, luminosità e contrasto per minimizzare il deposito di carbonio sui pattern. Ottimizzare la messa a fuoco utilizzando caratteristiche non essenziali vicine.

Dopo aver ottimizzato, identificare approssimativamente la posizione del modello sul campione. Successivamente, spostarsi sui modelli ed acquisire immagini e misure in vista planare. Quindi eseguire una procedura tipica di chiusura del sistema SEM e smontare il campione secondo le indicazioni del produttore del microscopio elettronico a scansione.

Rimettere il campione nel trasportatore sotto argon. A questo punto, i campioni sono stabili e possono essere conservati per un periodo di tempo indefinito. Qui sono mostrate immagini rappresentative ottenute mediante microscopia a scansione a effetto tunnel di schemi di HDL creati utilizzando esclusivamente la modalità AP.

Una combinazione delle modalità AP ed emissione di campo in cui la modalità AP è stata utilizzata per scrivere ogni bordo e la modalità emissione di campo da sola per ottenere la migliore produzione della maschera. Utilizzando modelli AP HDL, deve essere possibile ottenere un elevato grado di selettività mediante microscopia a forza atomica. L'altezza dell'ossido di titanio depositato sulle regioni del modello è stata confrontata con il deposito sulle regioni di fondo.

Questo campione ha mostrato un'incubazione di circa 20 cicli per la crescita di fondo più alta. Qui, due motivi serpentiniformi sono stati scritti con un passo di 10 nanometri utilizzando la modalità FE di HDL. Ruotando i motivi di 90 gradi l'uno rispetto all'altro, si crea una griglia.

Questo stesso schema è mostrato qui utilizzando una microscopia a forza (FM) dopo la deposizione della maschera di 2,8 nanometri di ossido di titanio. A causa degli effetti di convoluzione della punta, le aperture nel motivo risultano difficili da risolvere. Dopo la gravitura ionica reattiva, circa il 60% delle aperture desiderate è stato trasferito nel substrato, indicando che questa dimensione e densità del motivo rappresenta approssimativamente il limite per la fabbricazione efficace di nanostrutture utilizzando esclusivamente la modalità FE di HDL, una volta padroneggiata.

Questa tecnica può essere eseguita in circa tre giorni se effettuata correttamente, dedicando la maggior parte del tempo alla preparazione del campione sotto ultravuoto e al trasporto tra diverse ubicazioni, se necessario. Durante l'esecuzione di questa procedura, è fondamentale mantenere i campioni puliti e proteggere l'ambiente circostante dopo il termine della procedura. Altre tecniche, come la litografia per nano-impronta, possono essere utilizzate per aumentare le capacità produttive di nanofabbricazione di questa tecnica.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come manipolare con attenzione i campioni per fabbricare strutture su scala nanometrica singole. Precauzioni, come la diluizione del gas, devono essere sempre utilizzate durante l'esecuzione di questo processo. In caso contrario, si potrebbero causare danni ai sistemi di pompaggio a LD.