Atomicamente tracciabile nanostrutture

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di fabbricare nanostrutture di silicio con tracciabilità al reticolo atomico utilizzando la crescita diretta della maschera di incisione dell'ossido di metallo e l'incisione ionica reattiva. La massima precisione di questa procedura prevede la rimozione di aree precise di uno strato di passivazione dell'idrogeno su un chip di silicone utilizzando una punta di microscopio a effetto tunnel come secondo passaggio, la superficie del modello viene esposta utilizzando un processo di deposizione di strato atomico che deposita selettivamente il biossido di titanio e funge da maschera contro l'incisione ionica reattiva. Successivamente, viene eseguita l'incisione ionica reattiva per rimuovere il silicio dalla superficie in tutte le aree, ad eccezione di quelle che erano state modellate in precedenza.

I risultati mostrano la capacità di fabbricare strutture alte fino a 20 nanometri con dimensioni critiche ben al di sotto dei 10 nanometri. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi più convenzionali come l'e-beam o la litografia ottica, è che le fasi iniziali della metrologia nell'STM forniscono informazioni su scala atomica. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nella nanotecnologia, come ad esempio quali sono le interazioni precise tra nanostrutture poste in posizioni molto ben definite l'una rispetto all'altra?

Generalmente le persone che non conoscono questo metodo avranno difficoltà perché ci sono così tanti passaggi e opportunità per danneggiare il campione. Quindi abbiamo pensato per la prima volta a questo metodo quando stavamo cercando di massimizzare lo spessore delle maschere di incisione al biossido di silicio, che stavamo scrivendo su silicio, utilizzando una punta A FM e una punta STM in un'atmosfera ossidante. Invece, combinando la litografia dell'idrogeno con la deposizione di strati atomici, siamo stati in grado di ottenere un controllo aereo simile, guadagnando in realtà un maggior grado di libertà nella direzione di crescita.

La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale in quanto i passaggi di trasferimento e di localizzazione del modello sono difficili da apprendere perché ogni individuo deve eseguire correttamente i propri passaggi ed essere in grado di comprendere le istruzioni di localizzazione della posizione. Per iniziare, preparare e montare un chip di silicio 1 0 0 con segni di riferimento nel supporto del campione di un microscopio a effetto tunnel ed eseguire un ciclo flash e passivazione come descritto nel protocollo di testo allegato. Quindi, trasferire il campione nel microscopio a effetto tunnel e portare il campione e la punta nell'intervallo di tunneling.

Utilizzare una fotocamera con un potere risolutivo di dimensioni dello spot superiori a 20 micron per acquisire un'immagine ottica ad alta risoluzione di una giunzione di un campione di punta e ridimensionare l'immagine ottica in modo che rappresenti una riproduzione non distorta dei segni di riferimento con la posizione della punta osservata. Successivamente, progettare i modelli HDL da produrre, inclusi sia i modelli sperimentali che i modelli di identificazione a serpentina. Spezzare i modelli complessivi in forme fondamentali per definire i vettori di base che saranno seguiti dalla punta.

Quando si applicano le condizioni HDL in modalità AP e FE, utilizzare le informazioni del reticolo dalla superficie del silicio. Per determinare il percorso finale della punta, utilizzare l'HDL atomicamente preciso, noto anche come litografia in modalità AP per piccole aree o quelle aree che richiedono bordi di precisione atomica utilizzando gli output vettoriali del passaggio precedente. Esegui HDL utilizzando la litografia in modalità di emissione sul campo per grandi aree con una polarizzazione del campione da sette a nove volt, una corrente di un nano ampere e 0,2 milli klos per centimetro.

Successivamente, eseguire la metrologia al microscopio a scansione effetto tunnel sulle aree con pattern HDL desiderate mediante imaging con una polarizzazione del campione di meno 2,25 V e una corrente di tunneling di 0,2 nano ampere. Quindi sganciare la punta dal campione e riportare il campione sul blocco del carico. Proteggere il campione entrando in contatto con un substrato piatto inerte come lo zaffiro pulito una volta protetto, chiudere le valvole di qualsiasi pompa e quindi introdurre l'azoto gassoso nella camera il più rapidamente possibile.

Quando la camera è sfiatata, rimuovere il campione dal sistema. Guarda qui un primo piano del gruppo di schermatura del campione utilizzando pinzette in politetrafluoroetilene o titanio. Spostare rapidamente il campione sul trasportatore, mantenendo protetto il lato anteriore del campione.

Installare il coperchio sul campione e assemblare liberamente il trasportatore di campioni pressurizzato. Sciacquare il trasportatore con argonne ultrapuro per un minuto, quindi sigillare il trasportatore di campioni con una piccola pressione positiva di Argonne. Eseguire questi passaggi per proteggere il campione tra ogni fase del processo in questa condizione.

Il campione rimarrà stabile per un massimo di un mese. Preriscaldare la camera di deposizione dello strato atomico a 100 gradi Celsius. Quindi aprire il trasportatore di campioni e utilizzare una pinzetta libera in acciaio inossidabile per trasferire rapidamente il campione nella camera di deposizione.

Prendere nota della posizione e dell'orientamento del campione e del chip di controllo. Chiudere la camera e spurgarla con un flusso di argon e una pressione inferiore a 0,2 millibar per un'ora. Quindi eseguire 80 cicli ripetuti di deposizione di strati atomici per far crescere uno strato di titania amorfo spesso 2,8 nanometri sul campione utilizzando la ricetta descritta nel protocollo di testo allegato.

Una volta completato, sposta rapidamente il campione nel trasportatore e spurga con Argonne. Dopo aver rimosso saldamente il campione dal trasportatore, installarlo nel sistema A FM utilizzando un metodo di montaggio meccanico come un sistema di bloccaggio o un mandrino a vuoto. Focalizzare la telecamera A FM sul campione e individuare i contrassegni fiduciali sulla superficie del campione per allineare la punta A FM all'area in cui si prevede di trovare i modelli nanometrici.

Utilizzando le informazioni sull'altezza e sulla fase alla massima risoluzione, eseguire la scansione del campione fino a identificare le regioni del modello di localizzazione. Quindi scatta un'immagine delle regioni desiderate utilizzando la massima qualità e risoluzione dell'immagine disponibili. Una volta che l'area di interesse è stata ripresa, rimuovere il campione e riposizionarlo nel trasportatore sotto gas argon.

Durante la preparazione per l'incisione ionica reattiva, raffreddare il reattore di incisione ionica reattiva accoppiato capacitivo a meno 110 gradi Celsius. Quindi rimuovere il campione dal trasportatore e caricare il campione e gli eventuali chip di controllo nella sua camera di induzione. Usando pasta conduttiva e pompare la camera fino a 7,5 volte 10 fino a meno sei millibar.

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

Quindi modificare il flusso di gas e incidere per un minuto utilizzando velocità di flusso di 52 centimetri cubi standard al minuto per il fluoruro esaesale di zolfo, otto centimetri cubi standard al minuto per l'ossigeno dopo l'incisione ionica reattiva. Riposizionare il campione nel trasportatore sotto gas argon. Aprire il trasportatore di campioni e installare in modo sicuro il campione, la montatura SEM.

Quindi introdurre il gruppo campione nel SEM, pompare la camera, quindi individuare e concentrarsi sui marcatori fiduciali. Regola la distanza di lavoro secondo necessità e ottimizza la messa a fuoco, la luminosità e il contrasto per ridurre al minimo la deposizione di carbonio sui modelli. Ottimizza la messa a fuoco utilizzando le funzioni non essenziali vicine.

Una volta ottimizzato, identificare la posizione approssimativa del modello sul campione. Quindi passa ai modelli e acquisisci le immagini e le misure della vista in pianta. Quindi eseguire una tipica routine di chiusura del sistema SEM e smontare il campione come prescritto dal produttore del SEM.

Fissare nuovamente il campione nel trasportatore sotto l'argon. A questo punto, i campioni sono robusti e possono essere conservati per un periodo di tempo indefinito. Qui sono mostrate immagini rappresentative al microscopio a effetto tunnel di pattern HDL creati utilizzando solo la modalità AP.

Una combinazione di modalità AP e di emissione sul campo, in cui la modalità AP è stata utilizzata per scrivere da sola ogni modalità di emissione del bordo e del campo, al fine di ottenere la migliore produzione di maschere. Utilizzando i pattern AP HDL, deve essere possibile un alto grado di selettività utilizzando la microscopia a forza atomica. L'altezza dell'ossido di titanio depositato sulle regioni del modello è stata confrontata con la deposizione sulle regioni di fondo.

Questo campione ha mostrato un'incubazione di circa 20 cicli per la crescita di fondo più alta. Qui, due modelli a serpentina sono scritti su un passo di 10 nanometri utilizzando la modalità FE HDL. Ruotando i motivi di 90 gradi l'uno rispetto all'altro, viene creata una griglia.

Questo stesso modello è mostrato qui utilizzando un 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 modello sono difficili da risolvere. Dopo l'incisione ionica reattiva, circa il 60% delle aperture desiderate è stato trasferito nel substrato, indicando che la dimensione e la densità di questo modello sono approssimativamente il limite per un'efficace fabbricazione di nanostrutture utilizzando solo la modalità FE HDL una volta padroneggiata.

Questa tecnica può essere eseguita in circa tre giorni se eseguita correttamente, con la maggior parte del tempo dedicato all'ultrahigh, alla preparazione del campione sottovuoto e al trasporto tra le sedi, se necessario. Durante il tentativo di questa procedura, è importante mantenere puliti i campioni e proteggere lo sfondo dopo questa procedura. Altre tecniche come la litografia a nano impronta possono essere utilizzate per aumentare le capacità di produzione di nano fabbricazione di questa tecnica.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come gestire con cura i campioni per fabbricare strutture su scala nanometrica singola. Quando si esegue questo processo, è necessario utilizzare sempre precauzioni, come la diluizione del gas. In caso contrario, possono verificarsi danni ai sistemi di pompaggio LD.