表面パターニングのための走査型トンネル顕微鏡の原子計測と選択的原子層堆積および反応性イオンエッチングを組み合わせるためのプロトコルを報告します。多数の大気への曝露と輸送を伴う堅牢なプロセスを使用して、原子計測を備えた3Dナノ構造が作製されます。
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表面パターニングのための走査型トンネル顕微鏡の原子計測と選択的原子層堆積および反応性イオンエッチングを組み合わせるためのプロトコルを報告します。多数の大気への曝露と輸送を伴う堅牢なプロセスを使用して、原子計測を備えた3Dナノ構造が作製されます。
エッチングされたナノ構造のスケールを10nmの範囲以下に縮小するには、最終的に、フィーチャーサイズとフィーチャー密度の両方を厳密に制御するために、使用されている製造プロセス全体の原子スケールの理解が必要になります。ここでは、最初のテンプレート定義から最終的なナノ構造計測まで、原子レベルで分解および制御された構造を追跡する方法を示し、ナノファブリケーションに対するトップダウンの原子制御への道を開きます。水素不動態化リソグラフィーは、ナノスケールの作製プロセスの最初のステップであり、その後、ナノスケールのエッチングマスクを作るために最大2.8 nmのチタニアを選択的に原子層を堆積させます。背景とのコントラストが示されており、目的のパターンとHパッシベーションされた背景での成長の異なるメカニズムを示しています。次に、パターンを反応性イオンエッチングを使用してバルクに転写し、線幅が~6nmまでの高さ20nmのナノ構造を形成します。このプロセスの限界を示すために、穴と線の配列が作製されています。さまざまなナノファブリケーションプロセスのステップは異なる場所で実行されるため、プロセスの統合について説明します。巨視的サンプル上のナノ構造を見つけるための基準マークの使用や、化学反応性パターン化されたSi(100)-H表面を大気曝露による劣化から保護することなど、関連する問題について説明します。
ナノテクノロジーのように、特にリソグラフィや電子機器の分野で、利益の重要性を形成している構造を理解し、アリーナの多種多様でより重要になります。具体的には10nm以下のスケールで、ナノスケールでの計測の重要性を強調するために、それだけ1nmの特徴サイズの変動が分数変化の少なくとも10%を示すことが指摘されるべきです。この変動は、デバイス性能及び材料文字の重要な意味を持つことができる1,2 - 4の合成方法を用いて、例えば、量子ドットまたは他の複雑な分子として非常に正確に形成された個々の特徴は、2,5,6-、作製が、一般的に同じ精度を欠いていることができます機能の配置や向きで、サイズと配置制御を改善に向けての作業にもかかわらず。本稿では、機能の配置に近く、原子寸法精度と原子精度でナノ構造体を製造するための方法を示し、ならびに機能の配置の原子計測と。走査型トンネル顕微鏡(STM)水素誘起脱不動態化リソグラフィ(HDL)の原子精度を使用して、化学的に敏感なコントラストのアトミック正確なパターンが表面に形成されています。選択的な原子層堆積(ALD)は、図1に模式的に示すように、最終的に、バルク材料にパターンを転写する。標準で高精度なHDLプロセスを組み合わせる反応性イオンエッチング(RIE)を用いて、パターン形成された領域に硬質酸化物材料を適用しますALDとRIEは任意の形状と位置で表面にナノ構造を生成するために柔軟な方法で結果を処理します。

1.一次ナノ加工工程を図。一例として、200ナノメートル×200 nmの四角が表示され、各丸矢印は、大気曝露およびtのステップを示していますサイト間のransport。 UHVの試料調製後、試料をSTM計測(左上)、続いてUHV HDLを用いてパターニングされます。 ALDは、次いでAFM計測(右)、続いて行われます。 RIEは、SEMの計測に続いたSi(100)、にパターンを転写する(左下)。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
今日までの最も正確なリソグラフィは、通常、走査プローブ技術、原子分解能のパターニングおよび官能化は、多くの用途のために実証されている具体的にSTMをベースパターニングすることを含む。7までは、原子操作は、ビルディングブロックとしての個々の原子を使用して、8を究極の精度を有するナノ構造体を作成しました、9,10しかし、ナノ構造は、極低温条件を必要とし、したがって、長期的な堅牢性を欠いていました。表面から水素原子を除去することによりRT原子操作は、specifical示されていますLY HDL。11,12,13 HDLは、表面コントラストの空間位置に基づいて、電子および他のデバイスの新しいクラスを可能にすることを約束します。さらに処 理することなく、HDLを使用して、さまざまなデバイスのアーキテクチャは、ボンドワイヤまたは論理デバイスをダングリングを含むことが可能である。14,15,16さ らに電気コントラストを提供する、実質的に、不動態化H層が除去された表面上に化学的コントラストを導入することができるHDLさらなる化学修飾のためのテンプレートを作成します。この化学修飾は、金属、17絶縁体、18、さらには半導体の堆積のための選択性を示し、シリコンおよび他の表面上で実証されている。16,19のこれらの例のそれぞれは、真の産生するために使用されなければならない2つの次元構造なので、他の処理手順を生成する3 HDLが約束アトミック解決制御と次元構造。以前は、これを繰り返しパターニング、19,20,21アニーリング、22を必要としていましたまたは解決のプロセス。23
電子ビームリソグラフィと同様に、HDLは、レジストを露光するために電子の局所的なフラックスを使用します。いくつかの類似点は、可変スポットサイズとパターニング効率でマルチモードリソグラフィーを行うための能力として存在する。24が、HDLの真の力は、電子ビームリソグラフィとは異なる方法から生じます。まず、HDLのレジストそのレジストの露光がデジタル処理となるので、原子状水素の単分子層です。原子があるか、または存在しないのいずれかでレジスト25を H原子の配置(100)HDLプロセスがアトミック正確処理することができる格子下地のSiに対応するので、それは本稿でHDLがナノメートル精度などを有していることに留意すべきです原子完璧をするものではなく、したがって、この場合にはデジタルではありません。 HDL中の電子源は、表面にローカルであるため、STM動作の様々なモードは、両方の促進しますスループットの最適化だけでなく、エラーチェック。 〜4.5 V以下にチップ - 試料バイアスにおいて、リソグラフィーは、原子的精密モード(APモード)と呼ばれる、原子精度で単一原子レベルで行うことができます。これとは対照的に、〜7 V以上のバイアスで、電子が電界放出モード(FEモード)として、ここで知られている広い線幅と高脱不動態化効率を有するサンプルに先端から直接放出されます。全体的なスループットが可能に1ミクロン2 /分までパターニングして電子ビームリソグラフィに小さな相対残るもののHDLスループットは、その後、これらの2つのモードの注意深い組合せにより最適化することができます。サンプルは〜-2.25 Vに保持されるように、バイアスは、このように、誤り訂正のために、原子スケールの計測の両方の表面の原子構造の検査を可能にする非常に低い脱不動態化効率の先端までのサンプルからの電子トンネルは、反転された場合。
図1に示されるこのナノ構造体の製造工程は、UHV-HDLのステップで始まります。 HDLの後、試料はパターン化領域は、薄い( すなわち、約1単分子層)のSiO 2層を形成し、水と飽和となっている時に、大気に排出される。搬送後26は、試料は堆積のためのALDチャンバ内に挿入されAFM及びXPSにより測定されるように、ここで堆積厚周り2-3ナノメートルとチタニア(TiO 2の)、27チタニア反応は表面の水の飽和度に依存するので、この方法は、水で表面を飽和大気暴露にもかかわらず可能です。次に、AFM及びSEMによって決定されるエッチング深さと、試料は、Siの20nmのが除去されるように、RIEを用いてエッチングされたバルクにALDのマスクパターンを転写します。計測手順を容易にするために、シリコン(100)ウェハは、長作動距離光学顕微鏡、AFMの平面光学イメージングによってUHVの調製後見えるように設計されている行のグリッドにパターン化され、そして低倍率平面SEM画像。ナノスケール構造を識別しやすいように、1ミクロン2蛇行パターン(SERPS)はSERPSの相対固定位置に配置最も孤立したナノパターンを有する試料上にパターン化されます。
HDL、選択ALD、及びRIEのこの組合せは、ナノ構造の製造のための重要なプロセスであることができ、それは、プロセスの自然な副産物として、原子スケールの計測を含みます。以下では、HDL、選択的ALD、およびRIEを用いたSi(100)内のサブ10 nmのナノ構造体を製造するために必要な手順の詳細な説明が含まれています。それは1つが、これらのプロセスの各々において熟練していると仮定されるが、情報は、様々なプロセスを統合する方法に関連含まれます。特に重要なのは、同じ困難を防止するために、著者らが経験したもの予期せぬ困難を与え、特に輸送し、計測に関連します。
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1. 現場外サンプル調製
2. UHVサンプル調製
3.走査型トンネル顕微鏡とリソグラフィ
4.サンプル輸送
前記原子層堆積
6.原子間力顕微鏡(AFM)
前記反応性イオンエッチング
8.走査型電子顕微鏡(SEM)
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ここで説明するケースでは、HDLは、マルチモード·リソグラフィを用いて行われる。FEモードでは24、8 Vサンプルバイアス、1 Na及び0.2 MC /センチメートル(50ナノメートル/秒の先端速度に相当する)を用いて行っ、先端が上に移動しますSiの格子に対して平行または垂直のいずれかの表面、脱不動態化のラインを生成します。この線形の場合はこちらで、非常に先端が依存しているが、ラインの完全depassivated部分は線の両側に別の2 NMを拡張部分脱不動態化の尾で、幅約6 nmでした。高精度のパターンが望ましい場合、APモードリソグラフィー4 Vサンプルバイアス、硫酸ナトリウム、及び4 MC / cmの(10ナノメートル/秒の先端速度に相当)を用いて行われます。各パターンのAPモード成分の範囲は、FEモードを使用して生成部分depassivatedパターンの幅に依存します。様々なHDLモードの-H(100)Si上のパターンのSTM像の例について、図2を参照してください。 図2(a)は小Pを示していますatternのみAPモードのHDLを使用して製...
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上記のナノ構造の計測を実行すると、このようなAFMやSEMなどの他のツールを使用して、HDLとパターンの位置の間の先端の位置をブリッジする能力を必要とします。 図3に示すように、電子ビームリソグラフィのような高分解能の位置符号化と他のよく発達パターニングツールとは対照的に、ここで行わHDLは、そのように余分な位置特定プロトコルを使用した、十分に制御粗い位置決めすることなく、STMを用いて行きました。まず、長焦点顕微鏡は、チップ - 試料の接合部からUHVシステム約20cmの外側に配置されています。サンプルは、表面上の先端の位置の識別を容易にするために、500μmのピッチで、1μmの深さが10ミクロン幅の線の正方形の格子でパターン化されています。

SAMPの図5.パターンの位置画像ル。STMチップの...
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著者らは開示するものは何もない。
この作品は、DARPA(N66001-08-C-2040)からの契約によって、テキサス州の新興テクノロジー·ファンドからの助成金によってサポートされていました。著者らは、 現場外のサンプル処理のために選択原子層堆積に関連する彼らの貢献のためにJiyoungキム、グレッグMordi、アンジェラAzcatl、とトム·シャーフを認めるだけでなく、ウォレス·マーティンとゴードン·ポロックしたいと思います。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Siウェーハ | VA半導体 | Pタイプ(ホウ素)Si<100> ±2度、280 mm ±厚さ25 mm、0.01-0.02 Ω-cm | |
| Taホイル | Alfa Aesar | 335 | 0.025 mm (0.001 )厚さ、99.997%(金属ベース) |
| メタノール | アルファエー | ザー19393 | 半導体グレード、99.9% |
| 2-プロパノール | アルファエーザー19397 | 半導体グレード、99.5% | |
| アセトン | アルファエー | ザー19392 | 半導体グレード、99.5% |
| アルゴン | プラクセア超 | 高純度(グレード5.0) | |
| 脱イオン水 | ミリポア | Milli-Q純水製造システム | >18MWの抵抗水はオンデマンドで生産されます。 |
| TiCl4 | Sigma Aldrigh | 254312 | >99.995% 微量金属基礎 |
| O2 | Matheson | G2182101 | 研究グレード |
| SF6 | Matheson | G2658922 | 超高純度 (グレード 4.7) |
| ブルー ミディアム タック ロール | Semiconductor Equipment Corporation | 18074 | 厚さ 75 μメートル/0.003インチ 長さ 200 m / 660' |
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