アトミックトレーサブルナノ構造作製

本実験の全体的な目的は、直接的な金属酸化物エッチングマスクの成長と反応性イオンエッチングを用い、原子格子レベルの追跡可能性を持つシリコンナノ構造を作製することである。この手法における究極の精度は、第2ステップとして走査型トンネル顕微鏡（STM）チップを用いてシリコンチップ上の水素終端層の特定領域を除去することによって得られる。その後、原子層堆積（ALD）プロセスを用いて、二酸化チタンを選択的に堆積させ、反応性イオンエッチングに対するマスクとして機能するパターン表面を露出させる。次に、反応性イオンエッチングを行い、事前にパターニングされた領域以外の表面からシリコンを除去する。

結果から、高さ最大20ナノメートルの構造体を、10ナノメートルを大幅に下回る臨界寸法で作製できることが示されました。電子ビームリソグラフィーや光学リソグラフィーなどのより従来的な手法に対する本手法の主な利点は、STMによる初期の計測ステップで原子スケールの情報を得られることです。この手法は、「互いに非常に厳密に定義された位置に配置されたナノ構造間の正確な相互作用はどのようなものか」といった、ナノテクノロジーにおける重要な疑問への答えを導き出すのに役立ちます。

一般的に、この手法に不慣れな人は、工程数が多くサンプルを損傷させる機会も多いため、習得に苦労します。私たちは当初、酸化雰囲気下でAFMおよびSTMチップを用いてシリコン上に描画していた二酸化ケイ素エッチングマスクの厚さを最大化しようとした際に、この手法を考案しました。その代わりに、水素リソグラフィーと原子層堆積法を組み合わせることで、同等の平面的な制御を維持しつつ、成長方向における自由度をより高めることができました。

転写とパターンの位置決めステップは、各作業者が個別に正しく手順を遂行し、位置指示を理解する必要があるため、習得が困難です。そのため、本手法の視覚的なデモンストレーションが極めて重要となります。まず、フィデューシャルマーク付きのシリコン1 0 0チップを準備し、走査型トンネル顕微鏡のサンプルホルダーに取り付け、付属のテキストプロトコルに従ってフラッシュサイクルとパッシベーションを行います。次に、サンプルを走査型トンネル顕微鏡内に導入し、サンプルとチップをトンネル範囲まで接近させます。

スポットサイズ20 micron以上の分解能を持つカメラを使用して、チップサンプル接合部の高解像度光学画像を取得し、光学画像をデスキューおよびリサイズして、観察されたチップ位置を含む基準マークが歪みなく再現されるようにします。次に、実験用パターンとサーペンタイン識別パターンの両方を含む、作成予定のHDLパターンを設計します。チップが追従する基本ベクトルを定義するため、全体のパターンを基本形状に分解します。

APモードおよびFEモードのHDL条件を適用する際は、シリコン表面の格子情報を利用します。最終的なチップパスを決定するには、前ステップのベクトル出力を用いて、小領域または原子レベルの精度を要するエッジ領域に対して、原子的に精密なHDL（APモードリソグラフィーとしても知られる）を使用します。広範囲のHDLについては、サンプルバイアスを7～9 V、電流を1 nA、0.2 mK/cmとして、電界放出モードリソグラフィーを用いて行います。

次に、サンプルバイアスを-2.25 V、トンネル電流を0.2 nAに設定してイメージングを行い、目的のHDLパターン領域の走査型トンネル顕微鏡による計測を実施します。その後、チップをサンプルから離し、サンプルをロードロックに戻します。清潔なサファイアなどの不活性な平坦基板を接触させてサンプルを保護し、保護が完了したらポンプのバルブをすべて閉じてから、可能な限り迅速に窒素ガスをチャンバーに導入します。

チャンバーの排気後、システムからサンプルを取り出します。ここでは、ポリテトラフルオロエチレン製またはチタン製のピンセットを用いて、サンプル遮蔽アセンブリを接写した様子を示しています。サンプルの表面を保護したまま、速やかにトランスポーターへ移動させてください。

サンプルの上にカバーを取り付け、加圧サンプル輸送装置を緩めに組み立てます。超高純度アルゴンで輸送装置内を1分間フラッシュし、その後、少量の正圧アルゴンをかけた状態でサンプル輸送装置を密封します。このプロセスの各ステップの間、サンプルを保護するためにこれらの手順を実行してください。

サンプルは最長1か月間安定に保持されます。原子層堆積（ALD）チャンバーを100 °Cまで予熱します。次に、サンプル搬送機を開き、ステンレス製ピンセットを使用して、サンプルを堆積チャンバーへ迅速に転送します。

サンプルチップとコントロールチップの位置および向きを記録します。チャンバーを閉じ、アルゴン気流を用いて0.2 millibars未満の圧力で1時間パージします。その後、付属のテキストプロトコルに記載されたレシピに従い、原子層堆積を80サイクル繰り返し、サンプル上に厚さ2.8 nanometerのアモルファス二酸化チタン層を成長させます。

完了後、速やかにサンプルをトランスポーターに戻し、アルゴンでパージします。サンプルをトランスポーターから慎重に取り出した後、クランプシステムや真空チャックなどの機械的な固定方法を用いて、AFMシステムに設置します。AFMのカメラでサンプルに焦点を合わせ、サンプル表面のフィデューシャルマークを確認し、ナノパターンが存在すると予想される領域にAFMチップを合わせます。

最高解像度での高さおよび位相情報を利用して、ロケーターパターン領域が特定されるまでサンプルをスキャンします。次に、利用可能な最高画質および解像度で、目的の領域の画像を撮影します。関心領域の撮影が完了したら、サンプルを取り出し、アルゴンガス下でトランスポーターに戻します。

反応性イオンエッチングの準備として、容量結合型反応性イオンエッチング装置のリアクターを−110 °Cまで冷却します。次に、トランスポーターからサンプルを取り出し、サンプルおよびコントロールチップを導入室にロードします。導電性ペーストを用いて固定し、チャンバー内を7.5 × 10⁻⁶ mbarまで排気します。

システムを3分間安定させた後、酸素を8 sccmで流します。アルゴンは40 sccm、六フッ化硫黄は20 sccmで流します。150 WのRF放電を用いてプラズマを発生させます。

次に、ガス流量を調整し、反応性イオンエッチングを用いて、六フッ化硫黄を52 standard cubic centimeters per minute、酸素を8 standards cubic centimeters per minuteの流量で1分間エッチングします。サンプルをアルゴンガス下でトランスポーターに戻します。サンプルトランスポーターを開き、サンプルをSEMマウントにしっかりと固定します。

次に、試料アセンブリをSEMに導入してチャンバー内を排気し、基準マーカー（fiducial markers）を特定してフォーカスを合わせます。必要に応じて作動距離を調整し、パターンへのカーボン堆積を最小限に抑えるよう、フォーカス、明るさ、コントラストを最適化します。近接する重要ではない構造を用いてフォーカスを最適化してください。

最適化が完了したら、試料上のパターンの概略位置を特定します。次に、パターンへ移動し、平面図の画像取得と測定を行います。その後、標準的なSEMシステムの終了手順に従い、SEMメーカーの規定通りに試料を取り外します。

アルゴン雰囲気下でサンプルをトランスポーターに戻します。この時点でサンプルは安定しており、無期限に保存することが可能です。ここに、APモードのみを用いて作成されたHDLパターンの代表的な走査型トンネル顕微鏡（STM）像を示します。

APモードで各エッジを書き込み、フィールドエミッションモードのみを併用して、最適なマスク作製を実現するAPモードとフィールドエミッションモードの組み合わせです。AP HDLパターンを使用することで、原子間力顕微鏡を用いて高い選択性を得ることが可能になります。パターン領域に堆積した酸化チタンの高さと、背景領域への堆積を比較しました。

このサンプルでは、バックグラウンドの成長が最大となるよう、約20サイクルのインキュベーションを行いました。ここでは、FEモードHDLを用いて、10 nanometersのピッチで2つの蛇行パターンを書き込んでいます。これらのパターンを互いに90度回転させることで、グリッドが作成されます。

2.8ナノメートルの酸化チタンのマスク堆積後、FMを用いて作製した同様のパターンをここに示します。チップの畳み込み効果により、パターン内の開口部を分解することは困難です。反応性イオンエッチング後、目的の開口部の約60%が基板に転写されており、このパターンサイズと密度が、HDLのFEモードのみを用いて効果的なナノ構造作製を行う際の限界に近いことが示唆されました。

この手法は、適切に行えば約3日間で完了でき、時間の大部分は超高真空での試料調製および、必要に応じた場所間の移動に費やされます。この手順を実施する際は、試料を清潔に保ち、手順後のバックグラウンドを保護することが重要です。この手法のナノ作製能力をスケールアップするために、ナノインプリントリソグラフィなどの他の手法を用いることができます。

このビデオを視聴することで、単一ナノメートルスケール構造を作製するための、サンプルの慎重な取り扱い方法について十分に理解できるはずです。このプロセスを行う際は、ガスの希釈などの注意事項を常に遵守してください。さもなければ、LDポンプシステムに損傷を与える可能性があります。