Name: 원자 추적 가능한 나노 구조 제작 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-07-17T15:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 35 s
Description: 학습하세요 원자 단위 정밀도로 실리콘 나노구조를 제작하는 방법을. 주사터널링현미경과 원자층증착, 반응성이온식각을 활용하여 10나노미터 이하의 임계 치수를 달성합니다.

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이 작품은 DARPA (N66001-08-C-2040)에서 계약에 의해 텍사스의 국가의 신흥 기술 기금에서 교부금에 의해 지원되었다. 저자는 자신의 선택적 원자 층 증착에 관한 기여뿐만 아니라 전 현장 샘플 처리를위한 월러스 마틴과 고든 폴락 위해 지영 김, 그렉 Mordi, 안젤라 Azcatl, 톰 Scharf의를 인정하고 싶습니다.

1. 현지 외 샘플 준비 <ol><li> 칩을 준비 <ol><li> 시 (100) 웨이퍼 마커를 식별 넣어 적절한 에칭 마스크를 디자인합니다. 표준 광학 리소그래피와 RIE를 사용하여, STM 샘플 촬영 될로부터 웨이퍼로 기점 마크로서 라인 격자 에칭. 선은 10 μm의 넓은 1 μm의 깊이, 500 μm의 피치에 있어야합니다. 에칭 후, 스트립은 샘플에서 포토 레지스트를 나머지. 주 : 기준 마크는 원위치 샘플에뿐만 아니라 AFM과 SEM에서와 같이 계측 중에 팁 위치 식별 할 수 있어야합니다. </li><li> 아래 표준 압정 블루 다이 싱 테이프, 점착면을 적용하여 웨이퍼 표면을 보호합니다. </li><li> 다이아몬드를 사용하여 칩으로 주사위 세라믹 웨이퍼 다이 싱은 HDL을 수행하는 데 사용되는 특정 UHV-STM 공구에 적합한 크기로 튕겨 보았다. 여기서, 샘플을 8.1 mm X 8.1 mm 사각형이었다. </li></ol></li><li> 다이 싱 후, 부드럽게하여 UHV-STM 패터닝 도구에 삽입 칩을 준비아래 제 2 UHV 준비 후 불리한 표면 재구성을 유도 할 것이다 어떤 니켈 함유 도구로 칩을 건드리지 않도록주의하면서, 다이 싱 테이프를 벗겨. <ol><li> 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) 핀셋 샘플의 측면을 파지하면서, 각각 아세톤, 이소 프로필 알코올, 메탄올, 탈 이온수의 스트림으로 10 초마다 표면을 세정하여 클린 칩. 마지막으로, 고순도 N 2, Ar은 ​​여전히 테플론 핀셋으로 그립 건조. </li><li> 특정 UHV-STM 도구에 적절한 방법을 사용하여 STM 샘플 홀더에 장착 시료 칩은 HDL을 위해 사용된다. <ol><li> 니켈 함유 시료 홀더에 장착하면, 탄탈 포일 배리어 스트립 (appx. 샘플 높이로 4mm) 티타늄 가위를 사용하여 잘라. 각각 고순도 아세톤, 이소 프로필 알콜, 메탄올 및 DI 물에 5 분마다 초음파 처리 호 스트립. 부분적으로 알루미늄 호일과 주사와 비커을 포함하여 고순도 N2 가스와 드라이오프닝에 N 2 노즐을 보내고. 모든 액체가 증발 할 때까지 가스 흐름. 니켈 무료 핀셋을 사용하여, 폼 포일은 약 1 샘플 홀더로부터 시료 리면을 분리 샘플 홀더 클램프 샘플 끝. </li></ol></li><li> 탄소 오염을 제거하기 위해 산소 플라즈마로 플라즈마 깨끗한 샘플과 샘플 홀더를 장착 후. 28 </li></ol></li></ol> 2. UHV 샘플 준비 <ol><li> 초고압 처리 및 HDL은 일반적으로 (아래 단계 2.5.1.1 제외) 1.3 × 10-9 밀리바 이하로 유지 할 수 있도록로드 록 또는 다른 바람직한 UHV-안전한 방법을 통해 UHV 시스템에 샘플을 소개합니다. </li><li> 고온계와 온도를 모니터링 드가 O / 650 ° C에서 N,. 챔버 압력이 배경의 25 % 내에 있는지 확인합니다. 여기에 설명 된 경우에, 전형적인 배경 압력은 4.5 × 10 -10 mbar에서 약이다. </li><li> 5 분 동안 1500 ℃에서 필라멘트 크래킹 드가 텅스텐 수소.가능하면 티타늄 승화 펌프를 활성화합니다. </li><li> 샘플 &quot;플래시&quot;사이클을 수행합니다. <ol><li> 20 초 동안 1250 ℃까지 가열, 고온계와 T를 모니터링하고 10 ° C / sec의 가열 구배를 사용하여 플래시 샘플. 7 × 10 -9 mbar에서의 최대 압력을 초과하지 마십시오. 5 초 미만에 가열 전류를 제거함으로써 차가운. </li><li> 5 분 동안 350 ℃에서 나머지 샘플. 압력이 기준에 복구 할 수 있습니다. 배를 반복합니다. </li></ol></li><li> 샘플 패시베이션을 수행합니다. <ol><li> 온도를 모니터링하는 고온계를 이용하여 350 ° C로 설정 시료 온도. 누출 밸브를 사용하여 준비 실에 1.3 × 10-6 mbar의 초순수 (H) (2)를 소개합니다. <ol><li> 더 H 2를 정화하기 위해 매우 시스템의 누출 밸브 근처의 H 2 줄에 냉각 트랩을 넣습니다. </li><li> 가능하다면, 고속 터보 펌프 대신에 이온 펌프와 펌프 시스템. 이온 펌프가되는 박람회에서 샘플을 오염시키지 않도록이다높은 압력을 및 배출 오염 물질에 나오지. 펌프는 (350 ° C) 대부분의 수소가 제거 된 후 다시 정상 상태로 넣고 샘플은 여전히​​ 따뜻한된다. </li></ol></li><li> 12 분 동안 1,400 ° C의 온도로 필라멘트를 균열 텅스텐 수소를 켜고 다음 필라멘트와 H 2 가스 흐름을 끕니다. 실온으로 냉각 샘플. </li></ol></li></ol> 3. 주사 터널링 현미경 리소그래피 <ol><li> STM에 샘플을 전송하고, 터널링 범위로 샘플 및 STM 팁을 가져온다. 20 μm의 스폿 크기보다 더 나은 분해능과 카메라를 사용하여, 팁 - 샘플 접합의 고해상 광학 상을 받아. 뒤틀림을 방지하고 기준 마크의 왜곡되지 않은 재생을 나타내도록 광학 이미지 크기를 조정합니다. </li><li> 시스템 열 불안정성을 줄이기 위해 어떤 조명을 제거합니다. 표면 품질을 결정합니다. <ol><li> 마비를 식별, -2.25 V 200 PA를 샘플 바이어스와 기존의 STM 기술을 사용하여표면에 결함 어. </li><li> 표면 결함이 허용 가능한 수준 이하로하는 경우, 다음 단계로 이동한다. 최대 허용 결함 수준은 다음과 같습니다 : 1 %의 매달려 채권; 3 %의 Si 공극; 1 %의 오염 물질. </li></ol></li><li> HDL 설계 패턴은 실험적 패턴 및 큰 (1 ㎛ X 1 ㎛) SERP 식별 패턴을 모두 포함하여 생산된다. SERP 패턴은 15 ~ 20 nm의 피치를 이용하여, AFM 고속 스캔 축에 수직 인 것으로 긴 벡터 축 그려 져야. 기본적인 형상으로 골절 전체 패턴은 HDL 조건을 적용 할 때 팁 다음 경로를 정의한다. (24) </li><li> 이전 단계로부터의 벡터의 출력을 사용하여, HDL은 7-9​​ V의 샘플 바이어스, 1 NA가 전류로 큰 영역에 대한 FE 모드 리소그래피를 이용하여 수행하고, 원자 정밀 에지를 필요로 작은 영역 또는 이들 영역에 대한 0.2 엠씨 / cm 및 AP 모드 리소그래피 . (24) <ol><li> PE에 의해 최적의 AP 모드 리소그래피 조건을 결정2에서 4 nA의에 이르기까지 3.5에서 4.5 V 범위의 샘플 바이어스 조건, 현재의 다양한 HDL을 rforming, 라인 2에서 4 MC / CM에 이르기까지 복용량. 좁은 완전히 depassivated 라인을 생산 조건을 선택합니다. </li></ol></li><li> -2.25 V 샘플 바이어스 0.2 nA의 터널링 전류에서 이미지가 원하는 HDL 패턴 분야에 STM 계측을 수행합니다. <ol><li> [선택] 오류 보정을 수행합니다. STM 계측 한 후, 단계 3.5에서 원하는 패턴으로 STM 이미지에 depassivati​​on 패턴을 비교합니다. 어떤 부분이 부족 매달려 결합 형성을 표시하는 경우, 그 지역에서 리소그래피주기를 반복합니다. </li></ol></li><li> STM HDL을 완료 한 후, 샘플에서 팁을 분리하고 잠금을로드 샘플을 이동합니다. </li><li> 환기 및 샘플을 제거합니다. 고순도 N 2 벤트 동안, 클린 사파이어으로 불활성, 평면 기판으로 연락하여 샘플을 보호합니다. (29) 표면 보호 한 후, 어떤 펌프에 가까운 밸브는 QUIC로 가스를 배출 소개가능한 kly. 시스템에서 샘플을 제거합니다. </li></ol> 4. 샘플 전송 <ol><li> 로드 록에서 샘플을 제거합니다. 가능하면 호일 장벽 조각을 제거를 포함하여, 샘플 홀더에서 샘플을 놓습니다. PTFE (또는 티) 핀셋을 사용하여,보다 10 분을 대기에 노출을 유지하기 위해 시도, 보호 샘플의 앞면을 유지, 수송에 샘플을 이동합니다. </li><li> 샘플을 통해 덮개를 설치하고 느슨하게 가압 샘플 수송을 조립한다. 1 분 고순도 아르곤을 세척 할 것. 어느 시점에 시스템을 대피하지 마십시오, 또는 표면 손상이 발생할 수 있습니다. (29) 마지막으로, 아르곤의 작은 양의 압력 (~ 50 ~ 100 밀리바)와 밀봉 샘플 수송이되도록 샘플까지 안정 유지 한 달에. </li></ol> 5. 원자 층 증착 <ol><li> ALD는 적절한 증착 온도 (100 ℃)에서 확인하십시오. 대기압이 달성 될 때까지 천천히 ALD 챔버에서 아르곤 압력을 증가. </li><li> 열기 ALD 챔버. </li><li> 오픈 샘플 컨베이어와 신속 에지에 샘플을 파지 PTFE의 핀셋을 사용하여 ALD 챔버로 전송 한 후 탈기를 &lt;2 × 10-1 mbar에서 1 시간의 압력에서 ALD 챔버를 닫고 아르곤의 유동을 이용하여 퍼지 샘플. 무정형 티타니아 2.8 nm의 성장이 80 ALD 사이클을 반복 수행하는 과정을 설정한다. <ol><li> 사염화 티탄 (TiCl4와) 및 물과 함께, 100-150 ° C의 샘플 온도에서 변성 상용 ALD 시스템을 사용하여 (H 2 O) 전구체의 펄스 시간과, 0.3 mbar에서 0.8 밀리바의 압력에서 반응물과 증착을 수행로서 0.1 초 각각 0.05 초,. (27) </li><li> 각각의 기체 펄스 후, 반응물에 의한 physisorbed 최소 배경 증착을 보장하기 위해 0.2 mbar에서 60 초 동안 아르곤으로 퍼지 반응기. 이 작품에서 마스크를 들어, 80 ALD주기는 100 ° C에서 비결정질 산화 티타늄의 약 2.8 nm의 성장하는 데 사용됩니다. </li></ol&gt; </li><li> 천천히 Ar 가스와 열기와 ALD 챔버를 배출. 반복 4.1 및 샘플 전송을 위해 4.2 단계를 반복합니다. </li></ol> 6. 원자 힘 현미경 (AFM) <ol><li> 제조 업체의 프로토콜에 따라 AFM의 적절한 교정을해야합니다. 열기 샘플 수송은 조심스럽게 핀셋을 사용하여 샘​​플을 제거합니다. </li><li> 전송기로부터 분리 한 후, 가능한 한 안전하게 이러한 클램핑 시스템과 같은 기계적 장착 방법을 사용하여 AFM으로 샘플을 설치한다. 샘플 상 AFM 카메라 초점 단계 3.2 광학 계측에 기초하여 패턴 AFM 팁을 정렬하는 샘플 표면에서 기점 마크를 찾아. </li><li> AFM 설정 높이 및 위상 정보를 모두 표시하고 μm의 20 ~ 40 넓게 스캔 크기를 설정합니다 있는지 확인하십시오. 샘플 위에 AFM 팁을 잠급니다. </li><li> 로케이터 패턴 영역이 식별 될 때까지 가장 높은 해상도의 높이 및 위상 정보를 사용하여 검사한다. 패턴 재로 확대기온이 화상이 소망하는 영역을 찾아. </li><li> 적절한 이미지 품질 및 해상도 (일반적으로 가능한 가장 높은)을 사용하여, 원하는 지역의 이미지를 촬영. 원하는 모든 영역을 스캔 한 후, 샘플에서 팁을 분리합니다. 샘플을 언로드합니다. 반복 4.1 및 샘플 전송을 위해 4.2 단계를 반복합니다. </li></ol> 7. 반응성 이온 에칭 <ol><li> -110 ° C의 용량 성 결합 RIE 반응기를 진정, 다음의 소개 실에 샘플을로드하고 7.5 × 10 -6 밀리바에 펌프 다운. <ol><li> 3 분 동안 온도를 안정시킨다. 그런 다음 40 SCCM에서 8 SCCM (분당 표준 입방 센티미터), 아칸소 O 2의 유량과의 가스를 켜고 20 SCCM에서 SF 6. </li><li> 150 W의 RF 방전을 이용하여 플라즈마 스트라이크 후 8 SCCM 52 SCCM에서 SF 6와 O 2를 사용하여 1 분 동안 에칭 가스 유동을 수정. Si을 이들 가스의 상호 작용이 약 20 ㎚ / 분의 속도로 에칭된다. (30) </sup&gt; </li><li> 7.5 × 10 -6 mbar의 진공 펌프. RIE 시스템 벤트. 반복 4.1 및 샘플 전송을 위해 4.2 단계를 반복합니다. </li></ol></li></ol> 8. 주사 전자 현미경 (SEM) <ol><li> SEM 샘플 장착 및 시스템에 대한 시료의 도입. <ol><li> 비 접착 샘플 샘플 장착을 용이하게하기 편리한 위치에 장착 놓습니다. </li><li> 열기 샘플 수송은 부드럽게 가장자리 샘플을 잡고 안전하게 SEM 마운트에 설치 한 후 현미경으로 샘플 어셈블리를 소개 핀셋을 사용하여 샘​​플을 제거합니다. </li><li> 환기 및 오픈 SEM 챔버. 안전하게 현미경 샘플 단계로 샘플 어셈블리를 설치합니다. SEM 챔버를 펌프. </li></ol></li><li> 기준점을 찾습니다. <ol><li> 가장 낮은 값으로 배율을 가져와. 좋은 해상도를 줄 것 가속 전압 및 빔 전류 설정을 선택합니다. 가장 낮은 허용되는 설정으로 시작합니다. 필요에 따라 최대 이동합니다. </li><li> 전자 빔을 켭니다. 일반 영역을 가져와권장 작동 거리 및 높이 eucentric 관심. </li><li> 찾아 1.1 절에 설명 된 기준점에 초점을 맞 춥니 다. 필요에 따라 거리를 작업을 조정합니다. 초점, 밝기와 대비를 최적화합니다. </li></ol></li><li> 패턴을 찾아 이미지. <ol><li> 기준점에 상대, 패턴에 탄소 침착을 최소화 근처 중요하지 않은 기능을 사용하여 초점을 최적화하기 위해 3.2 절과 6 절의 AFM 계측의 광학 계측에 따라 패턴을 찾습니다. 최적화되면, 패턴으로 이동 평면도 이미지와 측정을 수집. </li><li> 필요한 경우, 3D 영상 및 패턴 높이 측정을위한 샘플을 기울일. 필요에 따라 다른 패턴의 경우, 8.3에서 반복합니다. </li></ol></li><li> 현미경 제조 업체에 의해 규정, SEM 시스템 폐쇄 루틴 및 마운트 해제 샘플 / S를 수행합니다. 다시 수송에 샘플을 고정합니다. </li><li> 반복 4.3 및 샘플 수송 및 저장을위한 4.4 단계를 반복합니다. 이 시점에서, 샘플을 견고 수시간의 무기한 저장. 필요한 경우 수행 후 영상 분석. </li></ol>

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</ol>

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상기 나노 구조물의 계측을 수행하는 것은 이러한 AFM SEM과 같은 다른 도구를 사용하여 패턴 위치 및 HDL 중에 팁 위치를 해소 할 수있는 능력을 필요로한다. 도 3에 도시 된 바와 같은 전자 - 빔 리소그래피와 같은 고 해상도의 위치 인코딩 다른 잘 발달 패터닝 툴과는 대조적으로, 여기에 실시 HDL, 그래서 여분의 위치 식별 프로토콜을 사용하여, 잘 제어 된 개략 위치없이 STM 수행 하였다 . 먼저, 긴 초점 길이 현미경은 약 20cm 팁 - 샘플 접합부로부터 UHV 시스템 외부에 위치된다. 샘플 표면상의 선단 위치의 식별을 용이하게하기 위해 500 ㎛의 피치, 깊이 1 ㎛ 10 ㎛ 폭 라인의 정사각형 격자로 패터닝된다. <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig5.jpg" /> SAMP의 그...

이 나노 구조를 이해 경기장의 다양한 중요 해짐에 따라, 특히 리소그래피 및 전자 분야에서, 이득 중요성 형성된다. 구체적으로는 10 nm 이하 규모에서, 나노 스케일에서 계측의 중요성을 강조하기 위해, 단지 하나의 nm의 피처 크기의 변동은 소수 변화 10 % 이상을 나타내는 것이 지적되어야한다. 본 변형 예는 장치의 성능과 재료 특성에 대한 상당한 영향을 미칠 수있는 1,2- -. 4 합성 방법을 이용하여 양자점 또는 다른 복잡한 분자 매우 정밀하게 형성 개별 기능 2,5,6, 제조 있지만 일반적으로 동일한 정밀도가 결여 될 수있다 크기와 위치 제어를 개선하는 방향으로 작업에도 불구하고 기능 배치 및 방향에. 이 논문은 근처 원자 크기의 정밀도와 기능 배치에 원자 정밀 나노 구조를 제조뿐만 아니라 대한 접근 방식을 보여줍니다기능 배치에 원자 계측과. 스캐닝 터널링 현미경 (STM) 유도 수소 Depassivati​​on 리소그래피 (HDL)의 원자 정밀도를 사용하여 화학적으로 민감한 콘트라스트는 원자 적으로 정확한 패턴이 표면 상에 형성된다. 도 1에 도시 한 바와 같이 선택적 원자 층 증착 (ALD)은 그 후, 반응성 이온 에칭 (RIE) 궁극적으로 벌크 물질로 패턴을 전사하여, 패턴 화 된 영역에서 경질 산화물 재료를 적용한다. 표준 고정밀 HDL의 합성 프로세스 ALD 및 RIE는 유연한 방법에서 결과가 임의의 형상 및 위치를 가지는 표면 상에 나노 구조물을 생성하기 위해 처리한다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig1.jpg" /> 1 차 나노 제조 프로세스 단계를 그림. 예로서, 200 nm의 X 사방 200nm가 도시되어있다. 각각의 화살표는 원으로 대기 노출 및 t의 단계를 나타낸다사이트간에 ransport. UHV 샘플 준비 후, 샘플 STM 계측 (좌상) 뒤에 UHV HDL을 이용하여 패터닝된다. ALD이어서 AFM 계측 (오른쪽) 다음에 수행된다. RIE는 SEM 계측 다음에시 (100)에 패턴을 전송 (왼쪽 아래). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52900/52900fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 현재까지 가장 정확한 리소그래피는 일반적으로 스캐닝 탐침 기술, 원자의 고해상도 패터닝 및 작용은 많은 응용 입증되었다 구체적 STM 기반의 패터닝을 포함한다. 최고의 정밀도 7 이전 원자 조작 제작했다 나노 구조 빌딩 블록 (8)에 따라 개별 원자를 사용하여 , 9, 10,하지만 이렇게 극저온 조건을 요구하고 나노 구조는 장기적인 안정성이 부족. 표면으로부터 수소 원자의 제거에 의해 RT 원자 조작은 specifical 나타났다LY HDL. 11,12,13 HDL 표면 대비의 공간 현지화를 기반으로 전자 및 기타 장치의 새로운 클래스를 사용하도록 약속드립니다. 추가 처리없이 HDL을 이용하여, 다양한 디바이스 구조는 본드 와이어 또는 로직 디바이스 매달려 포함 가능하다. 14,15,16 또한 전기 콘트라스트를 제공하기 위해 사실상 부동화 H 층이 제거 된 표면 상에 화학적 대비를 도입 할 수 HDL 또한 화학적 변형에 대한 템플릿을 생성. 이 화학적 변형은 금속, 17 절연체 18 심지어 반도체 증착 선택성을 나타내는, 실리콘 및 다른 표면에 증명되었다. 16, 19를 이들 각각의 예에 해당 생산하는 데 사용되어야 이차원 구조이므로 다른 처리 단계를 생산 세 HDL 약속 원자 해결 제어 차원 구조. 이전에는이 ​​필요했다 반복적 패턴, 19,20,21 어닐링 (22) </su이러한 팁 기반 전자 빔 유도 증착으로 덜 P&gt; 또는 해결 방법. (23) 전자 빔 리소그래피와 마찬가지로, HDL은 레지스트를 노출시키기 위해, 전자의 국부적 인 플럭스를 사용한다. 몇몇 유사성 가변 스폿 크기 패터닝 효율 멀티 모드 리소그래피를 수행하는 능력 등이 존재한다. (24) 그러나, HDL의 유효 전력은 전자 빔 리소그래피와 다른 방법에서 발생한다. 우선, HDL에 레지스트 즉 노광 디지털 처리된다 레지스트 그래서 수소 원자의 단층이고; 원자 또는 존재하지 않는 하나 레지스트. 25 H 원자 배치가 (100) HDL 프로세스는 원자 적으로 정확하게 처리 될 수있는 격자 하부의 Si에 대응하기 때문에,이 논문에서 HDL이 나노 미터 정밀도 등을 가지고 있음을 주목해야한다하더라도 따라서 완전 원자를 가지며 대향이 경우 디지털 아니다. HDL의 전자 원은 표면에 국부적이므로, STM 동작의 다양한 모드 모두 용이스루풋 최적화뿐만 아니라 에러 체킹. ~ 4.5 V 이하 팁 - 샘플 바이어스에서, 리소그래피 원자 정밀 모드 (AP 모드)로 알려진 원자 정밀도와 단일 원자 레벨에서 수행 될 수있다. 반면에, ~ 7 V 위의 편견에, 전자는 전계 방출 모드 (FE 모드)로 여기 알려져 넓은 선폭과 높은 depassivati​​on 효율성과 샘플 끝에서 직접 방출된다. 전체 처리량이 가능이 1 ㎛ / 분까지로 리소그래피 패터닝 빔 전자에 비해 짧은, 남아 있지만 HDL 처리량이어서,이 두 모드의 조합에 의해 신중하게 최적화 될 수있다. 바이어스가되도록 역전 될 때 샘플을 따라서 에러 정정을위한 원자 스케일 계측 모두 표면의 원자 구조의 검사를 허용하는 매우 낮은 depassivati​​on 효율 팁 샘플로부터 -2.25 V, 전자가 터널 ~ 유지된다 . 도 1에 도시 된 나노 구조물이 제조 공정 </stron상기 한 바와 같이 G&gt;는, UHV-HDL 단계로 시작합니다. HDL 따라, 샘플 (즉, ~ 1 단층)의 SiO2 층을 포함한다. 전송 후 26 샘플의 증착을위한 ALD 챔버 내로 삽입되는 박막을 형성하는, 패터닝 된 영역 물로 포화되고 어떤 시간, 대기로 배출된다 AFM 및 XPS. 27 티타니아 반응 표면의 물 포화에 의존하기 때문에 의해 측정 2-3 nm의 여기 증착 두께와 티타니아 (이산화 티탄)은,이 프로세스는 물 표면 포화 대기 노출에도 불구 가능 . 다음에, SEM 및 AFM에 의해 결정 에칭 깊이와, 시료가 20 ㎚의 Si가 제거되도록 RIE를 이용하여 에칭으로 일괄 ALD 마스크 패턴을 전사한다. 계측 단계를 용이하게하기 위해, 실리콘 (100) 웨이퍼는 긴 작동 거리를 광학 현미경, AFM 플랜 시청 결상하여 UHV 준비 후에 볼 수 있도록 설계된다 선의 격자 패터닝되고낮은 배율 계획 뷰 현미경 영상. 나노 구조를 식별하는 데 도움이, 1 μm의 2 뱀 패턴 (SERPS)는 SERPS에 대해 고정 된 위치에있는 가장 고립 된 나노 패턴과 샘플에 패터닝된다. HDL, 선택적 ALD 및 RIE의 결합은 나노 구조물의 제조를위한 중요한 과정이 될 수 있으며, 공정의 부산물로서 천연 원자 스케일 계측을 포함한다. 아래에서는 실리콘 HDL, 선택적 ALD 및 RIE를 사용하여 (100)에서 서브 - 10 nm의 나노 구조물을 제조하는 단계의 상세한 설명을 포함한다. 그것은 하나의 이러한 각 프로세스에 숙련 인 것으로 가정되지만, 정보는 다양한 프로세스를 통합하는 방법에 관련 포함한다. 특히 중점은, 동일한 어려움을 방지하기 위해 제작자에 의해 경험 이러한 예기치 않은 어려움 주어진 특히 수송 및 계측 관련 될 것이다.

<table><tbody><tr><td>Si Wafer</td><td>VA Semiconductor</td><td></td><td>P형(붕소) Si< 100> &#177; 2도, 280mm &#177; 25mm 두께, 0.01-0.02 옴-cm</td></tr><tr><td>Ta 호일</td><td>Alfa Aesar</td><td>335</td><td>0.025&nbsp; mm(0.001&nbsp; 에서) 두께, 99.997%(금속 기준)</td></tr><tr><td>메탄올</td><td>Alfa Aesar</td><td>19393</td><td>반도체 등급, 99.9%</td></tr><tr><td>2-프로판올</td><td>Alfa Aesar</td><td>19397</td><td>반도체 등급, 99.5%</td></tr><tr><td>아세톤</td><td>Alfa Aesar</td><td>19392</td><td>반도체 등급, 99.5</td></tr><tr><td>%Argon</td><td>Praxair</td><td></td><td>초고순도(5.0등급)</td></tr><tr><td>탈이온수</td><td>Millipore</td><td>Milli-Q 정수 시스템</td><td>> 18MW 저항 수디맨드 생산.</td></tr><tr><td>TiCl4</td><td>Sigma Aldrigh</td><td>254312</td><td>&ge; 99.995% 미량 금속 기준</td></tr><tr><td>O2</td><td>Matheson</td><td>G2182101</td><td>연구 등급</td></tr><tr><td>SF6</td><td>Matheson</td><td>G2658922</td><td>초고순도(등급 4.7)</td></tr><tr><td>Blue Medium Tack Roll</td><td>Semiconductor Equipment Corporation</td><td>18074</td><td>두께 75 &#956; 미디엄 / 0.003인치 &nbsp; 길이 200 m / 660' &nbsp;</td></tr></tbody></table>

원자 추적 가능한 나노 구조 제작

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

에칭된 나노 구조의 규모를 10nm 범위 이하로 줄이려면 결국 형상 크기와 형상 밀도 모두에 대한 절묘한 제어를 유지하기 위해 사용되는 전체 제조 공정에 대한 원자 규모의 이해가 필요합니다. 여기에서는 초기 템플릿 정의부터 최종 나노 구조 계측까지 원자적으로 분해되고 제어되는 구조를 추적하는 방법을 시연하여 나노 제조에 대한 하향식 원자 제어를 위한 경로를 엽니다. 수소 탈패시베이션 리소그래피는 나노 단위 제조 공정의 첫 번째 단계이며, 그 후 최대 2.8nm의 티타니아를 선택적으로 원자층 증착하여 나노 단위 식각 마스크를 만듭니다. 배경과의 대비가 표시되어 원하는 패턴과 H 부동태화된 배경에서 성장을 위한 다른 메커니즘을 나타냅니다. 그런 다음 패턴은 반응성 이온 에칭을 사용하여 벌크로 전달되어 선폭이 ~6nm까지 내려가는 20nm 높이의 나노 구조를 형성합니다. 이 프로세스의 한계를 설명하기 위해 구멍과 선의 배열이 제작됩니다. 다양한 나노 제조 공정 단계는 서로 다른 위치에서 수행되므로 공정 통합에 대해 논의합니다. 거시적 샘플에서 나노 구조를 찾기 위한 기준 마크 사용, 대기 노출로 인한 열화로부터 화학적으로 반응하는 패턴화된 Si(100)-H 표면을 보호하는 것을 포함하여 관련 문제에 대해 논의합니다.

여기에 설명 된 경우, HDL은 멀티 모드 리소그래피를 이용하여 수행된다. (24)를 FE 모드에서, 8 V 샘플 바이어스, 1 nA의, 및 (50 ㎚ / 초 선단 속도에 해당) 0.2 MC / cm로 수행, 팁 위에 이동 depassivati​​on의 라인을 생산하는 실리콘 격자에 평행 또는 수직 중 표면. 이 lineshape 여기 경우에, 선단이 매우 의존적이지만, 라인 완전히 depassivated 부는 라인의 양측에 다른 2 nm의 연장 부분 depassivati​​on의 꼬리, 폭 약 6 nm였다. 고정밀도의 패턴이 요구되는 경우, AP 모드 리소그래피 4 V 샘플 바이어스 nA의 4, 4 MC / cm (10 ㎚ / 초 선단 속도에 상당)을 사용하여 수행된다. 각 패턴의 AP 모드 성분의 정도는 FE 모드를 사용하여 제조 한 부분적 depassivated 패턴의 폭에 의존한다. 시에 패턴의 STM 이미지의 예는 그림 2를 참조하십시오 다양한 HDL 모드에 대한 (1...

우리는 표면 패터닝을 위한 스캐닝 터널링 현미경의 원자 계측과 선택적 원자층 증착 및 반응성 이온 에칭을 결합하기 위한 프로토콜을 보고합니다. 수많은 대기 노출 및 운송을 포함하는 견고한 프로세스를 사용하여 원자 계측을 갖춘 3D 나노 구조를 제작합니다.

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

다음 실험의 전반적인 목표는 금속 산화물 식각 마스크의 직접 성장과 반응성 이온 식각을 이용하여 원자 격자 수준의 추적 가능성을 갖는 실리콘 나노 구조체를 제작하는 것입니다. 이 절차의 최종 정밀도는 다음과 같이 이루어집니다. 우선, 스캐닝 터널링 현미경 팁을 사용하여 실리콘 칩 상의 수소 패시베이션 층의 정밀한 영역을 제거합니다. 두 번째 단계로, 이산화티타늄을 선택적으로 증착하여 반응성 이온 식각에 대한 마스크 역할을 하는 원자층 증착 공정을 통해 패턴 표면을 노출시킵니다. 그 다음, 이전에 패턴화된 영역을 제외한 표면의 모든 영역에서 실리콘을 제거하기 위해 반응성 이온 식각을 수행합니다.결과는 임계 치수가 10 nanometer 미만인 최대 20 nanometer 높이의 구조물을 제작할 수 있음을 보여줍니다. e-beam 또는 광 리소그래피와 같은 보다 일반적인 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은 STM의 초기 측정 단계에서 원자 수준의 정보를 제공한다는 점입니다. 이 방법은 서로 매우 명확하게 정의된 위치에 배치된 나노구조 간의 정확한 상호작용은 무엇인가와 같은 나노기술의 핵심 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다.일반적으로 이 방법에 익숙하지 않은 사람들은 단계가 매우 많고 샘플을 손상시킬 가능성이 크기 때문에 어려움을 겪을 것입니다. 저희는 처음에 산화 분위기에서 AFM과 STM 팁을 사용하여 실리콘 위에 실리콘 이산화물 식각 마스크의 두께를 최대화하려 했을 때 이 방법을 고안했습니다. 그 대신, 수소 리소그래피와 원자층 증착법을 결합함으로써 유사한 평면 제어 능력을 확보하는 동시에 성장 방향에서 실제적으로 더 큰 자유도를 얻을 수 있었습니다.전사 및 패턴 위치 지정 단계는 각 수행자가 자신의 단계를 정확하게 수행하고 위치 지정 지침을 이해할 수 있어야 하므로, 이 방법에 대한 시각적 시연이 매우 중요합니다. 먼저, 기준점(fiducial marks)이 표시된 silicon 1 0 0 칩을 준비하여 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope)의 샘플 홀더에 장착하고, 함께 제공된 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 플래시 사이클(flash cycle) 및 패시베이션(passivation)을 수행합니다. 그다음, 샘플을 주사 터널링 현미경 내부로 옮기고 샘플과 팁을 터널링 범위 내로 접근시킵니다.20 micron 스폿 크기 이상의 분해능을 가진 카메라를 사용하여 팁 샘플 접합부의 고해상도 광학 이미지를 촬영하고, 광학 이미지의 왜곡을 보정하고 크기를 조정하여 관찰된 팁 위치와 기준 표시(fiducial marks)가 왜곡 없이 재현되도록 합니다. 다음으로, 실험 패턴과 서펜타인(serpentine) 식별 패턴을 모두 포함하여 제작할 HDL 패턴을 설계합니다. 팁이 따라갈 기본 벡터를 정의하기 위해 전체 패턴을 기본 도형으로 분할합니다.AP 모드 및 FE 모드 HDL 조건을 적용할 때는 실리콘 표면의 격자 정보를 사용하십시오. 최종 팁 경로를 결정하기 위해서는, 이전 단계의 벡터 출력값을 사용하여 소형 영역이나 원자 수준의 정밀한 가장자리가 필요한 영역에 대해 원자 정밀 HDL(AP 모드 리소그래피라고도 함)을 사용하십시오. 대면적의 경우, 샘플 바이어스 7~9 V, 전류 1 nA 및 0.2 mKlos/cm 조건의 전계 방출 모드 리소그래피를 사용하여 HDL을 수행하십시오.다음으로, -2.25 V의 샘플 바이어스와 0.2 nA의 터널링 전류로 이미징하여 원하는 HDL 패턴 영역에 대해 주사 터널링 현미경 계측을 수행합니다. 그 후 팁을 샘플에서 분리하고 샘플을 다시 로드락으로 이동시킵니다. 깨끗한 사파이어와 같은 불활성 평면 기판과 접촉시켜 샘플을 보호한 뒤, 보호가 완료되면 펌프의 밸브를 닫고 챔버에 질소 가스를 가능한 한 빠르게 주입합니다.챔버의 공기를 뺀 후, 시스템에서 샘플을 제거합니다. 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 티타늄 핀셋을 사용하여 샘플 차폐 어셈블리를 근접 촬영한 모습을 확인하십시오. 샘플의 전면이 보호된 상태를 유지하며 신속하게 샘플을 이송기로 옮깁니다.샘플 위에 커버를 설치하고 가압 샘플 운송 장치를 느슨하게 조립합니다. 초순수 argon으로 운송 장치를 1분 동안 퍼지한 다음, argon으로 약한 양압을 가한 상태에서 샘플 운송 장치를 밀봉합니다. 이 조건에서 공정의 각 단계 사이에 샘플을 보호하기 위해 이 단계들을 수행하십시오.시료는 최대 한 달 동안 안정적으로 유지됩니다. 원자층 증착 챔버를 100 °C로 예열하십시오. 그런 다음 시료 운송 장치를 열고 스테인리스 스틸 핀셋을 사용하여 시료를 증착 챔버로 빠르게 옮깁니다.샘플 칩과 대조군 칩의 위치 및 방향을 기록합니다. 챔버를 닫고 아르곤 흐름을 이용하여 0.2 millibars 미만의 압력에서 1시간 동안 퍼지(purge)합니다. 그 후, 함께 제공된 텍스트 프로토콜에 기술된 레시피를 사용하여 원자층 증착을 80회 반복 수행함으로써 샘플 위에 2.8 nanometer 두께의 비정질 티타니아 층을 성장시킵니다.완료되면 샘플을 빠르게 운반기로 다시 옮기고 아르곤으로 퍼지합니다. 운반기에서 샘플을 안전하게 제거한 후, 클램핑 시스템이나 진공 척과 같은 기계적 장착 방법을 사용하여 A FM 시스템에 설치합니다. A FM 카메라의 초점을 샘플에 맞추고 샘플 표면의 기준 표시(fiducial markings)를 찾아 나노 패턴이 있을 것으로 예상되는 영역에 A FM 팁을 정렬합니다.가장 높은 해상도의 높이 및 위상 정보를 사용하여 로케이터 패턴 영역이 식별될 때까지 샘플을 스캔합니다. 그 후, 가능한 최고 화질과 해상도로 원하는 영역의 이미지를 획득합니다. 관심 영역의 이미지 획득이 완료되면 샘플을 제거하여 아르곤 가스 하의 트랜스포터로 다시 옮깁니다.반응성 이온 식각을 준비하는 동안, 용량 결합 반응성 이온 식각기 챔버를 -110 °C로 냉각합니다. 그런 다음 이송 장치에서 샘플을 꺼내어 샘플과 대조군 칩을 유도 챔버에 로드합니다. 전도성 페이스트를 사용하고 챔버를 7.5 × 10⁻⁶ mbar까지 감압합니다.시스템을 3분 동안 안정화한 후, 산소를 8 sccm의 속도로 흘려줍니다. 아르곤은 40 sccm, 육불화황은 20 sccm의 속도로 흘려줍니다. 150 W RF 방전을 통해 플라스마를 생성합니다.그 후 가스 유량을 조절하고, 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 후 육불화황 52 standard cubic centimeters per minute, 산소 8 standards cubic centimeters per minute의 유량으로 1분 동안 식각합니다. 아르곤 가스 하에서 샘플을 다시 운송 장치에 넣습니다. 샘플 운송 장치를 열고 샘플을 SEM 마운트에 단단히 설치합니다.그 다음 샘플 어셈블리를 SEM에 넣고 챔버를 진공 상태로 만든 후, 기준 마커(fiducial markers)를 찾아 초점을 맞춥니다. 필요에 따라 작동 거리(working distance)를 조정하고, 패턴 위에 탄소가 증착되는 것을 최소화하기 위해 초점, 밝기 및 대비를 최적화합니다. 주변의 중요하지 않은 특징물들을 이용하여 초점을 최적화합니다.최적화가 완료되면 샘플에서 대략적인 패턴 위치를 확인합니다. 그런 다음 패턴으로 이동하여 평면 뷰 이미지와 측정값을 획득합니다. 이후 일반적인 SEM 시스템 종료 절차를 수행하고 SEM 제조사의 지침에 따라 샘플을 분리합니다.아르곤 분위기 하에서 샘플을 다시 트랜스포터에 고정합니다. 이 단계에서 샘플은 안정적인 상태가 되어 무기한으로 보관할 수 있습니다. 여기 제시된 이미지는 AP 모드만을 사용하여 생성된 HDL 패턴의 대표적인 주사 터널링 현미경 이미지입니다.최적의 마스크 제작을 위해 각 가장자리를 기록하는 데는 AP 모드를 사용하고, 그 외에는 전계 방출 모드만을 사용하는 AP 및 전계 방출 모드의 조합이 적용되었습니다. AP HDL 패턴을 사용하면 원자 힘 현미경을 이용해 높은 수준의 선택성을 확보할 수 있어야 합니다. 패턴 영역에 증착된 이산화티타늄의 높이를 배경 영역의 증착 높이와 비교하였습니다.이 샘플은 배경 성장(background growth)이 가장 높게 나타난 약 20 사이클의 배양 결과를 보여줍니다. 여기서는 FE 모드 HDL을 사용하여 10 nanometers의 피치로 두 개의 서펜타인 패턴을 작성했습니다. 패턴을 서로 90도 회전시켜 격자를 생성합니다.2.8 nm의 이산화티타늄 마스크 증착 후 FM을 사용하여 구현한 동일한 패턴이 여기에 나타나 있습니다. 팁 컨볼루션(tip convolution) 효과로 인해 패턴 내의 개구부를 분해능 있게 관찰하기 어렵습니다. 반응성 이온 식각 후, 원하는 개구부의 약 60%가 기판으로 전사되었으며, 이는 해당 패턴 크기와 밀도가 HDL의 FE 모드만으로 효과적인 나노구조 제작이 가능한 대략적인 한계임을 나타냅니다.이 기술은 적절하게 수행될 경우 약 3일 만에 완료할 수 있으며, 대부분의 시간은 초고진공 샘플 준비 및 필요 시 장소 간 이동에 할애됩니다. 이 절차를 수행하는 동안 샘플의 청결을 유지하고, 절차 이후의 배경 오염을 방지하는 것이 중요합니다. 나노 임프린트 리소그래피와 같은 다른 기술을 사용하여 이 기술의 나노 제작 생산 능력을 확장할 수 있습니다.이 영상을 시청한 후, 단일 나노미터 규모 구조물을 제작하기 위해 샘플을 정밀하게 취급하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 이 공정을 수행할 때는 가스 희석과 같은 주의 사항을 항상 준수해야 합니다. 그렇지 않으면 LD 펌핑 시스템에 손상이 발생할 수 있습니다.

atomically-traceable-nanostructure-fabrication

Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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