Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie nanostruktur identyfikowalnych atomowo

8.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/52900

⸱

17 lipca 2015

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Zyvex Labs, 2Department of Physics, University of Texas at Dallas, 3Department of Materials Science and Engineering, University of Texas at Dallas, 4Materials Science and Engineering, University of North Texas, 5National Institute of Standards and Technology

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiamy protokół łączący metrologię atomową Skaningowego Mikroskopu Tunelowego do modelowania powierzchni z selektywnym osadzaniem warstw atomowych i reaktywnym trawieniem jonowym. Korzystając z solidnego procesu obejmującego liczne ekspozycje atmosferyczne i transport, wytwarzane są nanostruktury 3D z metrologią atomową.

Streszczenie

Zmniejszenie skali wytrawionych nanostruktur poniżej zakresu 10 nm ostatecznie będzie wymagało zrozumienia skali atomowej całego procesu produkcyjnego, który jest używany, aby zachować doskonałą kontrolę zarówno nad rozmiarem cech, jak i gęstością cech. W tym miejscu demonstrujemy metodę śledzenia atomowo rozdzielczych i kontrolowanych struktur od początkowej definicji szablonu do końcowej metrologii nanostruktur, otwierając drogę do odgórnej kontroli atomowej nad nanowytwarzaniem. Litografia z depasywacją wodoru jest pierwszym etapem procesu wytwarzania w nanoskali, po którym następuje selektywne osadzanie warstwy atomowej tytanu do 2,8 nm w celu wytworzenia maski trawiącej w nanoskali. Pokazany jest kontrast z tłem, wskazujący na różne mechanizmy wzrostu na pożądanych wzorach i na tle pasywowanym H. Wzory są następnie przenoszone do masy za pomocą reaktywnego trawienia jonowego w celu utworzenia nanostruktur o wysokości 20 nm i szerokości linii do ~6 nm. Aby zilustrować ograniczenia tego procesu, wytwarzane są tablice otworów i linii. Poszczególne etapy procesu nanowytwarzania są wykonywane w różnych lokalizacjach, więc omówiono integrację procesu. Omówiono zagadnienia pokrewne, w tym wykorzystanie znaczników odniesienia do znajdowania nanostruktur w próbce makroskopowej oraz ochronę chemicznie reaktywnej powierzchni Si(100)-H przed degradacją w wyniku ekspozycji atmosferycznej.

Wprowadzenie

W miarę jak nanotechnologia zyskuje na znaczeniu w wielu dziedzinach, zrozumienie tworzonych struktur staje się coraz ważniejsze, szczególnie w obszarze litografii i elektroniki. Aby podkreślić znaczenie metrologii w skali nanometrycznej, a konkretnie w skalach poniżej 10 nm, należy zaznaczyć, że zmiana rozmiaru elementu o zaledwie 1 nm oznacza zmianę względną wynoszącą co najmniej 10%. Odchylenie to może mieć istotny wpływ na wydajność urządzeń oraz charakterystykę materiałów.1,2–4 Dzięki metodom syntetycznym możliwe jest wytwarzanie bardzo precyzyjnych pojedynczych struktur, takich jak kropki kwantowe czy inne złożone cząsteczki,2,5,6 jednak zazwyczaj brakuje im tej samej precyzji w rozmieszczeniu i orientacji, mimo podejmowanych wysiłków w celu poprawy kontroli nad rozmiarem i pozycjonowaniem. Niniejszy artykuł prezentuje podejście do wytwarzania nanostruktur z precyzją rozmiarów bliską skali atomowej oraz atomową precyzją rozmieszczenia elementów, a także z zastosowaniem metrologii atomowej w pozycjonowaniu elementów. Wykorzystując precyzję atomową litografii depasywacji wodoru (HDL) indukowanej przez skaningowy mikroskop tunelowy (STM), na powierzchni tworzone są atomowo precyzyjne wzory o kontraście wrażliwym chemicznie. Następnie za pomocą selektywnego osadzania warstw atomowych (ALD) w obszarach wzorowanych nanosi się twardy materiał tlenkowy, a trawienie jonami reaktywnymi (RIE) przenosi ostatecznie wzory do materiału bazowego, co przedstawiono schematycznie na Rysunku 1. Połączenie wysoce precyzyjnego procesu HDL ze standardowymi procesami ALD i RIE skutkuje elastyczną metodą wytwarzania nanostruktur na powierzchni o dowolnym kształcie i rozmieszczeniu.

Schemat cyklu nanofabrykacji z ALD, AFM, SEM, RIE; pokazuje transport materiałów w skali nanometrycznej.
Rysunek 1. Główne etapy procesu nanofabrykacji. Jako przykład pokazano kwadrat o wymiarach 200 nm x 200 nm. Każda zakreślona strzałka wskazuje etap ekspozycji na atmosferę i transport między stanowiskami. Po przygotowaniu próbki w warunkach UHV, próbka jest wzorowana przy użyciu UHV HDL, a następnie poddana metrologii STM (lewa góra). Następnie wykonuje się ALD, po którym następuje metrologia AFM (prawa). RIE przenosi wzory do Si(100), po czym następuje metrologia SEM (lewa dół). Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Najbardziej precyzyjna litografia do tej pory zazwyczaj opierała się na technikach sondy skanującej, a konkretnie na wzorowaniu opartym na STM, gdzie wykazano możliwość tworzenia wzorów i funkcjonalizacji z rozdzielczością atomową w wielu zastosowaniach.7 Wcześniej manipulacja atomami pozwoliła na tworzenie nanostruktur z najwyższą precyzją poprzez wykorzystanie pojedynczych atomów jako bloków budulcowych,8,9,10 jednak nanostruktury te wymagały warunków kriogenicznych, przez co brakowało im długoterminowej stabilności. Wykazano możliwość manipulacji atomami w temperaturze pokojowej (RT) poprzez usuwanie atomów wodoru z powierzchni, a konkretnie za pomocą HDL.11,12,13 HDL daje nadzieję na stworzenie nowych klas urządzeń elektronicznych i innych komponentów opartych na przestrzennej lokalizacji kontrastu powierzchniowego. Stosując HDL bez dalszej obróbki, możliwe jest stworzenie różnych architektur urządzeń, w tym przewodów z wiązań wiszących lub układów logicznych.14,15,16 Oprócz zapewnienia kontrastu elektrycznego, HDL może wprowadzić kontrast chemiczny na powierzchni, z której usunięto pasywującą warstwę H, tworząc w efekcie szablon do dalszej modyfikacji chemicznej. Modyfikacja chemiczna ta została zademonstrowana na krzemie i innych powierzchniach, wykazując selektywność w osadzaniu metali,17 izolatorów,18 a nawet półprzewodników.16,19 Każdy z tych przykładów prowadzi do powstania struktur dwuwymiarowych, zatem do wytworzenia prawdziwych struktur trójwymiarowych z kontrolą o rozdzielczości atomowej obiecywaną przez HDL, należy zastosować inne etapy obróbki. Wcześniej wymagało to powtarzalnego wzorowania,19,20,21 wyżarzania,22 lub procesów o niższej rozdzielczości, takich jak osadzanie indukowane wiązką elektronów z użyciem sondy.23

Podobnie jak w litografii wiązką elektronową, HDL wykorzystuje zlokalizowany strumień elektronów do naświetlania warstwy maskującej. Istnieje kilka podobieństw, takich jak możliwość wykonywania litografii wielomodalnej ze zmienną wielkością plamki oraz wydajnością wzorowania.24 Jednak prawdziwa siła HDL wynika z różnic względem litografii wiązką elektronową. Po pierwsze, warstwa maskująca w HDL stanowi monowarstwę wodoru atomowego, dzięki czemu naświetlanie maski staje się procesem cyfrowym; atom maskujący jest albo obecny, albo go nie ma.25 Ponieważ rozmieszczenie atomów H odpowiada underlying siatce Si(100), proces HDL może być procesem precyzyjnym atomowo, choć należy zaznaczyć, że w niniejszej pracy HDL posiada precyzję nanometryczną, a nie doskonałość atomową, i w związku z tym nie jest w tym przypadku procesem cyfrowym. Ponieważ źródło elektronów w HDL znajduje się lokalnie przy powierzchni, różne tryby pracy STM ułatwiają zarówno optymalizację przepustowości, jak i kontrolę błędów. Przy napięciach między sondą a próbką poniżej ~4,5 V litografię można wykonywać na poziomie pojedynczych atomów z precyzją atomową, co określane jest jako tryb precyzji atomowej (tryb AP). W przeciwieństwie do tego, przy napięciach powyżej ~7 V elektrony są emitowane bezpośrednio z sondy do próbki z szerokimi liniami widmowymi i wysoką wydajnością depasywacji, co określono tutaj jako tryb emisji polowej (tryb FE). Przepustowość HDL może być następnie optymalizowana poprzez staranne łączenie tych dwóch trybów, choć całkowita przepustowość pozostaje niewielka w porównaniu z litografią wiązką elektronową, przy możliwym wzorowaniu do 1 μm2/minutę. Gdy polaryzację odwrócono tak, aby próbka znajdowała się pod napięciem ~-2,25 V, elektrony tunelują z próbki do sondy z niezwykle niską wydajnością depasywacji, co pozwala na inspekcję struktury atomowej powierzchni zarówno w celu korekcji błędów, jak i w ramach metrologii w skali atomowej.

Proces wytwarzania nanostruktury pokazany na Rysunku 1 rozpoczyna się od etapu UHV-HDL, opisanego powyżej. Po HDL próbka jest wystawiona na działanie atmosfery, w wyniku czego obszary wzorowane nasycają się wodą, tworząc cienką (t.j. ~1 monowarstwa) warstwę SiO2.26 Po transporcie próbka jest wprowadzana do komory ALD w celu osadzenia tlenku tytanu (TiO2); osadzane są tutaj warstwy o grubości około 2-3 nm, co zmierzono za pomocą AFM i XPS.27 Ponieważ reakcja tlenku tytanu zależy od nasycenia powierzchni wodą, proces ten jest możliwy mimo ekspozycji na atmosferę, która nasyca powierzchnię wodą. Następnie, aby przenieść wzór maski ALD do materiału bazowego, próbkę trawiono metodą RIE, usuwając 20 nm Si; głębokość trawienia określono za pomocą AFM i SEM. W celu ułatwienia etapów metrologicznych, na waflu Si(100) naniesiono wzór w postaci siatki linii, które mają być widoczne po przygotowaniu w warunkach UHV przy użyciu mikroskopu optycznego z dużą odległością roboczą, obrazowania optycznego AFM w rzucie poziomym oraz obrazowania SEM w rzucie poziomym przy małym powiększeniu. Aby pomóc w identyfikacji struktur nanometrycznych, na próbkach wykonano serpentynowe wzory o szerokości 1 μm2 (serps), przy czym najbardziej odizolowane nanowzory znajdują się w stałych położeniach względem serps.

Ta kombinacja HDL, selektywnego ALD oraz RIE może stanowić istotny proces w wytwarzaniu nanostruktur, a dodatkowym produktem procesu jest metrologia w skali atomowej. Poniżej przedstawiamy szczegółowy opis kroków niezbędnych do wytworzenia nanostruktur o rozmiarach poniżej 10 nm w Si(100) z wykorzystaniem HDL, selektywnego ALD i RIE. Zakłada się, że użytkownik posiada biegłość w każdym z tych procesów, jednak zawarto informacje dotyczące ich integracji. Szczególny nacisk położono na nieoczekiwane trudności, z którymi spotkali się autorzy, aby pomóc w uniknięciu podobnych problemów, zwłaszcza w zakresie transportu i metrologii.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie próbki ex-situ

  1. Przygotuj frytki
    1. Zaprojektuj odpowiednią maskę wytrawiania, aby umieścić znaczniki identyfikujące w płytce Si(100). Korzystając ze standardowej litografii optycznej i RIE, wytraw siatkę linii jako znaki odniesienia w płytce, z której zostaną pobrane próbki STM. Linie powinny mieć szerokość 10 μm, głębokość 1 μm i odstęp 500 μm. Po wytrawieniu usuń pozostały fotorezyst z próbki.
      Uwaga: Znaki odniesienia muszą być możliwe do zidentyfikowania na miejscu w celu umiejscowienia końcówki na próbce, jak również w AFM i SEM podczas pomiarów.
    2. Chroń powierzchnię wafla, nakładając standardową niebieską taśmę do krojenia w kostkę, lepką stroną do dołu.
    3. Pokrój wafle w wióry za pomocą ceramicznej piły do krojenia w kostkę z diamentową końcówką w rozmiarach odpowiednich dla konkretnego narzędzia UHV-STM używanego do wykonywania HDL. W tym przypadku próbki miały wymiary kwadratów o wymiarach 8,1 mm x 8,1 mm.
  2. Po pokrojeniu w kostkę przygotuj wiór do włożenia do narzędzia do modelowania UHV-STM, delikatnie odklejając taśmę do krojenia w kostkę, uważając, aby nie dotknąć wióra żadnymi narzędziami zawierającymi nikiel, co spowoduje niekorzystną rekonstrukcję powierzchni po przygotowaniu UHV w sekcji 2 poniżej.
    1. Oczyść wiór, płucząc przednią powierzchnię przez 10 sekund strumieniami acetonu, alkoholu izopropylowego, metanolu i wody dejonizowanej, chwytając boki próbki pęsetą z politetrafluoroetylenu (PTFE). Na koniec wysusz ultraczystymN2 lub Ar, nadal chwytając pęsetą teflonową.
    2. Zamontuj chip próbki w uchwycie na próbkę STM przy użyciu metod odpowiednich dla konkretnego narzędzia UHV-STM, które ma być używane do HDL.
      1. W przypadku montażu w uchwycie na próbkę zawierającym nikel należy przyciąć paski barierowe z folii tantalowej (ok. 4 mm na wysokość próbki) za pomocą tytanowych nożyczek. Sonizować paski folii przez 5 minut każdy odpowiednio w ultraczystym acetonie, alkoholu izopropylowym, metanolu i wodzie demineralizowanej. Wysuszyć ultraczystym gazemN2, częściowo przykrywając zlewkę folią aluminiową i wstrzykując dyszęN2 do otworu. Przepływaj gaz, aż cała ciecz wyparuje. Za pomocą pęsety niezawierającej niklu uformuj folię wokół końców próbki, a następnie zaciśnij w uchwycie próbki, aby odizolować przednią i tylną stronę próbki od uchwytu próbki.
    3. Po zamontowaniu oczyść plazmowo próbkę i uchwyt próbki w plazmie tlenowej, aby usunąć zanieczyszczenie węglowe. 28

2. Przygotowanie próbki UHV

  1. Wprowadzić próbkę do systemu UHV za pomocą blokady obciążenia lub innej preferowanej metody bezpiecznej dla UHV, tak aby przetwarzanie UHV i HDL mogły zwykle pozostać poniżej 1,3 x 10-9 mbar (z wyjątkiem kroku 2.5.1.1 poniżej).
  2. Odgazowanie O/N w temperaturze 650 °C, monitorując temperaturę za pomocą pirometru. Upewnij się, że ciśnienie w komorze mieści się w granicach 25% tła. W opisanym tutaj przypadku typowe ciśnienia tła wynoszą około 4,5 x 10-10 mbar.
  3. Odgazuj wodór wolframowy w temperaturze 1 500 °C przez 5 minut. Jeśli to możliwe, aktywuj pompy sublimacyjne tytanu.
  4. Wykonaj przykładowy cykl "Flash".
    1. Pobrać próbkę przez ogrzewanie do temperatury 1 250 °C przez 20 sekund, monitorowanie T za pomocą pirometru i przy użyciu gradientu ogrzewania o temperaturze 10 °C/s. Nie przekraczaj maksymalnego ciśnienia 7 x 10-9 mbar. Chłodzić, usuwając prąd grzewczy w mniej niż 5 sekund.
    2. Próbkę należy spoczynkować w temperaturze 350 °C przez 5 minut, aby umożliwić powrót ciśnienia do wartości wyjściowej. Powtórz 3 razy.
  5. Wykonaj pasywację próbki.
    1. Ustawić temperaturę próbki na 350 °C za pomocą pirometru w celu monitorowania temperatury. Wprowadzić ultra czysty H 2 o sile 1,3 x 10-6 mbar do komory przygotowawczej za pomocą zaworu wyciekowego.
      1. Umieść wymrażarkę na przewodzieH2 bardzo blisko zaworu wyciekowego w systemie, aby dalej oczyścićH2.
      2. Jeśli to możliwe, układ pompowy z turbopompą o dużej prędkości zamiast pompy jonowej. Dzieje się tak, aby pompa jonowa nie zanieczyszczała próbki w wyniku wystawienia na działanie zanieczyszczeń pod wysokim ciśnieniem i wyrzucających. Pompy przywraca się do normalnego stanu po usunięciu większej ilości wodoru, gdy próbka jest nadal ciepła (350 °C).
    2. Włącz żarnik krakingu wodoru wolframu do temperatury 1 400 °C na 12 minut, a następnie wyłącz żarnik i przepływ gazuH2. Fajna próbka do RT.

3. Skaningowa mikroskopia tunelowa i litografia

  1. Przenieś próbkę do STM i przenieś próbkę i końcówkę STM do zakresu tunelowania. Używając kamery o zdolności rozdzielczej lepszej niż rozmiar plamki 20 μm, wykonaj obraz optyczny o wysokiej rozdzielczości połączenia końcówka-próbka. Prostowanie i zmiana rozmiaru obrazu optycznego w taki sposób, aby reprezentował niezniekształconą reprodukcję znaków odniesienia.
  2. Usuń wszelkie oświetlenie, aby zmniejszyć niestabilność termiczną systemu. Określ jakość powierzchni.
    1. Stosując konwencjonalne techniki STM z odchyleniem próbki -2,25 V i 200 pA, zidentyfikuj liczbę defektów na powierzchni.
    2. Jeśli wady powierzchni są poniżej akceptowalnego poziomu, przejdź do następnego kroku. Maksymalne dopuszczalne poziomy defektów są następujące: Zwisające wiązania 1%; Si pustostany na poziomie 3%; zanieczyszczeń na poziomie 1%.
  3. Zaprojektuj wzorce HDL, które mają zostać wyprodukowane, w tym zarówno wzorce eksperymentalne, jak i duże (1 μm x 1 μm) wzorce identyfikacji serp. Wzorce serp powinny być rysowane z długą osią wektorową prostopadłą do oczekiwanej osi szybkiego skanowania AFM, przy użyciu odstępu 15-20 nm. Podziel ogólny wzór na podstawowe kształty, aby zdefiniować ścieżkę, po której podąża końcówka podczas stosowania warunków HDL. 24
  4. Korzystając z wektorowych danych wyjściowych z poprzedniego kroku, wykonaj HDL przy użyciu litografii w trybie ES dla dużych obszarów z odchyleniem próbki 7-9 V, prądem 1 nA i 0,2 mC/cm oraz litografii w trybie AP dla małych obszarów lub obszarów wymagających krawędzi o atomowej precyzji. 24
    1. Określ optymalne warunki litografii w trybie AP, wykonując HDL w różnych warunkach z odchyleniem próbki w zakresie od 3,5 do 4,5 V, prądem w zakresie od 2 do 4 nA i dawkami linii w zakresie od 2 do 4 mC/cm. Wybierz warunki, w których powstaje najwęższa, całkowicie zdepasywowana linia.
  5. Wykonaj pomiary STM na żądanych obszarach o wzorze HDL, obrazując przy odchyleniu próbki -2,25 V i prądzie tunelowania 0,2 nA.
    1. [opcjonalnie] Wykonaj korekcję błędów. Po metrologii STM porównaj wzorzec depasywacji na obrazach STM z żądanym wzorcem z kroku 3.5. Jeśli jakiekolwiek obszary wykazują niewystarczające tworzenie zwisających wiązań, powtórz cykl litograficzny w tych obszarach.
  6. Po zakończeniu STM HDL odłącz końcówkę od próbki i przesuń próbkę do blokady ładowania.
  7. Odpowietrzyć i usunąć próbkę. Podczas odpowietrzania ultraczystymN2 należy chronić próbkę, stykając ją z obojętnym, płaskim podłożem, takim jak czysty szafir. 29 Po zabezpieczeniu powierzchni zamknij zawory wszystkich pomp, a następnie jak najszybciej wprowadź gaz odpowietrzający. Usuń próbkę z systemu.

4. Transport próbek

  1. Wyjmij próbkę z blokady obciążenia. Pobrać próbkę z uchwytu na próbkę, w tym w miarę możliwości usunąć kawałki bariery foliowej. Za pomocą pęsety z PTFE (lub Ti) przenieś próbkę do transportera, chroniąc przednią stronę próbki, starając się utrzymać ekspozycję na atmosferę krótszą niż 10 minut.
  2. Załóż pokrywę na próbkę i luźno zamontuj transporter próbek pod ciśnieniem. Przepłukiwać ultraczystym Ar przez 1 minutę. Nie opróżniaj systemu w żadnym momencie, ponieważ może dojść do uszkodzenia powierzchni.29 Na koniec uszczelnij transporter próbek małym dodatnim ciśnieniem (~50-100 mbar) Ar, aby próbka pozostała stabilna przez okres do miesiąca.

5. Osadzanie warstwy atomowej

  1. Upewnij się, że ALD ma odpowiednią temperaturę osadzania (100 °C). Powoli zwiększaj ciśnienie argonu w komorze ALD, aż do osiągnięcia ciśnienia atmosferycznego.
  2. Otwórz komorę ALD.
  3. Otwórz transporter próbek i szybko przenieś do komory ALD za pomocą pęsety z PTFE chwytającej próbkę na krawędzi, a następnie zamknij komorę ALD i przedmuchuj za pomocą strumienia argonu pod ciśnieniem < 2 × 10-1 mbar przez 1 godzinę w celu odgazowania próbki. Ustaw proces, aby wykonać 80 powtarzających się cykli ALD w celu wyhodowania 2,8 nm amorficznego tytanu.
    1. Korzystając z niezmodyfikowanego komercyjnego systemu ALD w temperaturze próbki 100-150 °C, z czterochlorkiem tytanu (TiCl4) i wodą (H2O) jako prekursorami, należy przeprowadzić osadzanie z reagentami pod ciśnieniem 0,3 mbar i 0,8 mbar, z czasami impulsów odpowiednio 0,1 s i 0,05 s. 27 Rozdział 27
    2. Po każdym impulsie gazowym należy przepłukać reaktor Ar przez 60 sekund przy 0,2 mbar, aby zapewnić minimalne osadzanie się tła spowodowane reagentami fizjosorbowanymi. W przypadku masek w tej pracy stosuje się 80 cykli ALD do wyhodowania około 2,8 nm amorficznego tytanu w temperaturze 100 °C.
  4. Powoli odpowietrzyć komorę ALD gazem Ar i otworzyć. Powtórzyć kroki 4.1 i 4.2 dla transportu próbki.

6. Mikroskopia sił atomowych (AFM)

  1. Upewnij się, że AFM jest prawidłowo skalibrowany zgodnie z protokołem producenta. Otwórz transporter próbek i delikatnie wyjmij próbkę za pomocą pęsety.
  2. Po wyjęciu z transportera należy bezpiecznie zainstalować próbkę w AFM za pomocą mechanicznej metody montażu, takiej jak system mocowania, jeśli to możliwe. Ustaw ostrość kamerę AFM na próbce i zlokalizuj oznaczenia odniesienia na powierzchni próbki, aby wyrównać końcówkę AFM ze wzorem w oparciu o metrologię optyczną w kroku 3.2.
  3. Upewnij się, że ustawienia AFM będą pokazywać zarówno informacje o wysokości, jak i fazie, a także ustaw rozmiar skanowania na szerokość od 20 do 40 μm. Przymocuj końcówkę AFM do próbki.
  4. Korzystając z informacji o wysokości i fazie w najwyższej rozdzielczości, skanuj do momentu zidentyfikowania obszaru wzorców lokalizatora. Powiększ obszar z wzorem i znajdź obszar, w którym obraz ma się znaleźć.
  5. Zrób zdjęcie żądanych obszarów przy użyciu odpowiedniej jakości obrazu i rozdzielczości (zazwyczaj najwyższej możliwej). Po zeskanowaniu wszystkich żądanych obszarów odłącz końcówkę od próbki. Rozładować próbkę. Powtórzyć kroki 4.1 i 4.2 dla transportu próbki.

7. Reaktywne trawienie jonowe

  1. Schłodzić pojemnościowo sprzężony reaktor RIE do temperatury -110 °C, a następnie załadować próbkę do komory wstępnej i obniżyć ciśnienie do 7,5 x 10-6 mbar.
    1. Stabilizuj temperaturę przez 3 min. Następnie włącz gaz przy natężeniu przepływu O2 przy 8 sccm (standardowy centymetr sześcienny na minutę), Ar przy 40 sccm i SF6 przy 20 sccm.
    2. Uderz w plazmę za pomocą wyładowania RF o mocy 150 W, a następnie zmodyfikuj przepływ gazu, aby wytrawiać przez 1 minutę za pomocą SF6 przy 52 sccm i O2 przy 8 sccm. Oddziaływanie tych gazów z Si będzie zanikać z szybkością około 20 nm/min.30
    3. Podciśnienie pompy do 7,5 x 10-6 mbar. System wentylacji RIE. Powtórzyć kroki 4.1 i 4.2 dla transportu próbki.

8. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)

  1. SEM Próbka Montaż i wprowadzenie próbki do systemu.
    1. Umieść nieprzylepny uchwyt na próbkę w dogodnym miejscu, aby ułatwić montaż próbki.
    2. Otwórz transporter próbek i delikatnie wyjmij próbkę za pomocą pęsety, aby chwycić próbkę za krawędzie i bezpiecznie zainstalować w uchwycie SEM, a następnie wprowadzić zespół próbki do SEM.
    3. Odpowietrzyć i otworzyć komorę SEM. Bezpiecznie zainstaluj zestaw próbki na etapie próbki SEM. Odpompuj komorę SEM.
  2. Zlokalizuj powierników.
    1. Ustaw powiększenie na najniższą możliwą wartość. Wybierz ustawienia napięcia przyspieszającego i prądu wiązki, które zapewnią dobrą rozdzielczość. Zacznij od najniższych akceptowalnych ustawień. W razie potrzeby idź w górę.
    2. Włącz wiązkę elektronów. Ustaw ogólny obszar zainteresowania na zalecanej odległości roboczej i wysokości eucentrycznej.
    3. Zlokalizuj i skoncentruj się na powiernikach opisanych w sekcji 1.1. W razie potrzeby dostosuj odległość roboczą. Zoptymalizuj ostrość, jasność i kontrast
      4. .
  3. Zlokalizuj i zobrazuj wzory.
    1. W odniesieniu do powierników zlokalizuj wzorce w oparciu o metrologię optyczną w sekcji 3.2 i metrologię AFM w sekcji 6. Aby zminimalizować osadzanie się węgla na wzorcach, zoptymalizuj ostrość, korzystając z pobliskich, nieistotnych funkcji. Po zoptymalizowaniu przejdź do wzorców i uzyskaj obrazy i pomiary w widoku planu.
    2. W razie potrzeby przechyl próbkę, aby uzyskać obrazy 3D i pomiary wysokości wzoru. W przypadku innych wzorów powtórz od 8.3 w razie potrzeby.
  4. Wykonaj procedurę zamykania systemu SEM i zdemontuj próbkę/próbki, zgodnie z zaleceniami producenta SEM. Zabezpiecz próbkę z powrotem w transporterze.
  5. Powtórzyć kroki 4.3 i 4.4 dla transportu i przechowywania próbki. W tym momencie próbki są wytrzymałe i mogą być przechowywane przez nieokreślony czas. W razie potrzeby wykonaj analizy po obrazowaniu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

W opisanych tutaj przypadkach HDL jest wykonywana przy użyciu litografii wielotrybowej.24 W trybie FE, realizowanym przy napięciu próbki 8 V, prądzie 1 nA i gęstości ładunku 0,2 mC/cm (co odpowiada prędkości końcówki 50 nm/sec), końcówka porusza się po powierzchni równolegle lub prostopadle do sieci Si, tworząc linie depasywacji. Choć kształt tych linii jest silnie zależny od końcówki, w tym przypadku całkowicie depasywowana część linii miała szerokość około 6 nm, z ogonami częściowej depasywacji rozciągającym...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Przeprowadzenie metrologii nanostruktur opisanych powyżej wymaga możliwości powiązania pozycjonowania końcówki podczas HDL z lokalizacją wzoru przy użyciu innych narzędzi, takich jak AFM i SEM. W przeciwieństwie do innych dobrze rozwiniętych narzędzi do litografii z wysokorozdzielczym kodowaniem pozycji, takich jak litografia wiązką elektronów, HDL wykonano tutaj za pomocą STM bez precyzyjnie kontrolowanego pozycjonowania wstępnego, dlatego zastosowano dodatkowe protokoły identyfikacji pozycji, co przedstawiono na

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez kontrakt od DARPA (N66001-08-C-2040) oraz przez grant z Funduszu Nowych Technologii Stanu Teksas. Autorzy chcieliby podziękować Jiyoung Kim, Gregowi Mordi, Angeli Azcatl i Tomowi Scharfowi za ich wkład związany z selektywnym osadzaniem warstw atomowych, a także Wallace'owi Martinowi i Gordonowi Pollockowi za przetwarzanie próbek ex-situ.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Si WafelVA Półprzewodniktypu P (bor) Si< 100> ± 2 stopnie, 280 mm ± Grubość 25 mm, 0,01-0,02 ohm-cm
Folia TaAlfa Aesar3350,025  mm (0,001  w) gruby, 99,997% (na bazie metali)
MetanolAlfa Aesar19393Klasa półprzewodnikowa, 99,9%
2-PropanolAlfa Aesar19397Klasa półprzewodnikowa, 99,5%
AcetonAlfa Aesar19392Klasa półprzewodnikowa, 99,5%
ArgonPraxairUltra wysoka czystość (klasa 5.0)
Woda dejonizowanaMilliporeSystem oczyszczania wody Milli-Q> woda oporowa o mocy 18 MW produkowana na żądanie.
TiCl4Sigma Aldrigh254312≥ 99,995% na bazie metali śladowych
O2MathesonG2182101Research Grade
SF6MathesonG2658922Ultra wysoka czystość (klasa 4,7)
Blue Medium Tack RollSemiconductor Equipment Corporation18074Grubość 75 μ m / 0,003"   Długość 200 m / 660'  

Bibliografia

  1. Yoffe, A. D. Low-dimensional systems: quantum size effects and electronic properties of semiconductor microcrystallites (zero-dimensional systems) and some quasi-two-dimensional systems. Adv. in Phy. 42 (2), 173-262 (1993).
  2. Alivisatos, A. P. Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots. Science. 271 (5251), 933-937 (1996).
  3. Craighead, H. G. Nanoelectromechanical Systems. Science. 290 (5496), 1532-1535 (2000).
  4. Dai, M. D., Kim, C. -W., Eom, K. Finite size effect on nanomechanical mass detection: the role of surface elasticity. Nanotechnology. 22 (26), 265502(2011).
  5. Personick, M., Mirkin, C. Making sense of the mayhem behind shape control in the synthesis of gold nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 135 (C), 18238-18247 (2013).
  6. Rothemund, P. W. K., Ekani-Nkodo, A., et al. Design and Characterization of Programmable DNA. Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 26, 16344-16353 (2004).
  7. Hersam, M. C., Guisinger, N. P., Lyding, J. W. Silicon-based molecular nanotechnology. Nanotechnology. 11 (2), 70-76 (2000).
  8. Eigler, D. M., Schweizer, E. K. Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope. Nature. 344, 524-526 (1990).
  9. Heinrich, A. J., Lutz, C. P., Gupta, J. A., Eigler, D. M. Molecular cascades. Science. 298, 1381-1387 (2002).
  10. Crommie, M. F., Lutz, C. P., Eigler, D. M. Confinement of Electrons to Quantum Corrals on a Metal Surface. Science. 262 (5131), 218-220 (1993).
  11. Shen, T. -C., Wang, C., et al. Atomic-Scale Desorption Through Electronic and Vibrational Excitation Mechanisms. Science. 268, 1590-1592 (1995).
  12. Randall, J. N., Lyding, J. W., et al. Atomic precision lithography on Si. J. Vac. Sci. Tech. B. 27 (6), 2764-2768 (2009).
  13. Tong, X., Wolkow, R. A. Electron-induced H atom desorption patterns created with a scanning tunneling microscope: Implications for controlled atomic-scale patterning on H-Si(100). Surf. Sci. 600 (16), L199-L203 (2006).
  14. Hitosugi, T., Hashizume, T., et al. Scanning Tunneling Spectroscopy of Dangling-Bond Wires Fabricated on the Si(100)-2x1-H Surface. Jap. J. App. Phys, Pt 2 2. 36 (3B), L361-L364 (1997).
  15. Bird, C. F., Fisher, A. J., Bowler, D. R. Soliton effects in dangling-bond wires on Si(001). Phys. Rev B. 68, 115318(2003).
  16. Wolkow, R. A., Livadaru, L., et al. Beyond-CMOS Electronics. , Available from: http://arxiv.org/abs/1310.4148 1-28 (2013).
  17. Lyding, J. W., Shen, T. -C., Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2×1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope. App. Phys. Lett. 64 (15), 2010-2012 (1994).
  18. Lyding, J. W., Shen, T. -C., Abeln, G. C., Wang, C., Tucker, J. R. Nanoscale patterning and selective chemistry of silicon surfaces by ultrahigh-vacuum scanning tunneling microscopy. Nanotechnology. 7, 128-133 (1996).
  19. Owen, J. H. G., Ballard, J., Randall, J. N., Alexander, J., Von Ehr, J. R. Patterned Atomic Layer Epitaxy of Si / Si(001):H. J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (6), 06F201(2011).
  20. Goh, K. E. J., Chen, S., Xu, H., Ballard, J., Randall, J. N., Ehr, J. R. Von Using patterned H-resist for controlled three-dimensional growth of nanostructures. App. Phys. Lett. 98 (16), 163102(2011).
  21. Ye, W., Peña Martin, P. Direct writing of sub-5 nm hafnium diboride metallic nanostructures. ACS Nano. 4 (11), 6818-6824 (2010).
  22. Brien, J. L., Schofield, S. R., et al. Scanning tunnelling microscope fabrication of arrays of phosphorus atom qubits for a silicon quantum computer. Smart. 11 (5), 741-748 (2002).
  23. Van Oven, J. C., Berwald, F., Berggren, K. K., Kruit, P., Hagen, C. W. Electron-beam-induced deposition of 3-nm-half-pitch patterns on bulk Si. J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (6), 06F305(2011).
  24. Ballard, J. B., Sisson, T. W., et al. Multimode hydrogen depassivation lithography: A method for optimizing atomically precise write times. J. Vac. Sci. Tech. B. 31 (6), 06FC01(2013).
  25. Randall, J. N., Ballard, J. B., et al. Atomic precision patterning on Si: An opportunity for a digitized process. Microelec. Eng. 87 (5-8), 955-958 (2010).
  26. Perrine, K. A., Teplyakov, A. V. Reactivity of selectively terminated single crystal silicon surfaces. Chem. Soc. Rev. 39 (8), 3256-3274 (2010).
  27. McDonnell, S., Longo, R. C., et al. Controlling the Atomic Layer Deposition of Titanium Dioxide on Silicon: Dependence on Surface Termination. The J. Phys. Chem. C. 117 (39), 20250-20259 (2013).
  28. Kane, D. F. Plasma cleaning of metal surfaces. J. Vac. Sci. Tech. 11 (3), 567(1974).
  29. Hersam, M. C., Guisinger, N. P., Lyding, J. W., Thompson, D. S., Moore, J. S. Atomic-level study of the robustness of the Si(100)-2×1:H surface following exposure to ambient conditions. App. Phys. Lett. 78 (7), 886-888 (2001).
  30. Agostino, R., Flamm, D. L. Plasma etching of Si and SiO2 in SF6–O2 mixtures. J. App. Phys. 52 (1), 162(1981).
  31. Longo, R. C., McDonnell, S., et al. Selectivity of metal oxide atomic layer deposition on hydrogen terminated and oxidized Si(001)-(2×1) surface. J. Vac. Sci Tech. B. 32 (3), 03D112(2014).
  32. Ruess, F. J., Oberbeck, L., et al. The use of etched registration markers to make four-terminal electrical contacts to STM-patterned nanostructures. Nanotechnology. 16 (10), 2446-2449 (2005).
  33. Ruess, F. J., Pok, W., et al. Realization of Atomically Controlled Dopant Devices in Silicon. Small. 3 (4), 563-567 (2007).
  34. Li, K., Namboodiri, P., et al. Controlled formation of atomic step morphology on micropatterned Si (100). J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (4), 041806(2011).
  35. Ballard, J. B., Owen, J. H. G., et al. Pattern transfer of hydrogen depassivation lithography patterns into silicon with atomically traceable placement and size control. Journal of Vacuum Science and Technology B. 32 (4), 041804(2014).
  36. Gusev, E. P., Cabral, C. Jr, Copel, M., D’Emic, C., Gribelyuk, M. U ltrathin HfO 2 films grown on silicon by atomic layer deposition for advanced gate dielectrics applications. Microelectronic Engineering. 69, 145-151 (2003).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Osadzanie warstw atomowychlitografia wodorowa depasywacyjnareaktywne trawienie jonoweskaningowa mikroskopia tunelowananostruktury krzemowemaska trawienna z tlenku tytanuznaki referencyjneultrawysoka pr niatrawienie w nanoskali
Wytwarzanie nanostruktur identyfikowalnych atomowo
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.