Wytwarzanie nanostruktur identyfikowalnych atomowo

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest wytworzenie nanostruktur krzemowych z możliwością śledzenia sieci atomowej przy użyciu bezpośredniego wzrostu maski wytrawiania tlenkiem metalu i reaktywnego trawienia jonowego. Najwyższa precyzja tej procedury polega na usunięciu precyzyjnych obszarów warstwy pasywacji wodorowej na chipie silikonowym za pomocą końcówki skaningowego mikroskopu tunelowego w drugim kroku, powierzchnia wzoru jest naświetlana za pomocą procesu osadzania warstwy atomowej, który selektywnie osadza dwutlenek tytanu i działa jak maska przed reaktywnym trawieniem jonowym. Następnie wykonuje się reaktywne trawienie jonowe w celu usunięcia krzemu z powierzchni we wszystkich obszarach z wyjątkiem tych, które zostały wcześniej wymodelowane.

Wyniki wskazują na zdolność do wytwarzania struktur o wysokości do 20 nanometrów i krytycznych wymiarach znacznie poniżej 10 nanometrów. Główną przewagą tej techniki nad bardziej konwencjonalnymi metodami, takimi jak wiązka elektroniczna lub litografia optyczna, jest to, że początkowe kroki metrologiczne w STM dostarczają informacji w skali atomowej. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w nanotechnologii, takie jak dokładne interakcje między nanostrukturami umieszczonymi w bardzo dobrze zdefiniowanych pozycjach względem siebie?

Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które są nowicjuszami w tej metodzie, będą miały trudności, ponieważ istnieje tak wiele kroków i możliwości uszkodzenia próbki. Po raz pierwszy pomyśleliśmy o tej metodzie, gdy próbowaliśmy zmaksymalizować grubość masek trawiących z dwutlenku krzemu, które pisaliśmy na krzemie, używając końcówki A FM i STM w atmosferze utleniającej. Zamiast tego, łącząc litografię wodoru z osadzaniem warstw atomowych, byliśmy w stanie uzyskać podobną kontrolę powietrzną, jednocześnie uzyskując większy stopień swobody w kierunku wzrostu.

Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ etapy transferu i lokalizacji wzoru są trudne do nauczenia, ponieważ każda osoba musi poprawnie wykonać swoje własne kroki i być w stanie zrozumieć instrukcje dotyczące lokalizacji pozycji. Aby rozpocząć, należy przygotować i zamontować krzemowy chip 1 0 0 ze znacznikami odniesienia w uchwycie próbki skaningowego mikroskopu tunelowego, a następnie przeprowadzić cykl błysku i pasywację zgodnie z opisem w dołączonym protokole tekstowym. Następnie przenieś próbkę do skaningowego mikroskopu tunelowego i umieść próbkę i końcówkę w zakresie tunelowania.

Użyj kamery o zdolności rozdzielczej lepszej niż 20 mikronów, aby wykonać obraz optyczny o wysokiej rozdzielczości złącza próbki końcówki i zmienić rozmiar obrazu optycznego tak, aby reprezentował niezniekształconą reprodukcję znaków odniesienia z obserwowanym położeniem końcówki. Następnie zaprojektuj wzorce HDL, które mają zostać wyprodukowane, w tym zarówno wzorce eksperymentalne, jak i wzorce identyfikacji serpentyny. Podziel ogólne wzory na podstawowe kształty, aby zdefiniować podstawowe wektory, po których będzie następować końcówka.

Stosując warunki HDL w trybie AP i FE, należy użyć informacji o sieci z powierzchni krzemu. Aby określić ostateczną ścieżkę końcówki, użyj atomowo precyzyjnego HDL, znanego również jako litografia w trybie AP dla małych obszarów lub obszarów wymagających krawędzi o atomowej precyzji, korzystając z danych wektorowych z poprzedniego kroku. Wykonaj HDL przy użyciu litografii w trybie emisji polowej dla dużych obszarów z odchyleniem próbki od siedmiu do dziewięciu woltów, prądem jednego nanoampera i 0,2 miliklos na centymetr.

Następnie wykonaj metrologię skaningowego mikroskopu tunelowego na żądanych obszarach z wzorem HDL, obrazując z polaryzacją próbki minus 2,25 V i prądem tunelowania 0,2 nano A. Następnie odłącz końcówkę od próbki i przenieś próbkę z powrotem do zamka ładowania. Chroń próbkę, stykając ją z obojętnym płaskim podłożem, takim jak czysty szafir, po zabezpieczeniu zamknij zawory wszystkich pomp, a następnie wprowadź gazowy azot do komory tak szybko, jak to możliwe.

Po odpowietrzeniu komory należy usunąć próbkę z układu. Zobacz tutaj zbliżenie zespołu ekranującego próbkę za pomocą pęsety z politetrafluoroetylenu lub tytanu. Szybko przenieś próbkę do transportera, chroniąc przednią stronę próbki.

Załóż pokrywę na próbkę i luźno zamontuj transporter próbek pod ciśnieniem. Przepłukać transporter ultraczystym argonnem przez jedną minutę, a następnie uszczelnić transporter próbek z małym dodatnim ciśnieniem argonu. Wykonaj te kroki, aby chronić próbkę pomiędzy każdym etapem procesu w tym stanie.

Próbka pozostanie stabilna przez okres do jednego miesiąca. Rozgrzej komorę osadzania warstw atomowych do 100 stopni Celsjusza. Następnie otwórz transporter próbek i użyj pęsety bez stali nierdzewnej, aby szybko przenieść ją do komory osadzania.

Zanotowanie położenia i orientacji próbki i układu kontrolnego. Zamknij komorę i przedmuchuj ją strumieniem argonu i ciśnieniem mniejszym niż 0,2 milibara przez jedną godzinę. Następnie wykonaj 80 powtarzających się cykli osadzania warstwy atomowej, aby wyhodować warstwę amorficznego tytanu o grubości 2,8 nanometra na próbce, korzystając z przepisu opisanego w dołączonym protokole tekstowym.

Po zakończeniu szybko przenieś próbkę z powrotem do transportera i oczyść ją za pomocą Argonne. Po bezpiecznym wyjęciu próbki z transportera zainstaluj ją w systemie A FM za pomocą mechanicznej metody montażu, takiej jak system zaciskowy lub uchwyt próżniowy. Ustaw ostrość kamerę A FM na próbce i zlokalizuj oznaczenia odniesienia na powierzchni próbki, aby wyrównać końcówkę A FM z obszarem, w którym spodziewane jest znalezienie nanowzorów.

Korzystając z informacji o wysokości i fazie w najwyższej rozdzielczości, skanuj próbkę, aż zostaną zidentyfikowane obszary wzorca lokalizatora. Następnie zrób zdjęcie żądanych obszarów przy użyciu najwyższej dostępnej jakości obrazu i rozdzielczości. Po zobrazowaniu obszaru zainteresowania należy usunąć próbkę i umieścić ją z powrotem w transporterze pod wpływem argonu.

Przygotowując się do reaktywnego trawienia jonowego, należy schłodzić pojemnościowy reaktywny reaktywny readuktor jonowy do minus 110 stopni Celsjusza. Następnie wyjąć próbkę z transportera i załadować próbkę wraz z wszelkimi chipami kontrolnymi do jej komory indukcyjnej. Za pomocą pasty przewodzącej i pompuj komorę do 7,5 razy 10 do minus sześciu milibarów.

Ustabilizuj system na trzy minuty, a następnie przepływaj tlen z prędkością ośmiu standardowych centymetrów sześciennych na minutę. Argon w ilości 40 standardowych centymetrów sześciennych na minutę i sześciofluorek siarki w ilości 20 standardowych centymetrów sześciennych na minutę. Uderz w plazmę za pomocą 150-watowego wyładowania RF.

Następnie zmodyfikuj przepływ gazu i wytrawiaj przez jedną minutę, używając natężeń przepływu 52 standardowych centymetrów sześciennych na minutę dla sześciofluorku siarki, ośmiu standardowych centymetrów sześciennych na minutę dla tlenu po reaktywnym trawieniu jonowym. Umieścić próbkę z powrotem w transporterze pod argonem. Otwórz transporter próbek i bezpiecznie zainstaluj próbkę, mocowanie SEM.

Następnie wprowadź zestaw próbek do SEM, przepompuj w dół komory, a następnie zlokalizuj i skup się na znacznikach odniesienia. W razie potrzeby dostosuj odległość roboczą i zoptymalizuj ostrość, jasność i kontrast, aby zminimalizować osadzanie się węgla na wzorach. Zoptymalizuj ostrość, korzystając z pobliskich, nieistotnych funkcji.

Po zoptymalizowaniu określ przybliżoną lokalizację wzoru na próbce. Następnie przejdź do wzorców i uzyskaj obrazy i pomiary w widoku planu. Następnie wykonaj typową procedurę zamykania systemu SEM i zdemontuj próbkę zgodnie z zaleceniami producenta SEM.

Zabezpiecz próbkę z powrotem w transporterze pod argonem. W tym momencie próbki są wytrzymałe i mogą być przechowywane przez nieokreślony czas. Pokazano tutaj reprezentatywne obrazy z mikroskopu tunelowego skaningowego wzorców HDL utworzonych tylko w trybie AP.

Kombinacja trybów AP i emisji pola, w której tryb AP był używany do zapisu każdego trybu emisji krawędzi i pola osobno w celu uzyskania najlepszej produkcji maski. Korzystając z wzorców AP HDL, musi być możliwy wysoki stopień selektywności przy użyciu mikroskopii sił atomowych. Wysokość tlenku tytanu osadzonego na obszarach wzoru porównano z osadzaniem się na obszarach tła.

Próbka ta wykazała inkubację około 20 cykli dla najwyższego wzrostu tła. Tutaj dwa serpentynowe wzory są zapisywane w odległości 10 nanometrów przy użyciu trybu FE HDL. Obracając wzory o 90 stopni względem siebie, tworzona jest siatka.

Ten sam wzór jest pokazany tutaj przy użyciu FM po osadzeniu się 2,8 nanometra tlenku tytanu na masce. Ze względu na efekty splotu końcówki otwory we wzorze są trudne do usunięcia. Po reaktywnym trawieniu jonowym około 60% pożądanych otworów zostało przeniesionych do podłoża, co wskazuje, że ten rozmiar i gęstość wzoru jest w przybliżeniu granicą dla efektywnego wytwarzania nanostruktur przy użyciu tylko trybu FE HDL Once mastered.

Technikę tę można wykonać w ciągu około trzech dni, jeśli zostanie wykonana prawidłowo, przy czym większość czasu poświęci się na przygotowanie próbki do ultrawysokiej próżni i w razie potrzeby transport między lokalizacjami. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby utrzymać próbki w czystości i chronić tło po tej procedurze. Inne techniki, takie jak litografia nano-odcisków, mogą być wykorzystane do zwiększenia możliwości produkcyjnych tej techniki w zakresie nanoprodukcji.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak ostrożnie obchodzić się z próbkami w celu wytworzenia struktur w skali pojedynczej skali nanometrowej. Podczas wykonywania tego procesu należy zawsze stosować środki ostrożności, takie jak rozcieńczanie gazu. W przeciwnym razie może dojść do uszkodzenia systemów pompowych LD.