Produkcja niskotemperaturowych pionowych połączeń z nanorurek węglowych kompatybilnych z technologią półprzewodnikową

Ogólnym celem tego procesu jest hodowla pionowo uporządkowanych nanorurek węglowych oraz wytwarzanie struktur testowych do pomiarów elektrycznych z wykorzystaniem standardowych technik półprzewodnikowych. Metoda ta pozwala odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie mikro-rentgenografii, takie jak to, czy pionowo uporządkowane nanorurki węglowe mogą być stosowane jako połączenia międzyukładowe oraz w innych zastosowaniach w układach scalonych. Główną zaletą tej technologii jest jej kompatybilność ze standardową produkcją półprzewodników oraz wystarczająco niska temperatura wytwarzania, która umożliwia integrację z warstwami backend CMOs oraz z niektórymi polimerami.

Aby rozpocząć tę procedurę, nanieś dolną metaliczną warstwę próbki za pomocą rozpylania magnetronowego. Wykonaj rozpylanie tytanu, używając czystego tytanowego celu w plazmie argonowej, przy temperaturze podłoża 350 °C w celu uzyskania azotku tytanu. Rozpylanie reaktywne.

Przy użyciu kombinacji argonu i azotu, w temperaturze podłoża 350 °C, nanieś warstwę dwutlenku krzemu o grubości 1 µm metodą osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą (PECVD). Po zakończeniu procesu sprawdź grubość warstwy dwutlenku krzemu za pomocą reflektometru. Następnie pokryj podłoże warstwą pozytywnego fotorezystu o grubości 1,4 µm, przeprowadzając 92-sekundową obróbkę w temperaturze 130 °C; po schłodzeniu podłoża na płytce chłodzącej, wykonaj powlekanie rotacyjne przy 3 500 RPM. Następnie przeprowadź wstępne wygrzewanie (soft bake) podłoża przez 90 sekund w temperaturze 95 °C, używając maski fotolitograficznej i urządzenia do naświetlania.

Naświetl pożądany wzór otworów dawką ekspozycji wynoszącą 140 mJ/cm². Następnie przeprowadź pojedynczy proces wywoływania w kąpieli (puddle development), zaczynając od wygrzewania po naświetlaniu (post-exposure bake) w temperaturze 115 °C przez 92 s. Następnie przeprowadź wywoływanie przez 62 s przy użyciu wywoływacza po utwardzaniu (hard baking) w temperaturze 100 °C przez 90 s.

Użyj mikroskopu, aby sprawdzić, czy otwory w rezystcie mają odpowiednie wymiary oraz czy nałożenie względem znaczników wyrównania jest poprawne. Następnie wykonaj trawienie plazmowe otworów kontaktowych w dwutlenku krzemu za pomocą trawienia plazmowego Triad. Bardzo ważne jest, aby azotek tytanu nie był wystawiony na działanie plazmy, w przeciwnym razie uniemożliwi to prawidłowy wzrost nanorurek węglowych.

Usuń poświęcającą warstwę tytanu poprzez trawienie na mokro w 0,55% kwasie fluorowodorowym przez 60 sekund. Po trawieniu płucz wafle wodą dejonizowaną, aż rezystywność wody osiągnie pięć megaomów. Następnie osusz wafle za pomocą płuczki-suszarki.

Na tym etapie należy naparować pięć nanometrów kobaltu za pomocą parownika wiązki elektronów po wypompowaniu układu do ciśnienia co najmniej 2×10⁻⁶ tor. Przed nanoszeniem warstwy należy podgrzać wafery do 60 °C za pomocą lamp w próżni, aby usunąć ewentualną warstwę wody. Następnie należy usunąć kobalt znajdujący się poza otworami kontaktowymi poprzez proces liftoff.

Umieść wafelek w kąpieli ultradźwiękowej zawierającej tetra hydro Uran na 15 minut w temperaturze 35 °C. Po zakończeniu procesu płucz dejonizowaną wodą przez pięć minut i osusz za pomocą wirówki. Obejrzyj wafelek pod mikroskopem i sprawdź, czy nie pozostały pozostałości resistu.

Opcjonalnie można użyć specjalnego miękkiego patyczka bawełnianego do usuwania zanieczyszczeń, aby ręcznie wytrzeć osady. Jeśli osady nadal występują, należy przeprowadzić dłuższą obróbkę ultradźwiękową w tetrahydrofuranie.

Następnie przeprowadź wzrost nanorurek węglowych (CNT) metodą niskociśnieniowego chemicznego osadzania z fazy gazowej. Następnie schłodź reaktor i przedmuchaj go azotem.

Aby sprawdzić wysokość CNT wewnątrz otworów przy nachyleniu 45 stopni, należy użyć skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Następnie próbki należy poddać analizie za pomocą spektroskopii Ramanowskiej w celu określenia krystaliczności CNT. Wykorzystując napylanie magnetronowe, należy nanieść 100 nanometrów tytanu, a następnie dwa mikrometry aluminium, nie przerywając próżni.

Następnie pokryj płytkę 3,1 µm pozytywnego fotorezystu o wyższej lepkości, rozpoczynając od obróbki heksaetylodilanem w 130 °C, gdy płytka zostanie schłodzona na płycie chłodzącej; nanieś warstwę metodą spin coatingu przy 3000 RPM po wstępnym wypalaniu w 95 °C przez 90 s, a następnie naświetl górny wzór metalowy dawką 420 mJ/cm² przy ogniskowej minus jeden, używając maski fotolitograficznej i naświetlarki. Przeprowadź pojedynczy proces wywoływania w kałuży (puddle development), rozpoczynając od wypalania po naświetlaniu w 115 °C.

Następnie wykonaj wywoływanie przy użyciu wywoływacza po utwardzaniu w temperaturze 100 °C przez 90 sekund. Użyj mikroskopu, aby sprawdzić, czy linie w rezystcie mają prawidłowe wymiary oraz czy nałożenie względem znaczników jest poprawne. Po tej czynności.

Wytraw stos tytanu i aluminium, wykorzystując trawienie plazmą chlorową w układzie z indukcyjnie sprzężoną plazmą, aby usunąć fotorezyst. W przypadku niepełnego pokrycia metalem zastosuj stripper plazmowy tlenowy. Do usunięcia fotorezistu użyj rozpuszczalnika organicznego, takiego jak NMP.

Aby zapobiec uszkodzeniu CNT przez plazmę, należy oczyścić wafle, umieszczając je w 99% kwasie azotowym na 10 minut. Płukać wodą dejonizowaną do momentu, aż rezystywność wafla osiągnie pięć mega omów.

Na koniec osusz wafle w płuczce z suszarką. Przedstawiony tutaj typowy obraz SEM CNT przed metalizacją jest przydatny do sprawdzenia, czy czas wzrostu został ustawiony prawidłowo, aby uzyskać długość równą grubości warstwy dwutlenku krzemu. Przedstawiony tutaj przekrój tego samego wafla po metalizacji, zbadany za pomocą SEM, może posłużyć do określenia orientacji oraz gęstości CNT.

Jeśli do określenia ich średnicy zostanie wykorzystany SEM o wysokiej rozdzielczości, można również zbadać powierzchnię styku między CNT a warstwami metalu. Przedstawione tutaj widma Ramana dla CNT hodowanych na kobalcie w temperaturze 350 °C mogą służyć do badania krystaliczności i optymalizacji parametrów wzrostu CNT w celu uzyskania najwyższej jakości. Pomiary IV przeprowadzono przy użyciu struktur czteropunktowych. Liniowa charakterystyka IV wskazuje na kontakt omowy między CNT a kontaktami metalowymi.

Na podstawie rezystancji oraz wymiarów wiązek można obliczyć rezystywność i porównać ją z danymi literaturowymi po zakończeniu procesu. Technika ta utorowała drogę badaczom z zakresu mikroelektroniki do badania zastosowań pionowo wyrównanych nanorurek węglowych w obwodach zintegrowanych. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat tego, jak hodować pionowo wyrównane nanorurki węglowe przy użyciu chemicznego osadzania z fazy gazowej w otworach przeznaczonych na pionowe połączenia.