Atomik İzlenebilir Nanoyapı İmalatı

Aşağıdaki deneyin genel amacı, doğrudan metal oksit aşındırma maskesi büyütme ve reaktif iyon aşındırma yöntemlerini kullanarak atomik örgüyle izlenebilir silikon nanoyapılar üretmektir. Bu prosedürün nihai hassasiyeti, ikinci bir adım olarak bir taramalı tünelleme mikroskobu ucu kullanılarak bir silikon çip üzerindeki hidrojen pasivasyon tabakasının belirli alanlarının kaldırılmasını içerir; ardından desenlenen yüzey, seçici olarak titanyum dioksit biriktiren ve reaktif iyon aşındırmaya karşı maske görevi gören bir atomik katman biriktirme işlemiyle açığa çıkarılır. Sonrasında, daha önce desenlenmiş alanlar dışındaki tüm bölgelerde yüzeyden silikonu uzaklaştırmak amacıyla reaktif iyon aşındırma işlemi gerçekleştirilir.

Sonuçlar, kritik boyutları 10 nanometrenin oldukça altında olan ve yüksekliği 20 nanometreye kadar ulaşan yapıların üretilebildiğini göstermektedir. Bu tekniğin e-demet veya optik litografi gibi daha geleneksel yöntemlere göre temel avantajı, STM'deki başlangıç metroloji adımlarının atomik ölçekte bilgi sağlamasıdır. Bu yöntem, birbirine göre çok iyi tanımlanmış konumlara yerleştirilen nanoyapılar arasındaki kesin etkileşimlerin neler olduğu gibi nanoteknolojideki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir.

Genellikle bu yönteme yeni başlayan kişiler, çok fazla adım olduğu ve örneğe zarar verme olasılığı yüksek olduğu için zorluk yaşayacaklardır. Bu yöntemi ilk olarak, oksitleyici bir atmosferde AFM ve STM uçlarını kullanarak silikon üzerinde yazdığımız silikon dioksit aşındırma maskelerinin kalınlığını maksimize etmeye çalışırken düşündük. Bunun yerine, hidrojen litografisini atomik katman biriktirme ile birleştirerek, büyüme yönünde aslında daha fazla serbestlik derecesi kazanırken benzer bir yüzeyel kontrol elde edebildik.

Transfer ve desen konumlandırma adımlarının öğrenilmesi zor olduğundan, bu yöntemin görsel gösterimi kritik öneme sahiptir; çünkü her bireyin kendi adımlarını doğru şekilde gerçekleştirmesi ve konumlandırma talimatlarını anlayabilmesi gerekir. Başlamak için, referans işaretleri bulunan bir silikon 1 0 0 çipini bir taramalı tünelleme mikroskobunun numune tutucusuna hazırlayıp yerleştirin ve beraberindeki metin protokolünde açıklandığı şekilde bir flaş döngüsü ve pasivasyon işlemi gerçekleştirin. Ardından, numuneyi taramalı tünelleme mikroskobuna transfer edin ve numuneyi ile ucu tünelleme mesafesine getirin.

Uç numune ekleminin yüksek çözünürlüklü bir optik görüntüsünü almak için 20 mikron spot boyutundan daha iyi bir çözünürlük gücüne sahip bir kamera kullanın; optik görüntüyü, gözlemlenen uç konumunun yanı sıra referans işaretlerinin bozulmamış bir reprodüksiyonunu temsil edecek şekilde yeniden ölçeklendirin ve çarpıklığını giderin. Ardından, hem deneysel desenleri hem de serpantin tanımlama desenlerini içerecek şekilde üretilecek HDL desenlerini tasarlayın. Ucun takip edeceği temel vektörleri belirlemek için genel desenleri temel şekillere ayırın.

AP modu ve FE modu HDL koşulları uygulandığında, silikon yüzeyinden gelen örgü bilgilerini kullanın. Nihai uç yolunu belirlemek için, küçük alanlar veya atomik hassasiyette kenarlar gerektiren alanlar için önceki adımdan gelen vektör çıktılarını kullanarak, AP modu litografisi olarak da bilinen atomik olarak hassas HDL'yi kullanın. Büyük alanlar için 7-9 V örnekleme gerilimi, 1 nA akım ve cm başına 0,2 mKlos kullanarak alan emisyon modu litografisi ile HDL'yi gerçekleştirin.

Ardından, -2,25 volt numune biası ve 0,2 nano amp tünelleme akımı ile görüntüleme yaparak, istenen HDL desenli alanlarda taramalı tünelleme mikroskobu metrolojisi gerçekleştirin. Daha sonra ucu numuneden ayırın ve numuneyi tekrar yükleme kilidine taşıyın. Temiz safir gibi inert düz bir altlık ile temas ettirerek numuneyi koruyun; koruma sağlandıktan sonra tüm pompalara ait vanaları kapatın ve ardından mümkün olan en kısa sürede hazneye azot gazı verin.

Hücre hava ile tahliye edildiğinde, numuneyi sistemden çıkarın. Burada, politetrafloroetilen veya titanyum cımbız kullanılarak numune koruma düzeneğinin yakın çekimini görebilirsiniz. Numunenin ön yüzünü koruyarak, numuneyi hızlıca taşıyıcıya aktarın.

Kapağı numunenin üzerine yerleştirin ve basınçlı numune taşıyıcısını gevşekçe monte edin. Taşıyıcıyı bir dakika boyunca ultra saf argon ile yıkayın ve ardından numune taşıyıcısını az miktarda pozitif argon basıncı altında sızdırmaz hale getirin. Bu süreçteki her adım arasında numuneyi korumak için bu işlemleri gerçekleştirin.

Numune bir aya kadar stabil kalacaktır. Atomik katman biriktirme haznesini 100 °C'ye önceden ısıtın. Ardından numune taşıyıcıyı açın ve numuneyi biriktirme haznesine hızla aktarmak için paslanmaz çelikten yapılmış, metal içermeyen pensler kullanın.

Numune ve kontrol çipinin konum ve yönlemi not edin. Hazneyi kapatın ve bir saat boyunca argon akışı ve 0.2 millibar'dan düşük bir basınç kullanarak tahliye edin. Ardından, ekteki metin protokolünde açıklanan reçeteyi kullanarak numune üzerinde 2.8 nanometre kalınlığında amorf titanya tabakası büyütmek için 80 tekrarlı atomik katman biriktirme döngüsü gerçekleştirin.

İşlem tamamlandığında, numuneyi hızla taşıyıcıya geri yerleştirin ve Argonne ile temizleyin. Numuneyi taşıyıcıdan güvenli bir şekilde çıkardıktan sonra, sıkıştırma sistemi veya vakumlu tabla gibi mekanik bir montaj yöntemi kullanarak A FM sistemine yerleştirin. A FM kamerasını numuneye odaklayın ve A FM ucunu nanopatternlerin bulunmasının beklendiği alana hizalamak için numune yüzeyindeki referans işaretlerini bulun.

En yüksek çözünürlükteki yükseklik ve faz bilgilerini kullanarak, konumlandırıcı desen bölgeleri tanımlanana kadar örneği tarayın. Ardından, mevcut olan en yüksek görüntü kalitesini ve çözünürlüğünü kullanarak istenen bölgelerin görüntüsünü alın. İlgi alanı görüntülendikten sonra, örneği çıkarın ve argon gazı altında tekrar taşıyıcıya yerleştirin.

Reaktif iyon aşındırma hazırlığı yaparken, kapasitif eşleşmeli reaktif iyon aşındırıcı reaktörü -110 °C'ye kadar soğutun. Ardından numuneyi taşıyıcıdan çıkarın; numuneyi ve varsa kontrol çiplerini indüksiyon odasına yerleştirin. İletken pasta kullanarak odayı 7,5 × 10⁻⁶ mbar basınç değerine kadar vakumlayın.

Sistemi üç dakika boyunca stabilize edin, ardından dakikada sekiz standart santimetreküp hızında oksijen akışı sağlayın. Argonu dakikada 40 standart santimetreküp ve kükürt heksaflorürü dakikada 20 standart santimetreküp hızında akıtın. 150 watt'lık bir RF deşarjı kullanarak plazmayı başlatın.

Ardından, reaktif iyon aşındırmayı takiben, kükürt heksaflorür için dakikada 52 standart santimetreküp ve oksijen için dakikada 8 standart santimetreküp akış hızlarını kullanarak gaz akışını değiştirin ve bir dakika boyunca aşındırma yapın. Numuneyi argon gazı altındaki taşıyıcıya geri yerleştirin. Numune taşıyıcısını açın ve numuneyi, yani SEM tablasını güvenli bir şekilde yerleştirin.

Ardından numune düzeneğini SEM'e yerleştirin, hazne vakumlayın ve ardından referans işaretçileri bulup onlara odaklanın. Gerektiği şekilde çalışma mesafesini ayarlayın ve desenler üzerindeki karbon birikimini minimize etmek için odağı, parlaklığı ve kontrastı optimize edin. Yakındaki önemsiz özellikleri kullanarak odağı optimize edin.

Optimizasyon tamamlandıktan sonra, numune üzerindeki yaklaşık desen konumunu belirleyin. Ardından desenlere geçerek üstten görünüm görüntülerini ve ölçümleri alın. Daha sonra standart bir SEM sistemi kapatma prosedürünü uygulayın ve numuneyi SEM üreticisinin belirttiği şekilde yerinden çıkarın.

Numuneyi argon altında tekrar taşıyıcıya yerleştirerek sabitleyin. Bu aşamada numuneler dayanıklıdır ve belirsiz bir süre boyunca saklanabilir. Burada, yalnızca AP modu kullanılarak oluşturulan HDL desenlerinin temsili taramalı tünelleme mikroskobu görüntüleri gösterilmektedir.

En iyi maske üretimini gerçekleştirmek amacıyla, her bir kenarın yazılması için AP modunun ve tek başına alan emisyon modunun kullanıldığı, AP ve alan emisyon modlarının bir kombinasyonu uygulanmıştır. AP HDL desenleri kullanılarak, atomik kuvvet mikroskobu ile yüksek derecede seçicilik sağlanması mümkün olmalıdır. Desen bölgelerine çöktürülen titanyum oksitin yüksekliği, arka plan bölgelerindeki çöktürme ile karşılaştırılmıştır.

Bu örnek, en yüksek arka plan büyümesi için yaklaşık 20 döngülük bir inkübasyon göstermiştir. Burada, FE modu HDL kullanılarak 10 nanometre adımla iki serpantin desen yazılmıştır. Desenlerin birbirine göre 90 derece döndürülmesiyle bir ızgara oluşturulmuştur.

Aynı desen, 2,8 nanometre titanyum oksit maske biriktirme işlemini takiben bir FM kullanılarak burada gösterilmiştir. Uç konvolüsyon etkileri nedeniyle desendeki açıklıkları çözümlemek zordur. Reaktif iyon aşındırma işleminden sonra, istenen açıklıkların yaklaşık %60'ı altlığa aktarılmış olup bu durum, söz konusu desen boyutunun ve yoğunluğunun, bir kez ustalaştırıldıktan sonra sadece FE modu HDL kullanılarak yapılan etkili nanoyapı fabrikasyonunun yaklaşık sınırı olduğunu göstermektedir.

Bu teknik, çoğu zamanın ultra yüksek vakumlu numune hazırlama ve gerekirse konumlar arası taşımaya ayrılması kaydıyla, uygun şekilde yürütüldüğünde yaklaşık üç günde tamamlanabilir. Bu prosedür uygulanırken numunelerin temiz tutulması ve işlem sonrası arka plan kontaminasyonunun önlenmesi önemlidir. Bu tekniğin nano üretim kapasitesini artırmak için nano baskı litografisi gibi diğer teknikler kullanılabilir.

Bu videoyu izledikten sonra, tek nanometre ölçekli yapılar üretmek için örneklerin nasıl dikkatle işleneceği konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız. Bu işlem gerçekleştirilirken gaz seyreltme gibi önlemler her zaman alınmalıdır. Aksi takdirde, LD pompalama sistemleri zarar görebilir.