원자 추적 가능한 나노 구조 제작

Engineering

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Ballard, J. B., Dick, D. D., McDonnell, S. J., Bischof, M., Fu, J., Owen, J. H., Owen, W. R., Alexander, J. D., Jaeger, D. L., Namboodiri, P., Fuchs, E., Chabal, Y. J., Wallace, R. M., Reidy, R., Silver, R. M., Randall, J. N., Von Ehr, J. Atomically Traceable Nanostructure Fabrication. J. Vis. Exp. (101), e52900, doi:10.3791/52900 (2015).

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Abstract

Introduction

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.

그림 1
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). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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) (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 (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.

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Protocol

1. 현지 외 샘플 준비

  1. 칩을 준비
    1. 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.
    2. 아래 표준 압정 블루 다이 싱 테이프, 점착면을 적용하여 웨이퍼 표면을 보호합니다.
    3. 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.
  2. 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.
    1. 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.
    2. 특정 UHV-STM 도구에 적절한 방법을 사용하여 STM 샘플 홀더에 장착 시료 칩은 HDL을 위해 사용된다.
      1. 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.
    3. 탄소 오염을 제거하기 위해 산소 플라즈마로 플라즈마 깨끗한 샘플과 샘플 홀더를 장착 후. 28

2. UHV 샘플 준비

  1. 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.
  2. 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.
  3. 5 분 동안 1500 ℃에서 필라멘트 크래킹 드가 텅스텐 수소.가능하면 티타늄 승화 펌프를 활성화합니다.
  4. 샘플 "플래시"사이클을 수행합니다.
    1. 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.
    2. 5 분 동안 350 ℃에서 나머지 샘플. 압력이 기준에 복구 할 수 있습니다. 배를 반복합니다.
  5. 샘플 패시베이션을 수행합니다.
    1. 온도를 모니터링하는 고온계를 이용하여 350 ° C로 설정 시료 온도. 누출 밸브를 사용하여 준비 실에 1.3 × 10-6 mbar의 초순수 (H) (2)를 소개합니다.
      1. 더 H 2를 정화하기 위해 매우 시스템의 누출 밸브 근처의 H 2 줄에 냉각 트랩을 넣습니다.
      2. 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.
    2. 12 분 동안 1,400 ° C의 온도로 필라멘트를 균열 텅스텐 수소를 켜고 다음 필라멘트와 H 2 가스 흐름을 끕니다. 실온으로 냉각 샘플.

3. 주사 터널링 현미경 리소그래피

  1. 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.
  2. 시스템 열 불안정성을 줄이기 위해 어떤 조명을 제거합니다. 표면 품질을 결정합니다.
    1. 마비를 식별, -2.25 V 200 PA를 샘플 바이어스와 기존의 STM 기술을 사용하여표면에 결함 어.
    2. 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.
  3. 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)
  4. 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)
    1. 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.
  5. -2.25 V 샘플 바이어스 0.2 nA의 터널링 전류에서 이미지가 원하는 HDL 패턴 분야에 STM 계측을 수행합니다.
    1. [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.
  6. STM HDL을 완료 한 후, 샘플에서 팁을 분리하고 잠금을로드 샘플을 이동합니다.
  7. 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.

4. 샘플 전송

  1. 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.
  2. 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.

5. 원자 층 증착

  1. ALD는 적절한 증착 온도 (100 ℃)에서 확인하십시오. 대기압이 달성 될 때까지 천천히 ALD 챔버에서 아르곤 압력을 증가.
  2. 열기 ALD 챔버.
  3. 오픈 샘플 컨베이어와 신속 에지에 샘플을 파지 PTFE의 핀셋을 사용하여 ALD 챔버로 전송 한 후 탈기를 <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.
    1. 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)
    2. 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.
    3. 천천히 Ar 가스와 열기와 ALD 챔버를 배출. 반복 4.1 및 샘플 전송을 위해 4.2 단계를 반복합니다.

    6. 원자 힘 현미경 (AFM)

    1. 제조 업체의 프로토콜에 따라 AFM의 적절한 교정을해야합니다. 열기 샘플 수송은 조심스럽게 핀셋을 사용하여 샘​​플을 제거합니다.
    2. 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.
    3. AFM 설정 높이 및 위상 정보를 모두 표시하고 μm의 20 ~ 40 넓게 스캔 크기를 설정합니다 있는지 확인하십시오. 샘플 위에 AFM 팁을 잠급니다.
    4. 로케이터 패턴 영역이 식별 될 때까지 가장 높은 해상도의 높이 및 위상 정보를 사용하여 검사한다. 패턴 재로 확대기온이 화상이 소망하는 영역을 찾아.
    5. 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.

    7. 반응성 이온 에칭

    1. -110 ° C의 용량 성 결합 RIE 반응기를 진정, 다음의 소개 실에 샘플을로드하고 7.5 × 10 -6 밀리바에 펌프 다운.
      1. 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.
      2. 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)
      3. 7.5 × 10 -6 mbar의 진공 펌프. RIE 시스템 벤트. 반복 4.1 및 샘플 전송을 위해 4.2 단계를 반복합니다.

    8. 주사 전자 현미경 (SEM)

    1. SEM 샘플 장착 및 시스템에 대한 시료의 도입.
      1. 비 접착 샘플 샘플 장착을 용이하게하기 편리한 위치에 장착 놓습니다.
      2. 열기 샘플 수송은 부드럽게 가장자리 샘플을 잡고 안전하게 SEM 마운트에 설치 한 후 현미경으로 샘플 어셈블리를 소개 핀셋을 사용하여 샘​​플을 제거합니다.
      3. 환기 및 오픈 SEM 챔버. 안전하게 현미경 샘플 단계로 샘플 어셈블리를 설치합니다. SEM 챔버를 펌프.
    2. 기준점을 찾습니다.
      1. 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.
      2. 전자 빔을 켭니다. 일반 영역을 가져와권장 작동 거리 및 높이 eucentric 관심.
      3. 찾아 1.1 절에 설명 된 기준점에 초점을 맞 춥니 다. 필요에 따라 거리를 작업을 조정합니다. 초점, 밝기와 대비를 최적화합니다.
    3. 패턴을 찾아 이미지.
      1. 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.
      2. 필요한 경우, 3D 영상 및 패턴 높이 측정을위한 샘플을 기울일. 필요에 따라 다른 패턴의 경우, 8.3에서 반복합니다.
    4. 현미경 제조 업체에 의해 규정, SEM 시스템 폐쇄 루틴 및 마운트 해제 샘플 / S를 수행합니다. 다시 수송에 샘플을 고정합니다.
    5. 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.

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Representative Results

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 (100) -H는. 그림 2a는 작은 페이지를 보여줍니다attern도 2b는 FE 모드 라인이 약 6 내지 넓었다 멀티 모드 리소그래피를 이용하여 기록 패턴의 일례이다. 만 AP 모드 HDL을 사용하여 제조하지만, 각각의 에지의 약 2 나노 미터로, 10 nm의 피치에 쓰여진 AP 모드 HDL을 사용하여 작성. 패턴의 내부 FE 모드 부는 10nm의 피치에 작성되었고, 그래서 HDL은 불완전 패턴 내의 좁은 영역이있다. 크고 부정확 한 패턴을 FE 모드는 약 1 ㎛이 SERP 패턴은 20 nm의 피치에 기록 된도 2c에서와 같이 단독으로 이용 될 수있다.

그림 2
그림 2. 대표 HDL 패턴. 4V의 AP 모드 리소그래피, 4 nA의, 4 MC / CM (10 나노 미터 / 초)로 작성된 HDL 패턴의 (A) STM 이미지. (B) 무 STM 이미지LTI 모드 HDL 패턴 AP 모드 및 FE 모드 (8V, 1 nA의 0.2 MC / cm)의 조합을 이용하여 기록. FE 모드 라인 피치는 쓰기에 사용되는 벡터의 시인성을 향상시키기 위해 기록 선폭보다 약간 큰 것으로 선택되었다. 20 나노 미터 피치에 서면 큰 로케이터 SERP의 (C) FE 모드 리소그래피. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

원자 적 HDL 정확한 패턴을 사용하여 최상의 마스크 생산을 달성하기 위해, 높은 선택성 정도가 가능해야한다. 이전 ALD 선택성은 각각, 패턴 화 및 패터닝 개 유사체 -SiO X 패터닝되지 않은 표면의 Si (100) - H 및 Si (100) 상에 증착을 비교 XPS 및 기타 방법에 의해 연구되어왔다. 27,31 자간 력을 이용하여 도 3에 도시 된 바와 같이, 현미경 (AFM), 우리는, 유사한 결과를 관찰

그림 3
증착 그림 3. 선택도. () 샘플 AFM 이미지가 패턴과 배경 영역에 이산화 티탄 증착을 표시합니다. 증착은 100 ℃에서 수행 하였다. 사이클의 다양한 숫자 (B) 증착 깊이. 배경에 대해 "패턴"성장의 AFM에 의해 측정 된 십자가 높이를 나타낸다. 패턴 화 된 지역 근처 X 200 내지 200 나노 미터의 영역 내에서 가장 높은 배경 증착의 AFM으로 측정 한 오픈 서클 높이를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이 HDL을 patte에 입금 할 수 있음을 감안할 때RNS는, 패턴 기능의 한계를 조사 검토해야한다. 이미 ALD는 HDL 패턴에 대하여 패턴을 확대 만들어 낸 것으로하고, 에칭 된 구조물은 약간의 마스크에 비해 축소되어 도시되었지만, 고밀도 어레이를 제조하는 효과는 여전히 어느 정도 해결되지. 4 HDL, 티타니아를 나타낸다 마스크 및 사각형의 배열 구조는 에칭 된 15 nm의 피치로 기록 FE 모드 HDL 라인을 사용하여 제조. 도 4a에서, HDL 패턴에 대하여 90도 회전 두 SERPS의 온을 나타낸다 다른 작성된 8 V 팁 - 샘플 바이어스, 1 nA의 전류 및 0.2 MC / cm 선량 (50 ㎚ / 초 선단 속도) . 다양한 크기의 패턴에 구멍이 분명히있다. 자체 개구부 내에 일부 HDL이 발생하지만 낮은 20 % H 제거 순서 남아있다.도 4b는 마스크를 증착 한 후 동일한 패턴의 AFM 이미지를 나타낸다. convolu 팁에 의한기의 효과는, 패턴 개구부 해결하기 어렵다. 그러나, 명확한 관찰 순서이다.도 4c는 RIE 후 동일한 패턴의 SEM 사진이다. 원하는 개구의 약 60 %가 참이 패턴의 크기와 밀도가 약 FE 모드 HDL을 이용하여 효과적인 나노 구조물 제조를위한 한계 인 것을 나타내는, 기판 내로 옮겼다.

그림 4
구멍의 그림 4. 배열입니다. FE 모드를 사용하여 작성된 라인 HDL의 (A) STM. 서로에 대해 90도 회전 두 뱀 패턴, 10 nm의 피치로 기록됩니다. (B) AFM 이미지 같은 패턴의 이산화 티탄의 ALD의 2.8 nm의 후. "구멍"배열 한 후, RIE의 (C) SEM은시의 20 나노 미터를 제거합니다. 일부 "구멍"에칭하지 못한 것을 알 수 있습니다.이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

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.

그림 5
SAMP의 그림 5. 패턴 위치 이미지 제작. (A) STM 팁 (왼쪽)와 500 μm의 피치 선 패턴 샘플의 영역에 실리콘 (100) 표면에서의 반사 (오른쪽)의 광학 이미지. 선은 1 ㎛ 깊이 10 μm의 폭 넓은 이전 UHV에 처리됩니다. 가이드 라인은 라인 방향을 보여주기 위해 포함되어 있습니다. (B) 확대, 팁 (왼쪽 아래)의 드 기울어 광학 이미지와 그것의 반사 (오른쪽 위). 팁과 그것의 반사 사이의 중심점 위치는 500 μm의 X 500 μm의 기점 광장 내에서 식별 C를 :.. 전체 패턴 영역의 X 5 μm의 AFM 이미지 5 μm의 : 50 μm의 자리와 패턴 위치의 확대는 규모의 D 포함 . ALD E 후 :. RIE 후 로케이터 패턴 중 하나의 × 1 μm의 SEM 이미지 1 ㎛ 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

e_content "> 나노 구조물을 위치하는 첫 번째 단계는 긴 작동 거리 현미경을 사용하여,이 경우에 달성된다 표면상의 선단 위치 (32, 33)을 식별한다.도 5a는 선단의 광학 화상을 표시하고 샘플과 결합 될 때, 함께 점선 기점 격자의 방향에 대한 판독기를 안내하는 추가.도 5b에 도시 된 바와 같이 광학 화상이, 사각형 격자를 만들기 위해 unskewed되는 팁 / 샘플 접합부의 위치는, 시료의 고온 처리에 오류가 있지만 팁 위치 불확실성을 증가 여기 묘화로 인해 상당한 표면 원자 마이그레이션. 이것은 깊이 기점 그리드의 가시성을 감소시킨다. (32) 이전에 그 고온 시료 처리 상당한 원자 스케일 표면 재구성을 유도 할 것이다 도시되었지만, 여기에 사용 된 그리드 피치는 평방의 중간 표면 재구성에 거의 영향을 가질 정도로 크다그리드에 의해 정의 uared. (34) 그러나, 패터닝 된 영역의 가장자리 근처 스텝 뭉침 샘플 제조 동안의 전류 흐름의 방향에 좌우 비대칭으로 발생한다. (34)를 광학 영상이 표면에 비스듬한 각도로 행해지 기 때문에 수행 다른에 비해 트렌치의 일측에 높이의 작은 변화는 AFM 또는 SEM 정상 같이 인 평면도 결상 위치에 비해, 특히 패턴의 추가적인 불확실성을 유발할 것이다. 팁이 샘플 결합 이후 ± 27 ㎛, 패턴 위치 식별에 대략 불확실성 ~ 20 μm의 후 처리 기점 선폭 결과 결합 현미경 10 μm의 초점 크기. 이것은 패턴 식별하기위한 다양한 기법을 사용하기위한 탐색 윈도우를 정의한다.

작은 10-100 nm의 특징의 위치를 용이하게하기 위해, 추가로 대형 SERPS은 나노 패턴 근방에 첨가하고,도 5b에 도시 s는. 이 800 nm의 X 800 나노 SERPS는 수직 라인과 15 nm의 각각의 차이와 FE 모드 HDL을 사용하여 작성됩니다. AFM 고속 스캔 방향을 정렬하여 SERP 라인 (즉, 수평 주사)에 직교하도록함으로써, 이러한 패턴은 상기 패턴의 위치를 용이 인해 지형의 높은 공간 주파수를 AFM 위상 이미지에서 높은 콘트라스트를 표시하는 경향이있다. 이러한 패턴이 발견되면, 큰 패턴에 약 100 nm의 정밀하게 배치 된 작은 나노 패턴을 발견하기가 훨씬 용이해진다.

이 나노 구조물 제조 공정의 경우, 샘플은도 1에 도시 한 바와 같이 HDL이 수행되고 나면 각 주요 공정 단계 사이의 대기 노출을 거친다.이 주어지면,이 샘플이 처리의 어느 지점에서 저하되지 않는 것을 보증해야한다. 전술 한 바와 같이, 배경 증착 (D)의 한정된 양이있다uring 배경 결함 사이트 시드 ALD 가정한다. (31) 이와 같이, 부적절한 취급 배경에 결함의 수를 증가시키고 겉보기 ALD 선택성을 감소시킬 수있는 확장 대기 노출 등. 추가적인 표면 열화 메커니즘은 대기 조건에 UHV로드 락으로부터 시료의 배출 중에 발생할 수있다. (29)이 문제를 완화하기 위해, UHV에 리니어 액츄에이터 상에 장착 된 스프링 사파이어 칩은 125 μm의 두께로 접하는 샘플 접촉 표면 열화를 방지하기 위해 샘플을 장착 포일. 샘플이 대기 조건에서되면, 댕글 링 본드의 축적 속도는 여전히 낮은 (즉, <0.1 % / h)를 적어도 몇 시간 동안, 너무 긴 샘플이 이러한 내의 아르곤 초순수로 안정적인 환경 내로 삽입 될 때 적은 1 시간보다 인한 표면 손상에 추가 배경 증착은 낮게 유지해야한다. 이 시점에서, S는 시료가되지 않는 것을 주목해야한다이것은 표면 손상의 가능성을 추가 추가 벤트 / 펌프 다운 사이클을 필요로, 진공 환경에서 tored. HDL 및 ALD 사이 이번에는 샘플 식각 마스크가 아직 적용되지 않았기 때문에 가장 민감한되는 지점이다. ALD 후, 샘플은 여전히​​ 보호를 필요로하지만 의한 이산화 실리콘의 형성, 비교적 느린 프로세스에 추가 마스크 성장을 방지 할 수있다.

도 4에 도시 된 패턴에서, HDL은 라인의 가장자리에 도달하면 depassivation의 효율 공간 롤오프, 패턴의 중심 내의 배경 H의> 80 %를 제거 하였다. (24)의 제한을 감안할 때 ALD 완전히 depassivated 패턴 (그림 3)의 배경 및 배양 무료 성장의 매우 제한, 완전히 효과적인 HDL없이 HDL에서 변화가 FE 모드 패턴의 가장자리는 ALD 마스크의 성장 효과의 전환을 보여줍니다. 동안 70 % H 제거 아래이러한 전환이 일부 마스크 증착이 발생 FE 모드 라인의 각 측면에 1 ~ 2 nm 인 대략적인 영역을 나타내는 생기기 시작되는 HDL은. 35은 또한 ALD 성장, 36는 상기 마스크 대하여 확대 "버섯"방식으로 발생 HDL 패턴에 그 양만큼 어떤 마스크 기능을 넓혀 내지 2.8의 마스크 있도록. ALD 선폭이 W의 M과 같이 표현 될 수있다, 요약 = W는 W의 M은 전체 폭이다 + F (ΔH) + M 토, W는 HDL이의> 70 %를 제거하는 포화 한 라인의 폭 표면 H, F (ΔH)은 인해 H가 표면에 잔류의 밀도로 인해 각 지점에서의 성장에 부가 폭이고, M은 성장 자꾸 인한 추가적인 선폭이다. ΔH는 포화 가장자리에서 공간 거리에 따라 달라집니다HDL 패턴으로, F 있도록 (ΔH)은 HDL의 공간 의존성이 있기 때문에 F (R)을하게된다. 이 기간 중, W는 전체 선폭의 기본 역할을 앉아, 다른 용어는 라인 가장자리의 롤 - 오프의 정도를 결정합니다.

궁극적 인 나노 구조 제조로, ALD 마스크는 단독으로 전체 기능의 크기를 결정하지 않습니다. 대신, 패턴의 크기는 마스크 아래에 기판의 부식의 정도에 의존한다. 총 에칭 선폭은 승 T = W 분으로 표현된다 -에 의한 에칭 공정에 전자, W 전자는 침식 선폭, 또는 패턴의 크기 감소를 나타냅니다 - 승 전자는 = W는 + F (R) + M을 앉아 있었다. 이것은 다른 것들, W m에 대한 전술 한 바와 같이, 에칭 마스크의 두께 및 품질 사이에 의존한다. F또는 에칭이 더 복잡한 역학이라는 것을 시사하지만 그 마스크의 형상에 대하여 에칭 후 피처 크기에 변형이있는 것이 관찰되고, W 전자 기간이 0이 발생하기 전에 선폭 단순히 마스크의 제거를 필요로하는 경우 놀이에.

선폭의 한계를 결정하는 요소 중, W가 중지 일괄 ALD와 같은 나타나는 성장 전에 ~ 4 nm의 최소 폭으로 저감 할 수 토. 다른 원소의 35 버섯 증식 효과, M (및 결과의 W의 m 등) 총 막 두께가 감소되는 경우, 단지 에칭 후 총 나노 구조물의 높이와 상관하는, 감소 될 수있다. 표면에 잔류 H의 밀도의 공간 의존성으로 인한 효과를 넓히는 선, F (ΔH)은, 거의 0 HDL 라인을 생성 다중 모드 HDL을 이용하여 감소 될 수있다 무시할 린 에지E 에지 롤 오프. 24 F (ΔH)의 감소의 효과를 입증하기 위해,도 6은 멀티 모드 HDL을 사용하여 제조 된 사각형의 패턴 배열을 도시한다. 왼쪽에서 오른쪽으로 배열 7 나노, 14 나노, 그리고 위에서 아래로 21 나노 미터, 7 나노, 14 나노, 21 나노 미터의 내부 HDL 개방 크기의 HDL의 선폭을 가진 패턴을 포함한다. 맨 위의 행을 따라, 맨 아래 줄에서 다중 모드 HDL의 약간의 어긋남이 있지만 등록 <1 ㎚에 정확하다. RIE 후, 선은 두 개의 작은 결함이 5 나노 미터의 폭에 주로 그대로 유지하고, 선 사이의 구멍이 계측 도구를 사용하여 거의 분해 7 nm의 구멍과 패턴 모두 확인할 수 있습니다.

그림 6
그림 6. 선폭과 holewidth 테스트. 멀티 모드 HDL을 사용하여 작성된 상자의 HDL의 (A) STM. linewidtH의 행이 각각 21 나노 미터, 14 나노 미터, 및 아래에서 위로 7 nm의, 그리고 열 holewidth는 7 내지 14 nm 인, 각각, 왼쪽에서 오른쪽으로 21 ㎚이다. (B) SEM은 ALD 및 RIE 후 같은 패턴으로. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이 공정의 한계는 궁극적 ALD 프로세스, HDL, 에칭 마스크의 저항의 품질의 선택에 의존하고, 원하는 형상 자체를 형성한다. 방법은 화학 및 배경 결함 완화가 이미 위에서 언급 된 기반으로 선택성을 향상시킬 수 있습니다. 이것은 이전에 패터닝 된 영역에서 H 결함두면 마스크 성장의 품질 및 에칭에 따라서 저항을 감소시키는 것으로 밝혀졌다. (35) 또한, 마스크 "롤오프 (roll-off)"에 패터닝 된 라인 가장자리 결과 위에 조심 제어의 부족, 또는 과도한 T패턴의 근접 배치를 방지 근접 효과로서 작용 패턴의 가장자리를 따라 마스크의 hinning. 다행히도, 에칭 공정의 선택도는, 마스크의 두께에 의존하므로 패턴의 가장자리를 따라 배경 또는 결함에 스퓨리어스 증착 실 효과는 작다. 또한, 20 나노 미터보다 짧은 구조에 대해서는, 얇은 마스크 층은 가능성이 가능합니다. ALD 성장 버섯 방식으로 발생하기 때문에, 때문에 짧은 구조에 얇은 마스크는 더 나은 측면 제어 여기 증명보다 작은 기능을 발생합니다. 궁극적 인 기능의 크기 감소가이 과정 알려져되지 않지만, 확실히 약간의 다운 스케일링은 가능성이 높습니다.

SEM 메트 롤로 피처 크기 및 위치에 관한 불확실성을 유지하는 동안,도 1의 상단에 기재된 제 계측 단계는 작성된 HDL 패턴에 관해서는 원자 정밀도를 제공한다. 시 (100) -H 표면은 버전으로 구성되어 있기 때문에STM은 비파괴 이미징 모드에서 작동 할 수 있기 때문에 Y 정규 격자와, HDL 패턴은 전자 빔 리소그래피와 같은 다른 기술들과 대조적으로 상기 표면 손상 또는 상기 패터닝을 유도하지 않고 이미징 될 수있다. 불변시 (100) 격자의 원자 규모의 영상으로, STM 계측은 AFM과 SEM 계측 단계에 관련된 위치 불확실성의 가장 큰 부분을 제거합니다. 그림 6의 (b)에 상자 배열은 예를 들어, 왜곡 나타납니다. STM은 어레이 내의 피처의 위치 정밀도를 제공 원자의 고해상도 계측으로 명백 스큐 SEM 촬상 인공물로 인한 것으로 확인 될 수있다. 또한, 어레이 특성 사이 고정밀 알려진 간격으로, SEM 화상의 선폭에 대해 추가적인 교정 불확실성이 제거된다.

이 원고 주사 터널링 현미경 원자 정밀도를 이용하는 나노 제조 방법을 설명기반 수소 depassivati​​on 리소그래피 (HDL). HDL는 10nm 이하로 내려 입증 티타니아 원자 층 증착이 가로 치수 지역화 식각 마스크를 생성시 (100) -H 표면에 화학적으로 반응성 패턴을 생성한다. 반응성 이온 에칭은 높은 정밀도를 가진 측 방향 제어 높이 17 nm의 패턴을 기판으로 HDL 패턴을 전송한다. 이러한 결과를 달성하기 위해, 샘플을 통기 및 악기 간의 전송시 보호되어야한다. 시료 처리의 신중한 제어으로 원자 격자에 나노 구조물과 추적은 원 위치 정밀도 ~ 1 nm의 크기의 정밀도로 제조 될 수있다.

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Acknowledgments

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.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Si Wafer VA Semiconductor P type (Boron) Si<100> ± 2 degrees, 280 mm ± 25 mm thick, 0.01-0.02 ohm-cm
Ta foil Alfa Aesar 335 0.025 mm (0.001 in) thick, 99.997% (metals basis)
Methanol Alfa Aesar 19393 Semiconductor Grade, 99.9%
2-Propanol Alfa Aesar 19397 Semiconductor Grade, 99.5%
Acetone Alfa Aesar 19392 Semiconductor Grade, 99.5%
Argon Praxair Ultra high purity (grade 5.0)
Deionized water Millipore Milli-Q Water Purification System >18 MW resistance water produced on demand.
TiCl4 Sigma Aldrigh 254312 ≥99.995% trace metals basis
O2 Matheson G2182101 Research Grade
SF6 Matheson G2658922 Ultra high purity (grade 4.7)
Blue Medium Tack Roll Semiconductor Equipment Corporation 18074 Thickness 75 μm / 0.003”  Length 200 M / 660’ 

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References

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