Атомно Прослеживаемый созданию наноструктур

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

В нанотехнологии становится все более важным в самых разнообразных аренах, понимание структур образована приобретает особое значение, особенно в области электроники и литографии. Чтобы подчеркнуть важность метрологии на наноуровне, в частности, в масштабах ниже 10 нм, то следует отметить, что разница в размерах особенностью только 1 нм указывает на дробное изменение, по меньшей мере 10%. Это изменение может иметь серьезные последствия для работы устройства и материального характера 1,2 -. 4 Используя синтетические методы, очень точно, образованные индивидуальные особенности, такие как квантовых точек или других сложных молекул могут быть изготовлены, 2,5,6, но в целом не хватает то же точность в размещении художественного и ориентации, несмотря на работу к улучшению размера и размещения контроля. Эта статья демонстрирует подход к наноструктур с почти атомной точностью размеров и атомной точностью в размещении функций, а такжес атомным метрологии в размещении объектов. Использование атомарной точности сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), индуцированное водорода депассивации литографии (HDL), атомно-точные модели с химически чувствительной отличие образуются на поверхности. Селективный атомное осаждение слоёв (ALD), то применяется твердого материала оксида в узорной районах, реактивного ионного травления (RIE) в конечном счете, передавая образцы в объемном материале, как схематически показано на фиг.1. Сочетание высокой точностью процесс HDL со стандартом ALD и РИТ процессов приводит гибкий метод для получения наноструктур на поверхности произвольной формы и расположения.

Фигура 1
Рисунок 1. Первичный Nanofabrication этапов процесса. В качестве примера, 200 нм х 200 нм квадрат показана. Каждый кружком стрелка указывает на стадию атмосферного воздействия и тransport между сайтами. После СВВ образца приготовительный, образец с рисунком с помощью СВВ HDL сопровождается СТМ метрологии (вверху слева). ALD Затем выполняется с последующим АСМ метрологии (справа). РИТ передает закономерности в Si (100), с последующим SEM метрологии (внизу слева). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Наиболее точный литографии на сегодняшний день, как правило, включает в себя сканированные методы зонд, специально СТМ на основе паттерна, где атомное разрешение рисунка и функционализации была продемонстрирована для многих приложений. 7 Ранее атом манипуляции производятся наноструктур с высочайшей точностью, используя отдельные атомы в качестве строительных блоков, 8 9,10, но наноструктуры, необходимые криогенных условиях и, таким образом, не было долгосрочного надежность. RT атом манипулирование удаления атомов водорода с поверхности, как было показано, specificalLY ЛПВП. 11,12,13 ЛПВП обещает включить новые классы электронных и других устройств на базе пространственной локализации поверхности контраста. Использование HDL без дальнейшей обработки, различные архитектуры устройств возможны в том числе оборванных проводов облигаций или логических устройств. 14,15,16 В дополнение к предоставлению электрической контраст, ЛПВП могут ввести химическую контраст на поверхности, где была удалена пассивирование Н слой, в силу создание шаблона для дальнейшего химической модификации. Это химическая модификация была продемонстрирована на кремнии и других поверхностей, показывающий селективность осаждения металлов, изоляторов 17, 18 и даже полупроводников. 16,19 каждом из этих примеров производит двумерные структуры, так и другие этапы обработки должны быть использованы для получения истинно три трехмерные структуры с атомарной решены контроля обещанного HDL. Ранее это потребовало повторный рисунка, 19,20,21 отжига, 22 23

Подобно электронно-лучевой литографии, ЛПВП использует локализованную поток электронов, чтобы выставить сопротивляться. Несколько сходство такие, как способность выполнять многорежимный литографии с переменным размером пятна и эффективности узора. 24 Тем не менее, истинная сила возникает из HDL, как она отличается от электронно-лучевой литографии. Во-первых, противостоять в HDL является монослой атомарного водорода, так что сопротивляться экспозиции становится цифровой процесс; резиста атом является или нет. 25 Так как размещение атом Н соответствует базовой Si (100) решетки процесс ЛПВП может быть атомарно точный процесс, хотя следует отметить, что в данной работе ЛВП нанометрового точность, против того, чтобы атомную совершенства и, таким образом, это не цифровой в этом случае. С источником электронов в HDL является локальной для поверхности, различные режимы работы СТМ облегчить иоптимизация пропускной а также проверка ошибок. В зонд-образец предубеждений ниже ~ 4,5 В, литография может быть выполнена на одном уровне атома с атомной точностью, известный как атомарной точности (режим AP). В отличие от этого, в предвзятости выше ~ 7 V, электроны испускаются непосредственно от кончика к образцу с широкими ширин и высокую эффективность депассивации, известных здесь как режим Автоэмиссионные (режим FE). HDL пропускной затем может быть оптимизирована путем правильной комбинации этих двух режимов, хотя в целом пропускная остается небольшой по сравнению с электронно-лучевой литографии с рисунка до 1 мкм 2 / мин возможной. При смещения повернут так, что образец находится в ~ -2,25 В, электронов туннель от образца к кончику с чрезвычайно низкой эффективностью депассивации, что позволяет осмотр атомной структуры поверхности и для исправления ошибок и для масштабного метрологии атомного ,

Это Процесс изготовления наноструктуры показано на рисунке 1 (т.е. ~ 1 монослой) слоя SiO 2. 26 После транспортировки, образец вставляется в камеру ALD для осаждения диоксид титана (TiO 2), с толщиной около 2-3 нм хранение здесь, как измерено с помощью атомно-силовой микроскопии и XPS. 27 Так как реакция диоксида титана зависит от водонасыщенности поверхности, этот процесс можно, несмотря на атмосферу воздействия насыщающего поверхность водой , Далее, чтобы передавать шаблон маски ALD в объем образца травлению с помощью RIE, так что 20 нм Si удаляется, с глубиной травления определяется АСМ и SEM. Для того, чтобы облегчить действия метрологии, Si (100) пластина с узором сетки линий, которые предназначены, чтобы быть видимым после подготовки СВВ длинной рабочей расстояние оптического микроскопа, АСМ план-вид оптической томографии инизкого увеличения план-вид СЭМ изображения. Чтобы помочь определить наноразмерных структур, узоры 1 мкм 2 змеевик (Выдача) по образцу на образцах с наиболее изолированных nanopatterns, расположенных на фиксированных местах относительно выдачи.

Эта комбинация HDL, селективного ALD, и РИТ может быть важным процессом для изготовления наноструктур, и включает в себя в атомном масштабе метрологии как естественный побочный продукт процесса. Ниже мы включили подробное описание этапов для изготовления суб-10 нм наноструктур в Si (100) с использованием HDL, избирательное ALD и RIE. Предполагается, что одна специалистам в каждом из этих процессов, но информация будет включена связанные с, как интегрировать различные процессы. Особое внимание будет уделено неожиданных трудностей, испытываемых авторами для того, чтобы предотвратить те же трудности, особенно связанные с транспортом и метрологии.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Экс-Ситу Подготовка образцов

  1. Подготовка чипов
    1. Дизайн соответствующую маску травления поставить выявления маркеров в Si (100) подложке. Используя стандартный оптической литографии и RIE, травить сетку линий, как точек отсчета в пластины, из которых образцы СТМ будет принято. Линии должны быть шириной 10 мкм, 1 мкм глубокой, и в поле 500 мкм. После травления, полоса оставшийся фоторезист от образца.
      Примечание: Исходные точки отсчета должны быть идентифицированы на месте для наконечника месте на образце, а также в АСМ и SEM в течение метрологии.
    2. Защитите поверхность пластины с применением стандартной липкости синий нарезания кубиками ленту, липкий стороной вниз.
    3. Dice пластины в чипах с использованием алмаза наконечником керамическая перетасовки увидел в размерах, подходящих для конкретного инструмента СВВ-СТМ используется для выполнения ЛПВП. Здесь образцы 8.1 мм х 8.1 мм квадратов.
  2. После перетасовки, подготовить чип для вставки в СВВ-СТМ узора инструмента, осторожноотслаивания для нарезания кубиками ленту, стараясь не касаться чип с любыми никельсодержащих инструментов, которые вызывают неблагоприятное реконструкции поверхности после СВВ преп в разделе 2 ниже.
    1. Чистый чипа путем промывки передней поверхности в течение 10 сек с каждой потоков ацетона, изопропилового спирта, метанола и деионизированной воды, соответственно, в то время захвата боковых сторон образца с политетрафторэтилена (ПТФЭ) пинцетом. Наконец, сухой сверхчистой N 2 или Ar, все еще ​​сжимая с тефлоновым пинцетом.
    2. Чип образца установки в держателе образца СТМ с помощью методов, соответствующих для конкретного инструмента СВВ-СТМ, которые будут использоваться для HDL.
      1. При монтаже в держателе образца содержащего никель, тантал сократить фольги барьер полосы (appx. 4 мм по высоте образца), используя титановые ножницы. Соникатные полоски фольги в течение 5 мин каждый в сверхчистой ацетона, изопропилового спирта, метанола и дистиллированной воды, соответственно. Сухая с сверхчистого N 2 газа частично покрывая стакан с алюминиевой фольгой и придатьING п 2 сопла в отверстие. Поток газа, пока все жидкость не испарится. Использование никеля бесплатно пинцет, форма фольги вокруг концов образца, то зажим держатель образца, чтобы изолировать передние и задние стороны образца из держателя образца.
    3. После монтажа, плазменный чистый образец и образец держатель в плазме кислорода, чтобы удалить загрязнения углерода. 28

2. Подготовка образцов СВВ

  1. Представьте образец в системе СВВ с помощью нагрузки замка или другого предпочтительного СВВ-безопасным методом, так что обработка СВВ и ЛПВП может, как правило, остаются ниже 1,3 х 10 -9 мбар (для шага 2.5.1.1 ниже, за исключением).
  2. Дега O / N при 650 ° С, контроль температуры с пирометром. Убедитесь, что давление в камере находится в пределах 25% от фона. В случае, описанном здесь, типичные фоновые давление приблизительно 4,5 х 10 -10 мбар.
  3. Дега вольфрама гидрокрекинг нити при 1500 ° С в течение 5 мин.Активируйте титана сублимации насосы, если это возможно.
  4. Выполните образец "Flash" цикл.
    1. Вспышка образец при нагревании до 1250 ° С в течение 20 сек, мониторинга T с пирометром и, используя / сек отопления градиент 10 ° C. Не превышать максимальное давление 7 х 10 -9 мбар. Прохладный путем удаления отопления ток менее чем 5 сек.
    2. Остальные образцы при 350 ° С в течение 5 мин. чтобы давление восстановится до исходного уровня. Повторите 3 раза.
  5. Выполните образец пассивации.
    1. Заданная температура образца до 350 ° С с помощью пирометра для контроля температуры. Представьте 1,3 х 10 -6 мбар ультра-чистый H 2 в подготовительной камере, используя обратный клапан.
      1. Поместите холодную ловушку на линии H 2 ближайшем клапана утечки в системе для того, чтобы дополнительно очистить H 2.
      2. Если это возможно, насос системы с ионным насосом высокого скорости турбо насоса вместо. Это так ионный насос не загрязняет образца от экспоСЭД высоких напорных и выброса загрязняющих веществ. Насосы отложены в нормальном состоянии после того как большинство водорода была удалена, и образец еще теплый (350 ° С).
    2. Включите вольфрама гидрокрекинг нити до температуры 1400 ° С в течение 12 мин, затем выключить нити и Н 2 поток газа. Холодный образца до комнатной температуры.

3. сканирующая туннельная микроскопия и литография

  1. Перевести образец СТМ, и принести образец и СТМ в диапазоне туннелирования. Используя камеру с разрешающей способностью лучшей, чем размер пятна 20 мкм, снимки высокого разрешения оптического изображения зонд-образец перехода. Выравнивание и размер оптического изображения, так что она представляет собой неискаженное воспроизведение исходных точек отсчета.
  2. Удалите освещение, чтобы уменьшить системные тепловые неустойчивости. Определить качество поверхности.
    1. Использование традиционных методов СТМ с образцом предвзятости -2,25 В и 200 мкА, определить онемениеэ дефектов на поверхности.
    2. Если поверхностные дефекты ниже приемлемых уровней, перейти к следующему шагу. Максимум приемлемые уровни дефектов, как следует: оборванных связей на 1%; Si вакансий на 3%; загрязняющие вещества 1%.
  3. Дизайн модели HDL будет производиться, в том числе обеих экспериментальных моделей и больших моделей идентификации Серп (х 1 мкм 1 мкм). Модели SERP должен быть составлен с длинными векторных оси, перпендикулярной к ожидается АСМ оси быстрого сканирования, используя высоту 15-20 нм. Перелом общая картина в основных форм, чтобы определить путь, пройденный кончика при применении условий HDL. 24
  4. Использование векторных выходы из предыдущего шага, выполните HDL, используя FE режим литографии для больших площадей с уклоном образца 7-9 V, ток 1 нА и 0,2 мК / см и А.П. режим литографии для небольших участков или тех областях, требующих точности атомных края . 24
    1. Определить оптимальные условия AP режим Литография ПЭrforming HDL с разнообразием условий с уклоном образца от 3,5 до 4,5, ток от 2 до 4 нА, а линия дозах от 2 до 4 MC / см. Выберите условия, которые производят узкую полностью depassivated линию.
  5. Выполните STM метрологии на желаемых HDL рисунком областях путем визуализации в предвзятости -2,25 В образце и 0,2 нА туннельного тока.
    1. [Опционально] Выполните коррекцию ошибок. После СТМ метрологии, сравнить депассивации шаблон в СТМ-изображениях с желаемым рисунком из стадии 3.5. Если какие-либо области показывают образование недостаточно оборванных облигаций, повторить цикл литографии в этих областях.
  6. После завершения STM HDL, отключите штекер от образца, и двигаться образец, чтобы загрузить замок.
  7. Vent и удалить образец. Во время вентиляции с сверхчистого N 2, защитить образец, в контакт с инертным плоской подложке, такой как чистый сапфир. 29 После защиты поверхности, близкие клапаны на любые насосы, то ввести отходящего газа, как КраткоеKLY, как это возможно. Удалить образец из системы.

4. Образец Транспорт

  1. Удалить образец из замка нагрузки. Отпустите образец из держателя образца, в том числе удаление фольги барьер штук, если это возможно. Используя ПТФЭ (Ti) или пинцетом, перемещать образец транспортера, сохраняя переднюю сторону образца защищенной, попытке сохранить воздействие атмосферы до менее чем 10 мин.
  2. Установите крышку на пробы и свободно собрать под давлением образец транспортер. Флеш сверхчистой Ar в течение 1 мин. Не эвакуации систему в любой точке, или может произойти повреждение поверхности. 29 И, наконец, образец уплотнение транспортер с небольшим положительным давлением (~ 50-100 мбар) Аг так, чтобы образец остается стабильным в течение в месяц.

5. Атомная уровня осаждения

  1. Убедитесь, ALD является при надлежащей температуре осаждения (100 ° C). Медленно увеличивайте давление аргона в камере до тех пор, ALD атмосферное давление не было достигнуто,
  2. Открыть ALD камера.
  3. Открыть транспортер образца и быстро перенести на ALD камеры с помощью пинцета PTFE цепких образца на краю, затем закройте ALD камеру и очистить с помощью потока аргона при давлении <2 × 10 -1 мбар в течение 1 часа для дегазации образец. Установите процесс для выполнения 80 повторяющиеся циклы ALD расти на 2,8 нм аморфного диоксида титана.
    1. Использование немодифицированной коммерческой системы ALD при температуре образца 100-150 ° С, с тетрахлоридом титана (TiCl 4) и воды (H 2 O) в качестве предшественников выполнить осаждение с реагентами при давлении 0,3 мбар и 0,8 мбар, с импульсными времена 0,1 сек и, соответственно, 0,05 сек,. 27
    2. После каждого импульса газа, продувки реактора с Ar в течение 60 секунд при 0,2 мбар для обеспечения минимального фонового осаждения из-за physisorbed реагентов. Для масок в этой работе, используют 80 циклов ALD расти примерно 2,8 нм аморфного диоксида титана при 100 ° С.
    3. Медленно вентиляционные ALD камеру с Ar газа и открытым. Повторите шаги 4.1 и 4.2 для образца транспорта.

    6. Атомная силовая микроскопия (АСМ)

    1. Убедитесь в правильности калибровки АСМ в соответствии с протоколом производителя. Открыть образец транспортер и осторожно удалить образец с помощью пинцета.
    2. После удаления из транспортера, надежно установить образец в АСМ, используя механический способ монтажа, например, системы зажима, если это возможно. Фокус камеру АСМ на образец, и найти нулевых точек, наносимых на поверхность образца для выравнивания наконечник АСМ к образцу на основе оптической метрологии на шаге 3.2.
    3. Убедитесь, что параметры АСМ покажет как информацию по высоте и фазовый и установить размер сканирования будет между 20 и 40 мкм в ширину. Включите АСМ наконечник на образец.
    4. Использование информации высоты и фаз при высоком разрешении, сканирование, пока область узоры локатор не определены. Нажмите на узорной ReГион и найдите регион, в котором изображение желаемого.
    5. Возьмите образ желаемых областей, используя соответствующее качество и разрешение (как правило, максимально возможную) изображения. После того, как все желаемые области были отсканированы, отключите штекер от образца. Выгрузка образца. Повторите шаги 4.1 и 4.2 для образца транспорта.

    7. Реактивное ионное травление

    1. Холод емкостной связью реактор RIE до -110 ° С, а затем загрузить образец в его вводной камеры и откачки до 7,5 х 10 -6 мбар.
      1. Стабилизировать температуру в течение 3 мин. Затем включите газ на с дебитом O 2 в 8 SCCM (стандартный кубический сантиметр в минуту), Ar при 40 SCCM, и SF 6 при 20 SCCM.
      2. Удар в плазме с использованием 150 Вт ВЧ разряда, а затем изменить поток газа для травления в течение 1 мин с использованием SF 6 в 52 кубических сантиметров в минуту и О 2 в 8 SCCM. Взаимодействие этих газов с Si травления со скоростью около 20 нм / мин. 30
      3. Вакуумный насос до 7,5 х 10 -6 мбар. Удалить воздух из системы RIE. Повторите шаги 4.1 и 4.2 для образца транспорта.

    8. сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)

    1. СЭМ образца Монтаж и введение образца системы.
      1. Поместите неадгезивная образец крепление в удобном месте, чтобы облегчить образец монтажа.
      2. Открыть образец транспортер и осторожно удалить образец с помощью пинцета, чтобы захватить образец, краям и надежно установить в SEM горе, то ввести образец в сборе в SEM.
      3. Vent и открытой камерой СЭМ. Надежно установите образец в сборе на стадии образца SEM. Откачка SEM камеру.
    2. Найдите реперные.
      1. Принесите увеличение к низкой стоимости. Выберите ускоряющие текущие настройки напряжения и луч, которые дали бы хорошее разрешение. Начните с самых низких приемлемых условиях. Поднимитесь по мере необходимости.
      2. Включите электронного пучка. Принесите общий регионинтерес к рекомендованной рабочей дистанции и eucentric высоте.
      3. Найдите и сосредоточиться на реперные, описанных в разделе 1.1. Регулировка рабочее расстояние по мере необходимости. Оптимизация фокус, яркость и контрастность.
    3. Найдите и изображения закономерности.
      1. По отношению к реперные найдите закономерности, основанные на оптической метрологии раздела 3.2 и АСМ метрологии разделе 6. Чтобы свести к минимуму осаждение углерода на структуру, оптимизировать фокусировку с помощью близлежащих несущественные черты. После оптимизированы, перейти к паттернов и приобрести вид сверху изображения и измерения.
      2. При необходимости, наклоните образец для 3D-изображений и измерений высоты картины. Для других моделей, повторять от 8,3 мере необходимости.
    4. Выполните процедуру закрытия SEM система и демонтировать образец / с, как предписано изготовителем СЭМ. Закрепите образец обратно в транспортер.
    5. Повторите шаги 4.3 и 4.4 для образца транспортировки и хранения. В этот момент, образцы являются надежными и можетхраниться в течение неопределенного периода времени. Выполните пост-обработки изображений анализирует, если необходимо.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

В случаях, описанных здесь, ЛПВП осуществляется с помощью мульти-режим литографии. 24 В режиме FE, осуществляется с уклоном 8 V образца, 1 нА, и 0,2 м² / см (эквивалентно 50 нм / сек скорости наконечник), наконечник движется по Поверхность либо параллельно, либо перпендикулярно решетке Si, производя линии депассивации. Хотя это форма линии очень зависит наконечник, в данном случае, полностью depassivated часть линий была примерно 6 нм в ширину, с хвостами частичной депассивации проходящей еще 2 нм по обе стороны от линии. Когда высокоточные модели желательно, А. П. режим литографии осуществляется с помощью смещения 4 В образец, 4 нА, и 4 MC / см (эквивалент 10 нм / сек скорости наконечника). Степень режиме компонента AP каждого рисунка зависит от ширины частично depassivated моделей, полученных с помощью режима Fe. На рисунке 2 примеров СТМ изображений узоры на Si (100) -H для различных режимов HDL. показывает небольшую рattern, полученные с использованием только AP в режиме HDL. показан пример шаблона, записанного с помощью многорежимный литографии, где линии режим FE были примерно 6 нм в ширину, но были написаны на поле 10 нм, с примерно 2 нм каждого ребра написан с использованием AP режим ЛПВП. В режиме части железа в глубь образца были написаны на шаг 10 нм, таким образом, есть узкие области в шаблоне, где ЛВП была неполной. Для больших, неточных моделей режим ИП могут быть использованы отдельно, как показано на рисунке 2C, где картина примерно 1 мкм 2 Серп был написан на поле 20 нм.

Рисунок 2
Рисунок 2. Представитель модели HDL. () СТМ изображение из HDL рисунком письменного с А. П. режиме литографии 4В, 4 нА, и 4 MC / см (10 нм / сек). (Б) СТМ изображение мюLTI-режим шаблон HDL, написанные с использованием комбинации режима AP и режиме FE (8V, 1 нА, 0,2 мК / см). Шаг строка режима ИП был выбран, чтобы быть немного больше, чем написано ширины линии, чтобы улучшить видимость векторов, используемых в письменной форме. (С) ИП режим литографии большого локатора выдаче письменного на поле 20 нм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Для достижения наилучшего производства маски с помощью атомно-точные модели HDL, высокая степень селективности должно быть возможно. Ранее ALD селективность была исследована XPS и других методов сравнения осаждения на Si без рисунка (100) -H и Si (100) -SiO х поверхности в качестве аналогов для без рисунка и с рисунком областях, соответственно. 27,31 Использование атомно-силовой микроскопии (AFM), мы наблюдаем аналогичные результаты, как показано на рисунке 3

Рисунок 3
Рисунок 3. Избирательность осаждения. Показывая () Образец АСМ изображение TiO 2 осаждения на узорной и фоновых районах. Осаждение проводили при 100 ° С. глубины (B) осаждения для различных чисел циклов. Кресты представляют высоту как измерено с помощью АСМ роста "на образец" по отношению к фоне. Открытые кружки показывают высоту как измерено с помощью АСМ самого высокого фонового осаждения в пределах области 200 нм х 200 нм вблизи узорной области. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Учитывая то, что можно внести на HDL ПаттиRNS, исследование пределах возможностей модели должны быть изучены. В то время как уже было показано, что ALD производит расширена по отношению к модели шаблонов HDL, и что травления структуры незначительно сократилась по сравнению с масками, эффект высокотоксичных плотные массивы остается немного нерешенной. На рисунке 4 показаны HDL, диоксид титана маска, и травления структур для массива квадратов, изготовленных с использованием режима ИП HDL строки, написанные на поле 15 нм. На фиг.4А, шаблон HDL показывает два Выдача -она с поворотом на 90 градусов по отношению к другим написанный с уклоном 8 В зонд-образец, 1 нА тока и 0,2 MC / см дозы (или 50 нм / с Скорость наконечника) , Есть четко отверстия в структуре различных размеров. В отверстиях себя, некоторые ЛПВП произошло, но он по-прежнему низкой порядка 20% удаления H. показывает AFM изображение той же схеме после нанесения маски. Благодаря чаевые convoluративные эффекты, отверстия в картине трудно решить. Тем не менее, ясно, порядок наблюдается. На рис 4С СЭМ изображение той же схеме после РИТ. Примерно 60% из желаемых отверстий были действительно передан в подложку, указывая, что этот размер рисунок и плотность примерно предел для эффективного изготовления наноструктур с использованием FE режима HDL.

Рисунок 4
Рисунок 4. Массив отверстий. () СТМ ЛПВП с строки, написанные с использованием режима FE. Два змеевик узоры, повернутые на 90 градусов относительно друг друга, записаны с шагом 10 нм. (B), АСМ изображение после 2,8 нм ALD из TiO 2 той же схеме. (С) СЭМ "дыра" массива после РИТ, чтобы удалить 20 нм Si. Обратите внимание, что некоторые "дыры" не смогли вытравить.Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Выполнение метрологии на наноструктурах, описанных выше требуется способность моста позиционирование наконечника во время HDL и образов местоположения, используя другие инструменты, такие как АСМ и РЭМ. В отличие от других хорошо развитых паттерна инструментов с кодировкой позиции с высоким разрешением, таких как электронно-лучевой литографии, ЛПВП осуществляется здесь была выполнена с STM без хорошо управляемой грубой позиционирования, так были использованы протоколы идентификации дополнительных позиций, как показано на рисунке 3 . Во-первых, давно фокусным микроскоп находится вне системы СВВ примерно 20 см от кончика образца перехода. Образец с узором квадратной сетки 10 мкм широких линий, глубоких 1 мкм, на поле 500 мкм для облегчения идентификации местоположения наконечника на поверхности.

Рисунок 5
Рисунок 5. Место шаблон изображения SAMP ле. () Оптическое изображение СТМ (слева) и его отражения (справа) на поверхности Si (100) на площади образца с шагом 500 мкм шаблон линии. Линии 1 мкм глубокий и 10 мкм шириной до сверхвысокого вакуума обработки. Направляющие линии включены, чтобы показать направления линии. (B), Крупный план, де-перекос оптическое изображение кончика (внизу слева) и его отражение (вверху справа). Место Centerpoint между наконечником и его отражения определены в х 500 мкм фидуциального площади 500 мкм С:. Крупным планом узора месте с 50 мкм месте включена для масштаба. D: 5 мкм х 5 мкм АСМ изображение всего узорной области после ALD E:.. 1 мкм х 1 мкм СЭМ изображение одного из узоров локаторов после РИТ Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

e_content "> Первый шаг к локализации наноструктур, указывающая расположение наконечника на поверхности, 32,33, который осуществляется в этом случае с помощью длинного рабочего расстояния микроскопа. показывает оптическое изображение кончика, когда занимается с образцом, с пунктирные линии добавил направлять читателя к направлениям координатной сетке. Чтобы найти наконечник / образец переход оптическое изображение unskewed сделать квадратную сетку, как показано на рисунке 5В, хотя есть ошибки в высокой температурной обработки образцов из-за значительного миграции атома поверхности. Это уменьшает глубину и видимость координатной сетки, как изображается здесь, увеличение неопределенности в положении наконечника. 32 В то время как было показано, обработка образца ранее, что высокая температура будет вызывать существенной реконструкции атомном масштабе поверхности, Шаг сетки используется здесь достаточно велика, чтобы иметь незначительное влияние на реконструкции поверхности в середине квuared определяется сетке. 34 Тем не менее, около краев узорчатых областей, шаг группировки действительно происходит с асимметрией, что зависит от направления тока при подготовке пробы. 34 Так как визуализация выполняется под косым углом по отношению к поверхности , небольшие изменения в высоте на одной стороне траншеи относительно другой будет вызывать дополнительную неопределенность в шаблоне местоположения особенно по сравнению с план вида изображений, как в АСМ или нормальной SEM. После наконечник входит в зацепление с образца, размер фокусного пятна 10 мкм микроскопа в сочетании с ~ 20 мкм пост-обработки результатов координатных LineWidth в приближенной неопределенности в идентификации положения Структура ± 27 мкм. Это определяет окно поиска для использования различных методик для идентификации образов.

Для облегчения расположение меньшего 10-100 нм функций, дополнительные большие Выдача добавлены вблизи наноразмерных шаблонов,ы показано на рис 5B. Эти 800 нм х 800 нм Выдача написаны с использованием FE режим HDL с вертикальными линиями и пробелы 15 нм каждый. По согласованию быстрого направления сканирования АСМ перпендикулярно к выдаче линий (т.е. горизонтально) сканирования, эти модели, как правило, показывают высокую контрастность в АСМ фазовом изображении из-за высокой пространственной частоте топографии, дальнейшего облегчения расположение шаблона. После того, как эти модели будут найдены, то становится намного легче найти мелкие наноразмерные шаблоны, которые размещены с примерно 100 нм по отношению к точности больших моделей.

Для этого процесса изготовления наноструктур, образец подвергается атмосферному воздействию между каждой крупной стадии процесса, как только ЛПВП была выполнена, как показано схематично на рисунке 1. Учитывая это, необходимо быть уверенным, что образец не разрушается в любой момент обращения. Как было показано выше, существует конечное количество фонового осаждения Dтором ALD, который, как предполагается, чтобы отобрать на фоне дефектов сайтов. 31 Таким образом, неправильное обращение, например, длительного воздействия атмосферы может увеличить число фоновых дефектов и снижения кажущейся ALD селективность. Дополнительный механизм деградации поверхности может произойти во время сброса образца от СВВ нагрузки замка в атмосферных условиях. 29 Чтобы решить эту проблему, подпружиненный сапфир чип, который был установлен на линейный привод в СВВ делает контакт с толщиной 125 мкм Образец монтажа фольга, контакты образца для предотвращения деградации поверхности. После того, как образец при атмосферных условиях, скорость накопления свободных связей остается низким (то есть, <0,1% / ч) в течение по крайней мере нескольких часов, так как пока образец вставляется в стабильных условиях, таких как ультра-чистый аргон в течение меньше, чем 1 час, дополнительный фон осаждения из-за повреждения поверхности должны оставаться на низком уровне. В этот момент, следует отметить, что образец не должен быть слируется в вакуумной среде, так как это требует дополнительного дренажа / откачки цикл, добавив к возможности повреждения поверхности. На этот раз между HDL и ALD является точкой, при которой образец является наиболее чувствительным, поскольку травление маска не была применена. После ALD, образец еще требует защиты, но только, чтобы предотвратить дополнительный рост маски из-за образования диоксида кремния, сравнительно медленным процессом.

В шаблонов, показанных на фиг.4, ЛПВП удалены> 80% от фонового H в центре узоров, с пространственным спадом в эффективности депассивации как край линии достигается. 24 Учитывая пределы очень ограничен ALD на фоне и инкубации бесплатно роста на полностью depassivated шаблонов (рис 3), края узоров режиме FE, где есть переход от полного и эффективного HDL и HDL не показывают переход эффективности роста ALD маски. Ниже 70% H удаления воЛПВП, где этот переход начинает происходить, указывает приблизительное область ~ 2 нм на каждой стороне линии режиме FE, где частичное осаждение маски происходит. 35 Кроме того, рост ALD происходит в "грибной" образом, 36 дальнейшего расширения маски относительно с шаблонами HDL, так что маску 2.8 нм расширяет какие-либо функции маски на эту сумму. Подводя итог, ALD ширина линии может быть выражена как W = W м сел + Ж (H) + M, где W м общая ширина, Вт Сб является ширина линии, где ЛВП насыщенного удалить> 70% Поверхность H, F (H) является дополнительным ширина за счет роста в каждой точке из-за плотности Н, оставшиеся на поверхности, и М представляет собой дополнительный ширина линии из-за роста грибы. & delta; H зависит от пространственного расстояния от насыщенных краюкартины HDL, так е (H) становится F (R), так как есть пространственная зависимость HDL. Из этих условиях, Вт Сб играет основную роль в общей ширины линии, и другие термины определить степень спадом краев линии.

С конечной изготовления наноструктур, ALD маска сама по себе не определяет общий размер функций. Вместо этого, размер картины зависит от степени эрозии подложки под маской. Общая ширина линии травления выражается в Вт T = W м - З Е = W + СБ F (R) + M - W е, где Т е указывает на ширину линии эрозии или уменьшение размера шаблона в связи с процессом травления. Это зависит от, среди прочего, от толщины и качества травления маску, как описано выше для W м. Fили случай, когда ширина линии просто требует удаления маски перед травлением происходит термин Т е равна нулю, однако следует отметить, что существует модификация размера элемента после травления по отношению к форме маски, предполагая, что более сложные динамика в игре.

Из элементов, определяющих ограничения ширины линии, Вт Сб может быть сведена к минимальной ширине ~ 4 нм до роста остановки появляются так же, как насыпной ALD. 35 других элементов эффект роста грибов, М (и, как следствие W м) , может быть уменьшено, только если общая толщина пленки уменьшается, коррелирует с общей высоты наноструктур после травления. Уширение линии из-за эффекта пространственной зависимости плотности H, остающегося на поверхности, е (H), может быть снижена практически до нуля с помощью многомодового HDL, который производит HDL линию края с незначительным лине ребро спад. 24, чтобы продемонстрировать эффект этого сокращения в F (H), Рисунок 6 показывает образец массив квадратов, полученных с использованием мульти-режим ЛПВП. Массив включает в себя модели с HDL ширин линий 7 нм, 14 нм и 21 нм от вершины до дна, и внутренних размеров HDL открытие 7 нм, 14 нм и 21 нм слева направо. В то время как есть небольшое смещение в многорежимный HDL в нижнем ряду, вдоль верхней строке регистрация является точным до <1 нм. После РИТ, линии остаются, прежде всего, в целости и сохранности шириной 5 нм с двумя небольшими дефектами, а отверстия между линиями разрешимы для всех моделей с отверстиями 7 нм едва различимых, использующих этот инструмент метрологии.

Рисунок 6
Рисунок 6. Ширина линии и holewidth тест. () СТМ ЛПВП коробок, написанных с использованием мульти-режим ЛПВП. Linewidtч строк 21 нм, 14 нм и 7 нм от основания до вершины, соответственно, и holewidth столбцов 7 нм, 14 нм и 21 нм слева направо, соответственно. (B), СЭМ той же модели после ALD и РИТ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Конечными пределы этого процесса зависит от селективности процесса ALD, качество HDL, сопротивление маски к травлению, и себя нужной функции формы. Методы повышения селективности на основе химии и смягчение фон дефект уже рассмотренным выше. Было показано, что ранее оставляя H дефекты в узорчатых областях снижает качество роста маски, и, таким образом, устойчивость к травлению. 35 Кроме того, отсутствие тщательного контроля над рисунком линии ребер результатов в маске "ролл-офф", или чрезмерное тhinning маски по краям узорами, который действует как эффекта близости, предотвращая близкое расположение узоров. К счастью, селективность процесса травления зависит от толщины маски, так и для паразитного осаждения на фоне или дефектов вдоль краев узоров чистый эффект мал. Кроме того, для структур более коротких, чем 20 нм, более тонкие слои маски, вероятно, будет возможно. Так рост ALD происходит в грибном образом, более тонкие маски из-за коротких структур приведет к еще лучше поперечного управления и небольших возможностей, чем те, продемонстрировали здесь. В то время как конечные сокращения размера функция не известны для этого процесса, конечно, некоторые вниз масштабирование, скорее всего.

В то время как метрология СЭМ оставляет неопределенность в отношении размеров элементов и позиционирования, первый шаг метрологии описано в верхней части рис 1 дает атомарной точности в отношении HDL рисунком, как написано. Поскольку Si (100) -H поверхность состоит из вертиу правильная решетка, а с СТМ может работать в неразрушающего режиме изображений, шаблоны HDL могут быть отображены, не вызывая дальнейшее повреждение поверхности или дальнейшее структурирование, в отличие от других методов, таких как электронно-лучевой литографии. С масштабной визуализации атомной инвариантной Si (100) решетки, СТМ метрологии устраняет большую часть неопределенности позиционирования, связанного с АСМ и РЭМ шагов метрологии. На рисунке 6B массив окно с перекос, например. С высоким разрешением метрологии СТМ дает атомарной точности художественных позиций в массиве, очевидно, перекос может быть подтверждено, что из-за SEM артефактов изображения. Кроме того, с высокой точностью известных расстояний между особенностями массива, дополнительная неопределенность калибровки по отношению к ширин в изображениях SEM исключается.

Эта рукопись описывает способ, который использует Nanofabrication атомарной точности сканирующей туннельной микроскопииоснованное депассивации водорода литография (ЛПВП). ЛПВП производит химически реакционноспособные узоры на Si (100) -H поверхности, где осаждение атомный слой оксида титана оказывает локализованное травления маску с поперечным размером продемонстрирована до менее 10 нм. Реактивное ионное травление затем передает образцы HDL в подложку, что делает 17-нм моделей высокие с высокой точностью поперечного управления. Для достижения этих результатов, образцы должны быть защищены во время вентиляции и передачи между инструментами. При тщательном контроле пробами, наноструктуры с прослеживаемости к атомной решетки могут быть изготовлены с атомарной точностью положение и ~ 1 нм точность размера.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана контрактом от DARPA (N66001-08-C-2040) и гранта от Фонда Emerging Technology в штате Техас. Авторы хотели бы поблагодарить Jiyoung Ким, Грег Mordi, Анджела Azcatl, и Том Scharf за их вклад, связанных с избирательным осаждением атомных слоев, а также Уоллес Мартин и Гордон Поллок для обработки образца экс-месте.

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’ 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics