アトミックトレーサブルナノ構造作製

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

ナノテクノロジーのように、特にリソグラフィや電子機器の分野で、利益の重要性を形成している構造を理解し、アリーナの多種多様でより重要になります。具体的には10nm以下のスケールで、ナノスケールでの計測の重要性を強調するために、それだけ1nmの特徴サイズの変動が分数変化の少なくとも10%を示すことが指摘されるべきです。この変動は、デバイス性能及び材料文字の重要な意味を持つことができる1,2 - 4の合成方法を用いて、例えば、量子ドットまたは他の複雑な分子として非常に正確に形成された個々の特徴は、2,5,6-、作製が、一般的に同じ精度を欠いていることができます機能の配置や向きで、サイズと配置制御を改善に向けての作業にもかかわらず。本稿では、機能の配置に近く、原子寸法精度と原子精度でナノ構造体を製造するための方法を示し、ならびに機能の配置の原子計測と。走査型トンネル顕微鏡(STM)水素誘起脱不動態化リソグラフィ(HDL)の原子精度を使用して、化学的に敏感なコントラストのアトミック正確なパターンが表面に形成されています。選択的な原子層堆積(ALD)は、図1に模式的に示すように、最終的に、バルク材料にパターンを転写する。標準で高精度なHDLプロセスを組み合わせる反応性イオンエッチング(RIE)を用いて、パターン形成された領域に硬質酸化物材料を適用しますALDとRIEは任意の形状と位置で表面にナノ構造を生成するために柔軟な方法で結果を処理します。

図1
1.一次ナノ加工工程を図。一例として、200ナノメートル×200 nmの四角が表示され、各丸矢印は、大気曝露およびtのステップを示していますサイト間のransport。 UHVの試料調製後、試料をSTM計測(左上)、続いてUHV HDLを用いてパターニングされます。 ALDは、次いでAFM計測(右)、続いて行われます。 RIEは、SEMの計測に続いたSi(100)、にパターンを転写する(左下)。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

今日までの最も正確なリソグラフィは、通常、走査プローブ技術、原子分解能のパターニングおよび官能化は、多くの用途のために実証されている具体的にSTMをベースパターニングすることを含む。7までは、原子操作は、ビルディングブロックとしての個々の原子を使用して、8を究極の精度を有するナノ構造体を作成しました、9,10しかし、ナノ構造は、極低温条件を必要とし、したがって、長期的な堅牢性を欠いていました。表面から水素原子を除去することによりRT原子操作は、specifical示されていますLY HDL。11,12,13 HDLは、表面コントラストの空間位置に基づいて、電子および他のデバイスの新しいクラスを可能にすることを約束します。さらに処 ​​理することなく、HDLを使用して、さまざまなデバイスのアーキテクチャは、ボンドワイヤまたは論理デバイスをダングリングを含むことが可能である。14,15,16さ ​​らに電気コントラストを提供する、実質的に、不動態化H層が除去された表面上に化学的コントラストを導入することができるHDLさらなる化学修飾のためのテンプレートを作成します。この化学修飾は、金属、17絶縁体、18、さらには半導体の堆積のための選択性を示し、シリコンおよび他の表面上で実証されている。16,19のこれらの例のそれぞれは、真の産生するために使用されなければならない2つの次元構造なので、他の処理手順を生成する3 HDLが約束アトミック解決制御と次元構造。以前は、これを繰り返しパターニング、19,20,21アニーリング、22を必要としていました。23

電子ビームリソグラフィと同様に、HDLは、レジストを露光するために電子の局所的なフラックスを使用します。いくつかの類似点は、可変スポットサイズとパターニング効率でマルチモードリソグラフィーを行うための能力として存在する。24が、HDLの真の力は、電子ビームリソグラフィとは異なる方法から生じます。まず、HDLのレジストそのレジストの露光がデジタル処理となるので、原子状水素の単分子層です。原子があるか、または存在しないのいずれかでレジスト25を H原子の配置(100)HDLプロセスがアトミック正確処理することができる格子下地のSiに対応するので、それは本稿でHDLがナノメートル精度などを有していることに留意すべきです原子完璧をするものではなく、したがって、この場合にはデジタルではありません。 HDL中の電子源は、表面にローカルであるため、STM動作の様々なモードは、両方の促進しますスループットの最適化だけでなく、エラーチェック。 〜4.5 V以下にチップ - 試料バイアスにおいて、リソグラフィーは、原子的精密モード(APモード)と呼ばれる、原子精度で単一原子レベルで行うことができます。これとは対照的に、〜7 V以上のバイアスで、電子が電界放出モード(FEモード)として、ここで知られている広い線幅と高脱不動態化効率を有するサンプルに先端から直接放出されます。全体的なスループットが可能に1ミクロン2 /分までパターニングして電子ビームリソグラフィに小さな相対残るもののHDLスループットは、その後、これらの2つのモードの注意深い組合せにより最適化することができます。サンプルは〜-2.25 Vに保持されるように、バイアスは、このように、誤り訂正のために、原子スケールの計測の両方の表面の原子構造の検査を可能にする非常に低い脱不動態化効率の先端までのサンプルからの電子トンネルは、反転された場合。

図1に示されるこのナノ構造体の製造工程すなわち、約1単分子層)のSiO 2層を形成し、水と飽和となっている時に、大気に排出される。搬送後26は、試料は堆積のためのALDチャンバ内に挿入されAFM及びXPSにより測定されるように、ここで堆積厚周り2-3ナノメートルとチタニア(TiO 2)、27チタニア反応は表面の水の飽和度に依存するので、この方法は、水で表面を飽和大気暴露にもかかわらず可能です。次に、AFM及びSEMによって決定されるエッチング深さと、試料は、Siの20nmのが除去されるように、RIEを用いてエッチングされたバルクにALDのマスクパターンを転写します。計測手順を容易にするために、シリコン(100)ウェハは、長作動距離光学顕微鏡、AFMの平面光学イメージングによってUHVの調製後見えるように設計されている行のグリッドにパターン化され、そして低倍率平面SEM画像。ナノスケール構造を識別しやすいように、1ミクロン2蛇行パターン(SERPS)はSERPSの相対固定位置に配置最も孤立したナノパターンを有する試料上にパターン化されます。

HDL、選択ALD、及びRIEのこの組合せは、ナノ構造の製造のための重要なプロセスであることができ、それは、プロセスの自然な副産物として、原子スケールの計測を含みます。以下では、HDL、選択的ALD、およびRIEを用いたSi(100)内のサブ10 nmのナノ構造体を製造するために必要な手順の詳細な説明が含まれています。それは1つが、これらのプロセスの各々において熟練していると仮定されるが、情報は、様々なプロセスを統合する方法に関連含まれます。特に重要なのは、同じ困難を防止するために、著者らが経験したもの予期せぬ困難を与え、特に輸送し、計測に関連します。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 現場外サンプル調製

  1. チップを準備
    1. のSi(100)ウェハに識別マーカーを置くために適切なエッチングマスクを設計します。標準的な光学リソグ​​ラフィとRIEを用いて、STM試料を採取されるからウエハに基準マークとしての線のグリッドをエッチングします。線は1ミクロン、深、および500μmのピッチで、幅10μmであるべきです。エッチング後、試料から残っているフォトレジストを除去。
      注:基準マークは、計測中のサンプルと同様にAFMとSEMでの先端の位置については、 その場で識別可能でなければなりません。
    2. 標準タックブルーダイシングテープを適用することにより、ウエハ表面を保護し、粘着性の面を下に。
    3. ダイヤモンドを使用してチップにダイスウェーハは、セラミックのダイシングは、HDLを実行するために使用される特定のUHV-STMツールを適切なサイズに見ひっくり返しました。ここでは、サンプルを8.1ミリメートル×8.1ミリメートルの正方形でした。
  2. ダイシング後、そっとによってUHV-STMのパターニングツールに挿入するためのチップを準備下記のセクション2でUHVプレップ後の不利な表面再構成を誘発する任意のニッケル含有ツールでチップに触れないように注意しながら、ダイシングテープをバック剥離。
    1. ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ピンセットで試料の側面を把持しながら、それぞれ、アセトン、イソプロピルアルコール、メタノール、および脱イオン水の流れで10秒ずつのフロント面を洗浄することにより、クリーンチップ。最後に、超高純度のN 2またはAr、まだテフロンピンセットで把持したドライ。
    2. HDLのために使用される特定のUHV-STMツールの適切な方法を用いて、STMサンプルホルダーにマウントサンプルチップ。
      1. ニッケル含有試料ホルダーに取り付け、(APPX。試料の高さで4 mm)のタンタル箔バリアストリップを切断した場合、チタンハサミを使用して。それぞれ超純アセトン、イソプロピルアルコール、メタノール、およびDI水で各5分間、超音波洗浄箔。部分的にアルミ箔と注入でビーカーを覆うことにより超高純度N 2ガ ​​スによるドライ開口部にN 2ノズルる。全ての液体が蒸発するまでガスが流れます。サンプルの端部の周りにニッケルフリーピンセット、フォーム箔を使用した、サンプルホルダからの試料の表裏を単離するためにサンプルホルダーにクランプします。
    3. 炭素汚染を除去するために、酸素プラズマ中で、プラズマ洗浄試料と試料ホルダーを装着した後、28

2. UHVサンプル調製

  1. UHV処理とHDLは、典型的には、(以下のステップ2.5.1.1を除く)1.3×10 -9ミリバール以下に維持できるように、ロードロックまたは他の好適なUHV-安全な方法を介して、UHVシステム内に試料を導入します。
  2. 高温計で温度を監視する650℃でのドガO / N。チャンバ圧力は、バックグラウンドの25%以内であることを確認してください。ここで説明する場合には、典型的なバックグラウンド圧力は約4.5×10 -10ミリバールです。
  3. 5分間1500℃で、フィラメントを割れドガタングステン水素。可能であればチタンサブリメーションポンプをアクティブにします。
  4. サンプル「フラッシュ」のサイクルを実行します。
    1. 20秒間1,250°Cまで加熱し、高温計とTを監視し、10℃/秒の加熱勾配を用いてフラッシュサンプル。 7×10 -9ミリバールの最大圧力を超えないようにしてください。 5秒未満に加熱電流を除去することによって冷却します。
    2. 5分間350℃で、残りのサンプル。圧力がベースラインに回復できるようにします。 3回繰り返します。
  5. サンプルの不動態化を実行します。
    1. 温度を監視するために高温計を用いて350°Cに設定して試料温度。リークバルブを使用して準備室への1.3×10 -6ミリバールの超純H 2を導入します。
      1. さらにH 2を精製するために非常にシステム内のリークバルブ付近のH 2行にコールドトラップを置きます。
      2. 可能な場合は、高速のターボポンプの代わりにイオンポンプを備えたシステムをポンプ。イオンポンプがある博覧会から試料を汚染しないようにするためです高圧のと排出汚染物質へのsed。ポンプは、(350°C)で最も水素が除去された後に通常の状態に戻すと、サンプルはまだ暖かいですしています。
    2. フィラメントとH 2ガス流量をオフにし、その後、12分間、1400℃の温度にフィラメントを割れタングステン水素をオンにします。 RTに冷却したサンプル。

3.走査型トンネル顕微鏡とリソグラフィ

  1. STMにサンプルを移し、トンネル範囲内に試料およびSTMチップをもたらします。 20μmのスポットサイズよりも良いの分解能でカメラを使用して、チップと試料の接合の高解像度の光学像を取ります。デスキュー、それは基準マークの歪みのない再生を表すように、光学像のサイズを変更します。
  2. システムの熱不安定性を低減するために、任意の照明を削除します。表面品質を決定します。
    1. -2.25 V 200、PAのサンプルバイアスを有する従来のSTM技法を使用して、麻痺を識別する表面の欠陥ER。
    2. 表面欠陥が許容レベルを下回っている場合は、次のステップに移動します。以下のように最大許容欠陥レベルは次のとおりです。1%のダングリングボンド。 3%のSiの欠陥; 1%の夾雑物。
  3. デザインHDLパターンは、実験パターンと大(1ミクロン×1ミクロン)SERPの識別パターンの両方を含む、生産されます。 SERPパターンは、15〜20ナノメートルのピッチを使用して、期待されるAFM高速走査軸に垂直な長さのベクトル軸で表示する必要があります。 HDLの条件を適用するときに先端が続くパスを定義するための基本的な形状にパターン全体を骨折。24
  4. 前のステップからのベクトル出力を用いて、7-9 Vのサンプルバイアスが大きな領域のためのFEモードリソグラフィを使用してHDLを行い、1 nAの電流、および0.2 MC / cmであり、小さな領域または原子の精密エッジを必要とする区域のためのAPモードリソグラフィー。24
    1. PEによって最適なAPモードリソグラフィ条件を決定2〜4 NAに至るまで3.5〜4.5 Vの範囲の試料バイアスと条件、現在の様々なHDLをrforming、ラインは2〜4 MC / cmの範囲の投与量。狭い完全depassivatedラインを生成条件を選択してください。
  5. -2.25 Vサンプルバイアスと0.2 nAのトンネル電流で撮像することにより、所望のHDLパターン形成された領域に、STMの計測を行います。
    1. [オプション]エラー訂正を実行します。 STM計測した後、ステップ3.5からの所望のパターンでSTM像で脱不動態化パターンを比較します。どのような領域が不足ダングリングボンドの形成を示している場合は、それらの領域でリソグラフィサイクルを繰り返します。
  6. STM HDLを完了した後、試料からのチップを外し、ロックをロードするために、サンプルを移動します。
  7. ベントとサンプルを削除します。超純N 2でベントの間に、きれいなサファイアのような不活性、平坦な基板と接触させることにより、サンプルを保護します。表面保護した後29、任意のポンプに近いバルブは、その後QUICとして排気ガスを導入できるだけKLY。システムからサンプルを削除します。

4.サンプル輸送

  1. ロードロックからサンプルを削除します。可能であれば箔バリアピースを削除など、試料ホルダから試料を解放します。 PTFE(又はTi)ピンセットを使用して、10分未満の大気曝露を維持しようとすると、保護されたサンプルの前側を保持、輸送体にサンプルを移動させます。
  2. サンプルの上にカバーを取り付けて、緩く加圧し、サンプル輸送体を組み立てます。サンプルがアップのための安定したままであるように29。どの時点でも、システムを排気しないでください、または表面の損傷が発生することがあります 。1分間の超純アルゴンと同一平面最後に、アルゴンの小さな正圧(〜50〜100ミリバール)でシールサンプルトランスポーター月へ。

前記原子層堆積

  1. ALDは、適切な堆積温度(100℃)であることを確認します。大気圧が達成されるまでゆっくりとALDチャンバ内のアルゴン圧力を増加させます。
  2. オープンALDチャンバ。
  3. オープンサンプルトランスポーターとすぐにエッジでサンプルを把握PTFEのピンセットを使用して、ALDチャンバに転送し、ガス抜きに1時間2×10 -1ミリバール<の圧力でALDチャンバを閉じ、アルゴンの流れを使用してパージサンプル。アモルファスチタニアの2.8ナノメートルを成長させるために、ALDの80繰り返しサイクルを実行するためのプロセスを設定します。
    1. 前駆体のパルス時間で、0.3ミリバールおよび0.8ミリバールの圧力で反応物質と堆積を実行するように四塩化チタン(TiCl 4)と水(H 2 O)を用いて、100〜150°Cのサンプル温度で修飾されていない商用ALDシステムを使用してそれぞれ0.1秒、0.05秒、27
    2. 各ガスのパルスに続いて、原因物理吸着した反応物に、最小限の背景堆積を確実にするために、0.2ミリバールで60秒間Arで原子炉をパージします。この作業でマスクに、80 ALDサイクルは、100℃でのアモルファスチタニアの約2.8ナノメートルを成長させるために使用されています。
    3. ゆっくりとArガスとのオープンとALDチャンバをベント。繰り返して、試料搬送のため4.1と4.2を繰り返します。

    6.原子間力顕微鏡(AFM)

    1. 製造業者のプロトコルに従って、AFMの適切なキャリブレーションを確認してください。オープンサンプル輸送体は、穏やかにピンセットを使用してサンプルを削除します。
    2. 可能な場合はトランスポーターから除去した後、確実にこのようなクランプシステムなどの機械的実装方法を用いて、AFMにサンプルをインストールしてください。試料上にAFMカメラの焦点を合わせ、ステップ3.2で、光計測に基づくパターンにAFMチップを整列させるために試料表面に基準マークを探します。
    3. AFMの設定は両方の高さと位相情報を示し、20と幅40μmの間になるように、スキャンサイズを設定することを確認してください。試料上にAFMチップを掛け。
    4. ロケータパターン領域が同定されるまで、最高の解像度で高さおよび位相情報を使用して、スキャンします。パターン化された再にズームイン祇園は、画像が所望される領域を見つけて。
    5. 適切な画像品質と解像度(典型的には可能な限り最高の)を使用して、所望の領域の画像を取ります。すべての所望の領域がスキャンされると、試料からの先端を外します。サンプルをアンロードします。繰り返して、試料搬送のため4.1と4.2を繰り返します。

    前記反応性イオンエッチング

    1. -110℃に容量結合RIE反応装置を冷却し、そのイントロ室にサンプルをロードし、7.5×10 -6ミリバールにポンプダウン。
      1. 3分間の温度を安定化させます。その後、20 SCCMで、8 SCCM(毎分標準立方センチメートル)で、O 2の流量とのガスをオンに40 SCCMのAr、及びSF 6。
      2. ストライクプラズマ8 SCCMで52 SCCM及びO 2でのSF 6を用いて1分間エッチングするためのガス流を変更その後、150 WのRF放電を用いました。 Siとこれらのガスの相互作用は、約20nm /分の速度でエッチングする。30
      3. 7.5×10 -6ミリバールに真空ポンプ。 RIEシステムをベント。繰り返して、試料搬送のため4.1と4.2を繰り返します。

    8.走査型電子顕微鏡(SEM)

    1. SEMサンプル取付け·システムへの試料の導入。
      1. 非粘着性サンプルのサンプル実装を容易にするために、便利な場所にマウント置きます。
      2. オープンサンプルトランスポーター、穏やかエッジでサンプルを取得し、安全にSEMマウントにインストールしてから、SEMにサンプルアセンブリを導入するためにピンセットを使用してサンプルを削除します。
      3. ベントやオープンSEM室。安全のSEM試料台に試料を取り付けます。 SEMチャンバーをポンプダウン。
    2. 基準点の位置を確認します。
      1. 可能な限り低い値に倍率を持参してください。優れた分解能を与える加速電圧とビーム電流の設定を選択します。最低許容設定で起動します。必要に応じて上がります。
      2. 電子ビームをオンにします。一般的な領域をもたらします推奨作動距離とユーセントリック高さに関心のあります。
      3. 見つけて、1.1節で説明した基準点に焦点を当てています。必要に応じて作動距離を調整します。フォーカス、明るさとコントラストを最適化します。
    3. パターンを見つけ、画像。
      1. 基準点と比較して、近くの非本質的な特徴を使用してフォーカスを最適化し、パターンに炭素析出を最小限に抑えるために3.2節の光計測に基づくパターンと部6のAFM計測を探します。最適化された後は、パターンに移動し、平面画像と測定値を取得します。
      2. 必要に応じて、3D画像とパターン高さ測定のためのサンプルを傾けます。必要に応じて他のパターンについては、8.3から繰り返します。
    4. SEMの製造業者によって規定されるように、SEMシステム決算ルーチンおよびディスマウントサンプル/秒を実行します。バックトランスポーターへの試料を固定します。
    5. 繰り返しは、サンプル輸送と保管のために4.3と4.4を繰り返します。この時点で、サンプルは、堅牢で、缶無期限に保存すること。必要に応じて、画像形成後の分析を実行します。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ここで説明するケースでは、HDLは、マルチモード·リソグラフィを用いて行われる。FEモードでは24、8 Vサンプルバイアス、1 Na及び0.2 MC /センチメートル(50ナノメートル/秒の先端速度に相当する)を用いて行っ、先端が上に移動しますSiの格子に対して平行または垂直のいずれかの表面、脱不動態化のラインを生成します。この線形の場合はこちらで、非常に先端が依存しているが、ラインの完全depassivated部分は線の両側に別の2 NMを拡張部分脱不動態化の尾で、幅約6 nmでした。高精度のパターンが望ましい場合、APモードリソグラフィー4 Vサンプルバイアス、硫酸ナトリウム、及び4 MC / cmの(10ナノメートル/秒の先端速度に相当)を用いて行われます。各パターンのAPモード成分の範囲は、FEモードを使用して生成部分depassivatedパターンの幅に依存します。様々なHDLモードの-H(100)Si上のパターンのSTM像の例について、図2を参照してください。 図2(a)は小Pを示していますatternのみAPモードのHDLを使用して製造。 図2Bは FEモードラインは約6 nmの幅のあったマルチモード·リソグラフィを使用して記述されたパターンの例であるが、各エッジの2nm程度で、10 nmのピッチで書かれていましたAPモードのHDLを使って書かれました。パターンの内部にFEモード部分が10nmのピッチで書かれていたので、HDLが不完全であったパターン内の狭い領域があります。大きいため、不正確なパターンFEモードが約1μm2 SERPパターンが20 nmのピッチで書かれた、図2Cのように、単独で使用することができます。

図2
図2の代表的なHDLパターン(A)のSTM 4VのAPモードリソグラフィーで書かれたHDLパターンの画像、硫酸ナトリウム、及び4 MC /センチメートル(10ナノメートル/秒)。 (B)ムーのSTM像APモードとFEモード(8V、1 nAの、0.2 MC / cm)での組み合わせを使用して書かれたLTIモードHDLパターン。 FEモード線ピッチが書き込みに使用されるベクターの視認性を向上させるために書かれた線幅よりも若干大きくなるように選択しました。 20 nmのピッチで書かれた大きなロケータSERP(C)FEモードリソグラフィ。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

アトミック正確なHDLパターンを使用して最高のマスクの生産を達成するために、高度の選択性が可能でなければなりません。以前は、ALDの選択性は、それぞれ、パターン化されていないと、パターン形成された領域のための類似体として-SiO X表面のパターン化されていないのSi(100)-HとSi(100)上の堆積を比較XPSおよびその他の方法で検討されている。27,31原子間力の使用します図3に示すように、顕微鏡(AFM)、我々は、同様の結果を観察します

図3
堆積の選択性図3(A)サンプルのAFM像は、パターンと背景領域でのTiO 2の堆積を示します。堆積は、100℃で行いました。 (B)サイクルの様々な数の堆積深さを。背景に比べて「パターンに「成長のAFMによって測定されるような交配は高さを表しています。パターン化された周辺×200 nmの200nmの領域内の最も高いバックグラウンド堆積のAFMで測定した白丸は、高さを示す。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

それはHDLパットの上に堆積させることが可能であることを考えますRNSは、パターン特徴の限界の調査を検討すべきです。既にALDは、HDLのパターンに対してパターンを広げ生成すること、及びエッチングされた構造がわずかにマスクに対して縮小されていることが示されているが、非常に高密度のアレイを製造する効果がまだ多少未解決のままである。 図4は、HDL、チタニアを示し正方形のアレイのためのマスク、エッチングされた構造は、15nmのピッチで書かれたFEモードHDLラインを用いて製造しました。 図4Aでは、HDLパターンは8 Vチップサンプルバイアス、1 nAの電流、および0.2 MC / cmの線量(または50ナノメートル/秒の先端速度)で、他が記述しに対して90度回転2 SERPSの -オンを示します。さまざまなサイズのパターンの開口部が明らかにありま​​す。自身の開口部内には、いくつかのHDLが発生しているが、それは、低20%H除去の順序のままである。 図4Bは、マスク蒸着した後、同じパターンのAFM像を示します。 convolu先端に起因しまする効果は、パターンの開口部は、解決するのが困難です。しかし、明確な順序が観察可能である。 図4Cは、RIE後の同じパターンのSEM画像です。所望の開口部の約60%が、実際に、このパターンの大きさと密度は約FEモードHDLを用いた効果的なナノ構造加工の限界であることを示す、基板に移しました。

図4
開口部の図4.配列。FEモードを使用して書かれた線でHDLの(A)STM。互いに対して90度回転二蛇行パターンは、10nmのピッチで書かれています。同じパターンの、TiO 2のALDの2.8 nmの後(B)のAFM像。 (C)RIE後に「穴」アレイのSEMのSiを20nmを除去します。いくつかの "穴"はエッチングするのに失敗していることに注意してください。この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

上記のナノ構造の計測を実行すると、このようなAFMやSEMなどの他のツールを使用して、HDLとパターンの位置の間の先端の位置をブリッジする能力を必要とします。 図3に示すように、電子ビームリソグラフィのような高分解能の位置符号化と他のよく発達パターニングツールとは対照的に、ここで行わHDLは、そのように余分な位置特定プロトコルを使用した、十分に制御粗い位置決めすることなく、STMを用いて行きました。まず、長焦点顕微鏡は、チップ - 試料の接合部からUHVシステム約20cmの外側に配置されています。サンプルは、表面上の先端の位置の識別を容易にするために、500μmのピッチで、1μmの深さが10ミクロン幅の線の正方形の格子でパターン化されています。

図5
SAMPの図5.パターンの位置画像ル。STMチップの(A)の光学像(左)と500ミクロンピッチのラインパターンを有する試料の領域上のSi(100)表面での反射(右)。線は1ミクロン深さ10μmの幅の前UHVに処理されています。ガイド線は行方向を示すために含まれます。先端部の(B)クローズアップ、デスキュー光学像(左下)とその反射(右上)。チップとその反射との間の中心点の位置は、500ミクロン×500ミクロンの基準正方形内で同定されているC:50μmのスポットでパターニング位置のクローズアップは、スケールのために含まD:全体パターン領域の5ミクロン×5ミクロンのAFM像。ALD Eの後:RIE後のロケータパターンのいずれかの1ミクロン×1ミクロンSEM像この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

で、サンプルと係合するときe_content ">ナノ構造の位置を特定するための最初のステップは、表面上の先端位置を特定され、32,33長作動距離顕微鏡を使用して、この場合に達成される。 図5(a)は、先端部の光学像を示しています点線は、基準グリッドの方向について、読者を導くために追加した。 図5(b)に示すように、光学像は、正方形の格子を作るためにunskewedれる先端/サンプル接合部の位置を確認するには、サンプルの高温処理にエラーがあるが、 32。ここで画像化され、これは、先端位置の不確実性を増加させる、基準格子の深さと視認性を低下させる。重要な表面原子の移動に起因することは、高温試料処理が重要な原子スケールの表面再構成を誘導することが以前に示されているが、ここで使用されるグリッドのピッチは、平方の途中で表面再構成にほとんど影響を与えないために十分に大きいですグリッドによって定義された。34が、パターン化領域の縁部の近くに、ステップバンチングは、サンプル調製時の電流の流れの方向に依存して非対称に発生した34の光学イメージングは、表面に対して斜めの角度で行われるのでuared 、他のトレンチの相対的な片側の高さの小さな変化は、AFMまたは通常のSEMのように平面画像と比較して、位置に特にパターンで追加の不確実性を誘導します。先端がサンプルに係合後、±27ミクロンのパターン位置同定におおよその不確実性〜20μmの後処理の基準線幅結果と結合された顕微鏡の10μmの焦点サイズ。これにより、パターン識別用の様々な技術を使用するための検索ウィンドウを定義します。

より小さい10-100 nmの特徴の位置を容易にするために、追加の大SERPSは、ナノスケールパターンの近くに追加され、図5(b)に示しますよ。 X 800 nmのSERPSこれらの800 nmのは、15 nmのそれぞれの垂直線とのギャップでFEモードHDLを使用して書かれています。 AFM高速走査方向はSERP線すなわち、水平走査)に対して垂直に整列させることにより、これらのパターンは、さらに、パターンの位置を容易に起因する地形の高空間周波数のAFM位相画像において高いコントラストを示す傾向があります。これらのパターンが発見されると、それは、大きなパターンに約100nmの精度で相対配置されている小さいナノスケールのパターンを見つけることがはるかに容易になります。

このナノ構造の製造プロセスでは、サンプルは、 図1に概略的に示されるようにHDLは、実行された後、各主要なプロセス工程の間に大気暴露を受ける。これを考えると、それは試料が処理中のどの時点でも劣化しないことを保証しなければなりません。以上のように、背景堆積dの有限量で存在しますuring背景欠陥部位に播種するために想定されるALD、31したがって、不適切な取り扱い背景欠陥の数を増加させ、見掛けのALDの選択性を減少させることができる拡張大気曝露など。追加の表面劣化機構が大気条件にUHVロードロックからの試料のガス抜きの際に発生する可能性があります。29この問題を軽減するために、UHVにリニアアクチュエータに取り付けられたバネ付きサファイアチップは、厚さ125ミクロンに接触し、試料接触表面の劣化を防止するために、試料を載置箔。サンプルは大気条件になると、ダングリングボンドの蓄積率が低いままである( すなわち、<0.1%/時間)は、少なくとも数時間のために、そうであれば、サンプルは、このような内のAr超純として安定した環境の中に挿入されると1時間未満、表面損傷に起因する追加の背景堆積は低いままでなければなりません。この時点で、試料は複数であってはならないことに留意すべきですこれは表面の損傷の可能性に加えて、追加のベント/ポンプダウンサイクルを必要とするように、真空環境でtored。 HDLとALDの間のこの時間は、サンプルが、エッチングマスクがまだ適用されていないので、最も敏感である点です。 ALDの後、サンプルはまだ保護を必要とするが、唯一の二酸化ケイ素の形成、比較的ゆっくりとしたプロセスに起因する追加のマスクの成長を防止します。

図4に示したパターンでは、HDLはラインの端に達すると脱不動態化の効率の空間的なロールオフで、パターンの中心内の背景Hの> 80%が除去された。24の限界を考えますの非常に限られたALD完全depassivatedパターンの背景とのインキュベーション自由成長( 図3)に、完全に効果的なHDLなしHDLからの遷移があるFEモードパターンのエッジは、ALDマスク成長の効果の推移を示しています。 70%以下のHの除去中この遷移が発生し始める場所HDLは、部分マスク蒸着が起こるFEモードラインの両側〜2nmのおおよその領域を示す、である。35また、ALDの成長36は 、さらに、マスクを相対的に広げ、「マッシュルーム」様式で起こります2.8ナノメートルのマスクはその分だけ任意のマスク特徴を広げるように、HDLパターンに。 ALDの線幅をW m表すことができ、要約すると= WはW mは全幅で+ F(δH)+ Mを座って 、Wは座っ HDLがの> 70%を除去するために、飽和した線の幅表面H、F(δH)は 、表面上に残存するHの密度に起因する各点における成長に追加の幅であり、そしてMは、成長の急増に起因する付加的な線幅です。 ΔHが飽和端から空間距離に依存しますHDLパターンから、Fので(δH)は、HDLの空間依存性があるため、F(R)となります。これらの用語のうち、Wは、全体的な線幅で主要な役割を果たして座り 、他の用語は、ラインエッジのロールオフの程度を決定します。

究極のナノ構造体の製造では、ALDマスクだけでは、全機能のサイズを決定するものではありません。その代わりに、パターンサイズは、マスクの下の基板の腐食の程度に依存します。総エッチング線幅をW、T = W mとして表現される-によるエッチング処理をW、E、W eは侵食線幅、またはパターンサイズの減少を示している- W eは = Wが+ F(R)+ Mが座っていましたW mに対して、上述のように、これは、とりわけ、上にエッチングマスクの厚さ及び質に依存します。 Fまたはエッチングを複雑ダイナミクスであることを示唆し、しかし、それはマスク形状に対してエッチング後のフィーチャ·サイズに変更があることが観察され、W 電子項がゼロであり、発生する前に線幅が単にマスクの除去を必要とする場合遊んでいます。

線幅の限界を決定する要素のうち、Wが座っ成長バルクALDと同じように現れる停止する前〜4nmの最小幅にすることができる。他の元素の35キノコ増殖効果、M(及びその結果のW Mとして )総膜厚が減少した場合、唯一のエッチング後の全ナノ構造の高さと相関する、減少させることができます。表面に残ったHの密度の空間依存性に起因する効果を拡大ラインは、F(δH)は 、ほぼゼロHDLラインを生成するマルチモードHDLを使用して、とすることができるが無視LINとエッジEエッジロールオフ24 f(δH)のこの減少の効果を実証するために、 図6は、マルチモードHDLを用いて製造正方形のパターンのアレイを示します。左から右に配列が7ナノメートル、14ナノメートル、そして上から下に21 nmであり、7ナノメートル、14ナノメートル、21ナノメートルの内側のHDL開口サイズのHDLの線幅を有するパターンが含まれています。下の列のマルチモードHDLのわずかなずれがありますが、一番上の行に沿って登録は<1 nmまで正確です。 RIE後、行は二つの小さな欠陥を有する5nmの幅に主に無傷のままであり、ライン間の開口部は、この計測ツールを使用して、やっと解決可能7 nmの孔を有するパターンの全てのために解決可能です。

図6
図6.線幅とholewidthテスト。マルチモードHDLを使用して書かれたボックスのHDLの(A)STM。 linewidt行のhはそれぞれ21ナノメートル、14ナノメートル、および下から上に7nmである、と列のholewidthは7ナノメートル、14ナノメートル、それぞれ、左から右に21 nmです。 (B)ALDとRIE後の同じパターンのSEM。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

このプロセスの最終的な限界は、ALDプロセス、HDL、エッチングマスクの耐性の質の選択に依存し、所望の機能が自分自身を整形します。方法は、化学および背景欠陥低減が既に上記対処されているに基づいて選択性を向上させることができます。これは、以前にパターン形成された領域でH欠陥を残すことは、マスクの成長の品質、及びエッチングすることが抵抗を低減することが示されている。35また、マスク「ロールオフ」のパターニングラインエッジの結果の上に慎重な制御の欠如、または過度のTパターンの近くに配置することを防止する近接効果として作用するパターンの縁に沿ってマスクのhinning。幸いなことに、エッチングプロセスの選択性は、マスクの厚さに依存するので、パターンの縁に沿って、背景や欠陥にスプリアス堆積のために正味の効果は小さいです。また、20ナノメートルよりも短い構造のため、より薄いマスク層は、おそらく可能となります。 ALD成長はキノコのようにして発生するので、短い構造に起因する、より薄いマスクがさらに良く横方向制御し、ここで挙げたものよりも小さい特徴になります。究極の特徴サイズの減少は、このプロセスのために知られていないが、確かにいくつかのダウンスケーリングが可能性があります。

SEMの計測が特徴サイズと位置についての不確実性を残しているが、 図1の上部に記載された第1の計測ステップが書かれたHDLパターンに関して原子精度を提供します。のSi(100)-H表面が版で構成されているのでY正規格子、及びSTMは非破壊撮影モードで動作させることができるので、HDLパターンは、電子ビームリソグラフィなどの他の技術とは対照的に、さらに表面損傷またはさらなるパターニングを誘導することなく撮像することができます。不変のSi(100)格子の原子スケールイメージングでは、STMの計測は、AFMとSEM計測ステップに関連する位置決め不確実性の大部分を排除します。 図6Bにおいて、ボックス配列は、例えば、斜め現れます。 STMは、アレイ内の特徴位置の原子精度を与える高解像度の計測では、見かけ上のスキューは、SEM画像化アーチファクトに起因することが確認できます。また、アレイの機能との間の非常に正確に知ら間隔で、SEM像中の線幅に対する追加の校正の不確かさが解消されます。

この原稿は、走査トンネル顕微鏡、原子精度を利用する微細加工方法について説明しますベースの水素脱不動態化リソグラフィ(HDL)。 HDLは10nm以下にまで実証チタニアの原子層堆積は、横方向の寸法とローカライズエッチングマスクを生成したSi(100)-H表面に化学的に反応性のパターンを生成します。反応性イオンエッチングは、高精度の横方向の制御と17ナノメートル背の高いパターンを作り、基板内にHDLパターンを転写します。これらの結果を達成するために、サンプルは、通気及び機器間の転送時に保護されなければなりません。サンプル処理の注意深い制御により、原子格子にトレーサビリティを有するナノ構造体は、原子の位置精度及び約1 nmのサイズの精度で作製することができます。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

この作品は、DARPA(N66001-08-C-2040)からの契約によって、テキサス州の新興テクノロジー·ファンドからの助成金によってサポートされていました。著者らは、 現場外のサンプル処理のために選択原子層堆積に関連する彼らの貢献のためにJiyoungキム、グレッグMordi、アンジェラAzcatl、とトム·シャーフを認めるだけでなく、ウォレス·マーティンとゴードン·ポロックしたいと思います。

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