Atomically Sporbar nanostrukturer Fabrication

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

Som nanoteknologi bliver vigtigere i en bred vifte af arenaer, forståelse de strukturer, der dannes gevinster betydning, især i områder af litografi og elektronik. For at understrege vigtigheden af ​​metrologi på nanoskala, specielt på skalaer under 10 nm, skal det understreges, at en variation i funktion størrelse på kun 1 nm indikerer fraktioneret variation en mindst 10%. Denne variation kan have betydelige konsekvenser for enhedens ydeevne og materiel karakter 1,2 -. 4 Brug syntetiske metoder, kan meget præcist dannede individuelle funktioner såsom quantum dots eller andre komplekse molekyler fremstilles, 2,5,6 men generelt mangler den samme præcision i funktion placering og orientering, trods arbejde hen imod at forbedre størrelse og placering kontrol. Dette papir viser en metode til fremstilling af nanostrukturer med næsten atomar størrelse præcision og atomare præcision i træk placering, samtmed atomare metrologi i funktion placering. Ved hjælp af atomare præcision Scanning Tunneling Microscope (STM) induceret Hydrogen Depassivation litografi (HDL), er atomically præcise mønstre med kemisk følsomme kontrast dannet på en overflade. Selektiv Atomic Layer Deposition (ALD) anvender derefter en hård oxid materiale i de mønstrede områder med Reactive Ion Etching (RIE) i sidste ende at overføre de mønstre i bulkmaterialet, som vist skematisk i figur 1. Kombinere den meget præcis HDL proces med standarden ALD og RIE processer resulterer i en fleksibel metode til at fremstille nanostrukturer på en overflade med vilkårlig form og positionering.

Figur 1
Figur 1. Primær nanofabrikation procestrin. Som et eksempel, en 200 nm x 200 nm square er vist. Hver cirkel pil angiver et trin til atmosfærisk eksponering og tRANSPORT mellem sites. Efter UHV prøve prep prøven mønstrede hjælp UHV HDL efterfulgt af STM metrologi (øverst til venstre). ALD er derefter udført, efterfulgt af AFM metrologi (højre). RIE overfører de mønstre i Si (100), efterfulgt af SEM metrologi (nederst til venstre). Klik her for at se en større version af dette tal.

Den mest præcise litografi til dato normalt indebærer scannede sonde teknikker, specielt STM-baserede mønster, hvor atomar opløsning mønster og funktionalisering er blevet påvist i mange applikationer. 7 Tidligere har atom manipulation produceret nanostrukturer med ultimativ præcision ved hjælp af enkelte atomer som byggesten, 8 , 9,10 men nanostrukturer nødvendige kryogene betingelser og således manglede langsigtet robusthed. RT atom manipulation ved fjernelse af hydrogenatomer fra overfladen er blevet vist, bestemt foreskriverly HDL. 11,12,13 HDL lover at gøre det muligt for nye klasser af elektroniske og andre enheder baseret på den rumlige lokalisering af overfladevand kontrast. Brug af HDL uden videre forarbejdning, er forskellige enheder arkitekturer muligt, herunder dinglende bond ledninger eller logiske enheder. 14,15,16 Ud over at give elektrisk kontrast, HDL kan introducere kemisk kontrast på overfladen, hvor passiverende H lag er fjernet, i kraft skabe en skabelon for yderligere kemisk modifikation. Denne kemiske modifikation er blevet demonstreret på silicium og andre overflader, der viser selektivitet for aflejring af metaller, 17 isolatorer, 18 og endda halvledere. 16,19 Hver af disse eksempler producerer to dimensionelle strukturer, så andre behandlingstrin skal anvendes til at fremstille ægte tre dimensionelle strukturer med atomically løst kontrol lovet af HDL. Tidligere har dette krævede gentagen mønster, 19,20,21 udglødning, 22 23

Svarende til e-litografi, anvender HDL en lokaliseret strøm af elektroner at blotlægge en modstå. Flere ligheder eksisterer såsom evnen til at udføre multi-mode litografi med variabel spot størrelse og mønster effektivitet. 24. Men den sande magt HDL skyldes, hvordan det adskiller sig fra e-beam litografi. Første, resisten i HDL er et monolag af atomart hydrogen, således at modstå eksponering bliver en digital proces; resisten atom enten er eller ikke er til stede. 25 Da H-atom placering svarer til den underliggende Si (100) gitter HDL proces kan være en atomisk præcis proces, selv om det skal bemærkes, at HDL i dette papir har nanometer præcision modsætning til at have atomare perfektion og er således ikke digital i dette tilfælde. Siden elektronkilden i HDL er lokal til overfladen, de forskellige former for STM operation letter bådethroughput optimering samt fejlkontrol. Ved tip-sample bias under ~ 4,5 V, litografi udføres på enkelt atom niveau med atomare præcision, kendt som atomically Præcis tilstand (AP-tilstand). I modsætning hertil ved bias over ~ 7 V, elektroner udsendes direkte fra spidsen til prøven med brede linjebredder og høj depassivation effektiviteten, her kaldet Field Emission tilstand (FE mode). HDL gennemløb kan derefter optimeres ved omhyggelig kombination af disse to tilstande, selvom de samlede gennemløb forbliver lille i forhold til e-litografi med mønstring op til 1 um 2 / mulig minut. Når forspændingen er vendt, således at prøven holdes på ~ -2,25 V, elektroner tunnel fra prøven til spidsen med ekstremt lav depassivation effektivitet, hvilket således tillader inspektion af atomare struktur af overfladen både til fejlretning og for atomar skala metrologi .

Denne nanostruktur produktionsprocessen vist i figur 1 (dvs., ~ 1 monolag) SiO2 lag. 26 Efter transport, er prøven indsættes i en ALD kammer til aflejring af titandioxid (TiO2), med tykkelser omkring 2-3 nm deponeret her, som målt ved AFM og XPS. 27 Da titanoxid reaktion afhænger af en vand mætning af overfladen, denne proces er mulig trods atmosfære eksponering der mætter overfladen med vand . Dernæst at overføre ALD maske mønster i hovedparten prøven blev ætset under anvendelse af RIE, således at 20 nm for Si er fjernet, med ætse dybde bestemt af AFM og SEM. For at lette metrologiske trin, er en Si (100) wafer mønstret med et gitter af linjer, der er designet til at være synlige efter UHV fremstilling af en lang arbejdsafstand optisk mikroskop, AFM plangengivelse optisk afbildning, oglav forstørrelse plan-view SEM billeddannelse. At hjælpe med at identificere de strukturer nanoskala, er 1 um 2 Serpentine mønstre (SERPs) mønstrede på prøverne med de mest isolerede nanopatterns placeret på faste steder i forhold til serps.

Denne kombination af HDL, selektiv ALD, og ​​RIE kan være en vigtig proces til nanostruktur fabrikation, og det omfatter en atomar skala metrologi som et naturligt biprodukt af processen. Nedenfor inkluderer vi en detaljeret beskrivelse af de trin, der er involveret for at fabrikere sub-10 nm nanostrukturer i Si (100) ved hjælp af HDL, selektiv ALD, og ​​RIE. Det antages, at man er faglært i hver af disse processer, men oplysninger medtages relateret til hvordan man kan integrere de forskellige processer. Der vil blive lagt særlig vægt på de uventede vanskeligheder, som forfatterne for at forebygge de samme problemer, især i forbindelse med transport og metrologi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Ex-situ Prøvefremstilling

  1. Forbered chips
    1. Design passende etch maske til at sætte identificere markører i Si (100) wafer. Ved hjælp af standard optisk litografi og RIE, etch et gitter af linjer som referencemærkernes ind i wafer, hvorfra der vil blive taget SMS prøver. Linjerne skal være 10 um bred, 1 um dyb, og ved på 500 um. Efter ætsning, strimler resterende fotoresist fra prøve.
      Bemærk: De referencemærker skal kunne identificeres in situ for tip placering på prøven samt i AFM og SEM under metrologi.
    2. Beskyt wafer overflade ved at anvende standard tack blå opskæring i skiver tape, klæbrig nedad.
    3. Terninger wafers til chips ved hjælp af en diamant tippes keramisk udskæringssav i størrelser passende for den specifikke UHV-STM værktøj, der anvendes til at udføre HDL. Her, prøverne var 8,1 mm x 8,1 mm kvadrater.
  2. Efter terninger, forberede chip til indsættelse i UHV-STM mønster værktøj ved forsigtigtpeeling tilbage opskæring i skiver tape, pas på ikke at røre ved chip med eventuelle nikkelholdige redskaber, som vil fremkalde en ugunstig overflade genopbygning efter UHV prep i afsnit 2 nedenfor.
    1. Ren chip ved at skylle den forreste flade i 10 sek hver med strømme af acetone, isopropylalkohol, methanol og deioniseret vand, hvorimod gribe siderne af prøven med polytetrafluorethylen (PTFE) pincet. Endelig tør med ultrarent N2 eller Ar, stadig gribende med Teflon pincet.
    2. Mount prøve chip i STM prøveholder anvendelse af fremgangsmåder passende for den specifikke UHV-STM værktøj til brug for HDL.
      1. Hvis montering i en nikkel-holdige prøve holder, skære tantal folie barriere strimler (appx. 4 mm ved prøven højde) ved hjælp af titanium saks. Soniker foliestrimler i 5 minutter hver i ultrarent acetone, isopropylalkohol, methanol og DI vand hhv. Tør med ultrarent N2 gas ved delvis dækker et bæger med aluminiumsfolie og injicereing en N 2 dyse ind i åbningen. Flow gas, indtil al væsken er fordampet. Brug af nikkel frie pincet, formular folie omkring ender prøve derefter klemme i prøveholderen at isolere for- og bagside prøve fra prøveholderen.
    3. Efter montering, plasma ren prøve og prøve holder i ilt plasma at fjerne kulstof forurening. 28

2. UHV Prøvefremstilling

  1. Indføre prøven i UHV systemet via load-lås eller en anden foretrukken UHV-sikker metode, således at UHV behandling og HDL typisk kan ligge under 1,3 x 10 -9 mbar (med undtagelse af trin 2.5.1.1 nedenfor).
  2. Degas O / N ved 650 ° C, overvågning af temperaturen med et pyrometer. Sikre, at trykkammeret er inden for 25% af baggrund. I tilfældet her beskrevne, typiske baggrund pres er ca 4,5 x 10 -10 mbar.
  3. Degas wolfram hydrogen krakning filament ved 1.500 ° C i 5 minutter.Aktiver titanium sublimering pumper, hvis muligt.
  4. Udfør prøve "Flash" cyklus.
    1. Flash prøve ved opvarmning til 1.250 ° C i 20 sekunder, overvågning T med pyrometer og anvendelse af en 10 ° C / sek opvarmning gradient. Overskrid ikke et maksimalt tryk på 7 x 10 -9 mbar. Cool ved at fjerne varme strøm på mindre end 5 sek.
    2. Resten prøve ved 350 ° C i 5 min. at tillade pres for at komme til baseline. Gentag 3x.
  5. Udfør prøve passivering.
    1. Indstil prøve temperatur til 350 ° C ved anvendelse af et pyrometer at overvåge temperaturen. Indføre 1,3 x 10 -6 mbar ultrarent H 2 ind prep kammer ved hjælp lækage ventil.
      1. Sætte en kold fælde på H2 linje meget nær en lækage ventil i systemet for yderligere at oprense H2.
      2. Hvis det er muligt, pumpe system med høj hastighed turbo pumpe i stedet for en ion pumpe. Dette er så ionpumpen ikke forurene prøven fra at være exposed de høje presset og udstøde forureninger. Pumperne sættes tilbage i normal tilstand, efter de fleste hydrogenet er fjernet, og prøven stadig er varm (350 ° C).
    2. Tænd wolfram brint revner glødetråd til en temperatur på 1400 ° C i 12 min, derefter slukke glødetråd og H2 gas flow. Cool prøve til RT.

3. Scanning Tunneling Microscopy og litografi

  1. Overføre prøve til STM, og bringe prøven og STM spidsen ind tunneling rækkevidde. Under anvendelse af et kamera med opløsningsevne bedre end en 20 um pletstørrelse, tage høj opløsning optisk billede af spids-prøve krydset. Ret op og ændre størrelsen på optiske billede, så det repræsenterer en uforvrænget gengivelse af målepunkterne.
  2. Fjern eventuelle belysning for at reducere systemets termiske ustabilitet. Bestem overfladekvalitet.
    1. Ved hjælp af konventionelle SMS teknikker med prøve bias på -2,25 V og 200 pA, identificere følelsesløsis af defekter på overfladen.
    2. Hvis overfladefejl er under acceptable niveauer, gå videre til næste trin. Maksimalt acceptable defekt niveauer er som følger: Dinglende obligationer på 1%; Si stillinger på 3%; kontaminanter på 1%.
  3. Design HDL mønstre skal fremstilles, herunder både eksperimentelle mønstre og store (1 uM x 1 um) SERP identifikation mønstre. SERP mønstre bør udarbejdes med en lang vektor akse vinkelret på forventet AFM hurtig scanning akse ved hjælp af en stigning på 15-20 nm. Fraktur overordnede mønster i grundlæggende former at definere stien efterfulgt af spidsen, når de anvender HDL betingelser. 24
  4. Under anvendelse vektor udgange fra det foregående trin, udføre HDL hjælp FE tilstand litografi af store områder med prøve forspænding på 7-9 V, strøm på 1 nA og 0,2 mC / cm og AP tilstand litografi til små områder eller de områder, der kræver atomare præcision kanter . 24
    1. Bestemme optimale AP tilstand litografi betingelser ved performing HDL med en række betingelser med prøve skævhed spænder fra 3,5 til 4,5 V, aktuelle spænder fra 2 til 4 nA, og linje doseringer i området fra 2 til 4 MC / cm. Vælg betingelser, der producerer den smalleste helt depassivated linje.
  5. Udfør STM metrologi på ønskede HDL mønstrede områder ved billeddannelse på -2,25 V prøve bias og 0,2 nA tunneling strøm.
    1. [Valgfrit] Udfør fejlkorrektion. Efter STM metrologi, sammenligne depassivation mønster i SMS billeder med det ønskede mønster fra trin 3.5. Hvis nogen områder viser utilstrækkelig dannelse dinglende obligation, gentages litografi cyklus i disse områder.
  6. Efter at have afsluttet STM HDL, frigøre tip fra prøven, og flytte prøve at indlæse lås.
  7. Vent og tag prøve. Under udluftning med ultrarent N2, beskytte prøve ved at kontakte den med inaktivt, flade underlag, såsom ren safir. 29 Efter overfladebeskyttelse, tætte ventiler på eventuelle pumper derefter introducere lufte gas som quicKLY som muligt. Fjern prøven fra systemet.

4. Prøve Transport

  1. Fjern prøven fra belastning lås. Slip prøve fra prøveholderen, herunder fjerne folie barriere stykker hvis det er muligt. Anvendelse af PTFE (eller TI) pincet, flytte prøve til transportør, holde forsiden af ​​eksempelbeskyttet, forsøger at holde atmosfære eksponering for mindre end 10 min.
  2. Installere dække over prøven og løst samle en tryksat prøve transportør. Skyl med ultrarent Ar i 1 min. Ikke evakuere system på noget tidspunkt, eller kan opstå skader på overfladen. 29 Endelig sæl prøve transportør med et lille positivt tryk (~ 50-100 mbar) i Ar, således at prøven er holdbar i op til en måned.

5. Atomic Layer Deposition

  1. Sikre ALD er ved den korrekte deposition temperatur (100 ° C). Langsomt øge argon tryk i ALD kammeret, indtil atmosfærisk tryk er opnået.
  2. Åben ALD kammer.
  3. Åben prøve transporter og hurtigt overføre til ALD kammer ved hjælp af et par PTFE pincet gribe prøven på kanten, derefter lukke ALD kammer og udrense bruge en strøm af argon ved et tryk på <2 × 10 -1 mbar i 1 time til afgasse de prøve. Indstil en proces til at udføre 80 gentagne cykler af ALD at vokse 2,8 nm af amorf titaniumdioxid.
    1. Ved anvendelse af en umodificeret kommerciel ALD-system ved en prøvetemperatur på 100-150 ° C, med titantetrachlorid (TiCl4) og vand (H2O) som forløbere udfører aflejring med reaktanter ved tryk på 0,3 mbar og 0,8 mbar, med pulstider af 0,1 sek og 0,05 sek hhv. 27
    2. Efter hver gasimpuls, rense reaktoren med Ar i 60 sekunder ved 0,2 mbar at sikre minimal baggrund deposition grund fysisorberet reaktanter. For maskerne i dette arbejde, er 80 ALD cyklusser anvendes til dyrkning ca. 2,8 nm af amorf titania ved 100 ° C.
    3. Langsomt lufte ALD kammer med Ar gas og åben. Gentag trin 4.1 og 4.2 for prøve transport.

    6. Atomic force mikroskopi (AFM)

    1. Sikre en korrekt kalibrering af AFM ifølge producentens protokol. Åben prøve transporter og fjern forsigtigt prøve med en pincet.
    2. Efter at have fjernet fra transportør, sikkert installere prøven i AFM ved hjælp af en mekanisk montage metode såsom en fastspænding system, hvis det er muligt. Fokus AFM kameraet på prøve, og find de referencemærker markeringer på prøven overflade for at justere AFM spids på opskriften er baseret på den optiske metrologi i trin 3.2.
    3. Sørg for, at AFM indstillinger vil vise både højden og fase information og indstille scanningen størrelse til at være mellem 20 og 40 um brede. Engagere AFM spids på prøven.
    4. Brug af højden og fase information på højeste opløsning, scan indtil locator mønstre region identificeres. Zoome ind på mønstrede region og lokalisere den region, hvor et billede er ønsket.
    5. Tage et billede af de ønskede regioner anvendelse af den passende billedkvalitet og opløsning (typisk den højest mulige). Når alle de ønskede områder er blevet scannet, frigøre spidsen fra prøven. Losse prøven. Gentag trin 4.1 og 4.2 for prøve transport.

    7. Reaktiv Ion Etching

    1. Chill kapacitivt koblede RIE reaktoren til -110 ° C, derefter indlæse prøven i sin intro kammer og pumpe ned til 7,5 x 10 -6 mbar.
      1. Stabilisere temperaturen i 3 min. Drej derefter gas på med strømningshastigheder O 2 ved 8 sccm (standard kubikcentimeter pr minut), Ar ved 40 SCCM, og SF 6 ved 20 SCCM.
      2. Strike plasma under anvendelse af en 150 W RF udladning, derefter ændre gasstrømmen at ætse i 1 minut under anvendelse af SF 6 ved 52 sccm og O 2 ved 8 sccm. Interaktion af disse gasser med Si vil ætse med en hastighed på ca. 20 nm / min. 30
      3. Pumpe vakuum til 7,5 x 10 -6 mbar. Vent RIE-system. Gentag trin 4.1 og 4.2 for prøve transport.

    8. Scanning Electron Microscopy (SEM)

    1. SEM Sample Montering og indførelse af prøven til system.
      1. Placer ikke-klæbende prøve montere i en bekvem beliggenhed for at lette prøve montering.
      2. Åben prøve transporter og fjern forsigtigt prøve med en pincet til at få fat i prøven i kanterne og sikkert installere i SEM mount, så indfører prøve samling i SEM.
      3. Vent og åben SEM kammer. Sikkert installere prøve forsamling til SEM prøven scenen. Pump down SEM kammer.
    2. Lokalisere referencemærkerne.
      1. Bring forstørrelsen til lavest mulige værdi. Vælg de accelererende spænding og stråle aktuelle indstillinger, der vil give god opløsning. Start med laveste acceptable indstillinger. Gå op efter behov.
      2. Tænd elektronstråle. Bringe den generelle regionaf interesse for anbefalede arbejdsafstand og eucentric højde.
      3. Find og fokusere på referencemærkerne beskrevet i afsnit 1.1. Juster arbejdsafstand som nødvendigt. Optimer fokus, lysstyrke og kontrast.
    3. Find og billede mønstrene.
      1. I forhold til de referencemærkerne, find de mønstre baseret på optiske metrologi af afsnit 3.2 og AFM metrologi af § 6. For at minimere carbon deposition på mønstre, optimere fokus på nærliggende ikke-væsentlige funktioner. Når optimeret, flytte til de mønstre og erhverve plantegning billeder og målinger.
      2. Hvis det er nødvendigt, vippe prøven til 3D-billeder og mønster højdemålinger. For andre mønstre, gentag fra 8,3 efter behov.
    4. Udfør SEM-system lukning rutine og afmontere prøve / s, som foreskrevet af SEM producenten. Fastgør prøven tilbage i transporteren.
    5. Gentag trin 4.3 og 4.4 for prøve transport og opbevaring. På dette tidspunkt prøverne er robuste og kanopbevares på ubestemt tid. Udfør post-imaging analyser om nødvendigt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

I de tilfælde, der er beskrevet her, er HDL udføres ved hjælp af multi-mode litografi. 24. I FE-tilstand, udført med 8 V prøve bias, 1 nA, og 0,2 MC / cm (svarende til 50 nm / sek hastighed tip), spidsen bevæger sig over overfladen enten parallelt med eller vinkelret på Si gitter, der producerer linjer af depassivation. Mens dette lineshape er meget spids afhængig, i tilfældet her, den helt depassivated del af linjerne var ca. 6 nm bred, med haler af delvis depassivation at udvide yderligere 2 nm på hver side af linjen. Når der ønskes meget præcise mønstre, er AP tilstand litografi udført under anvendelse af 4 V prøve bias, 4 nA, og 4 MC / cm (svarende til 10 nm / sek tip speed). Omfanget af AP tilstand komponent i hvert mønster afhænger af bredden af ​​de delvist depassivated mønstre fremstillet ved hjælp af FE-tilstand. Se figur 2 for eksempler på SMS billeder af mønstre på Si (100) -H for de forskellige HDL tilstande. Figur 2A viser en lille pattern fremstillet ved anvendelse kun AP tilstand HDL. Figur 2B er et eksempel på et mønster skrevet ved hjælp multi-mode litografi, hvor FE-mode linjer var ca. 6 nm brede, men blev skrevet på en 10 nm beg, med ca. 2 nm af hver kant skrevet med AP tilstand HDL. De FE tilstandsdelene i det indre af mønsteret blev skrevet på en deling på 10 nm, så der er smalle regioner i mønster, hvor HDL var ufuldstændig. For store, upræcise mønstre FE-tilstand kan bruges alene, som i figur 2C, hvor en ca. 1 um 2 SERP mønster blev skrevet på en 20 nm banen.

Figur 2
Figur 2. Repræsentativ HDL mønstre. (A) STM billede af en HDL mønster skrevet med AP tilstand litografi af 4V, 4 nA, og 4 MC / cm (10 nm / s). (B) STM billede af en multi-mode HDL mønster skrevet med en kombination af AP mode og FE-tilstand (8V, 1 nA, 0,2 MC / cm). FE-mode linje beg blev valgt til at være lidt større end den skriftlige linewidth at forbedre synligheden af ​​de vektorer anvendt skriftligt. (C) FE-tilstand litografi af en stor locator SERP skrevet på en 20 nm banen. Klik her for at se en større version af dette tal.

For at opnå den bedste maske produktion med atomisk præcise HDL mønstre, må en høj grad af selektivitet være mulig. Tidligere har ALD selektivitet blevet undersøgt af XPS og andre metoder, der sammenligner afsætning på unpatterned Si (100) -H og Si (100) -SiO x overflader som analoger til de unpatterned og mønstrede områder hhv. 27,31 Brug atomic force mikroskopi (AFM), observerer vi lignende resultater, som vist i figur 3

Figur 3
Figur 3. Selektivitet af deposition. (A) Prøve AFM billede, der viser TiO2 aflejring på mønstrede og baggrundsområder. Deposition blev udført ved 100 ° C. (B) Udfældningsteknik dybder for forskellige antal af cyklusser. Krydserne repræsenterer højden som målt ved AFM af væksten "på mønster" i forhold til baggrunden. De åbne cirkler viser højden målt ved AFM af den højeste baggrund aflejring i et område med 200 nm x 200 nm i nærheden af en mønstret område. Klik her for at se en større version af dette tal.

Eftersom det er muligt at deponere på HDL patterns, skal undersøgelse af grænserne for mønster funktioner undersøges. Mens det allerede er blevet vist, at ALD producerer udvidet mønstre i forhold til HDL mønstre, og at de ætsede strukturer let er skrumpet i forhold til maskerne, som virkning at skabe høj vægtfylde arrays stadig noget uløst. Figur 4 viser HDL, titandioxid maske, og ætsede strukturer for en vifte af kvadrater fremstillet ved hjælp af FE tilstand HDL linjer skrevet på en hældning på 15 nm. I figur 4A, HDL mønster viser to serps -on roteret 90 grader i forhold til den anden-skrevet med en 8 V spids-prøve bias, 1 nA strøm og 0,2 mC / cm dosis (eller 50 nm / sek tip hastighed) . Der er klart åbninger i mønstret i varierende størrelser. Inden åbningerne selv har nogle HDL fundet sted, men det er stadig lav i størrelsesordenen 20% H fjernelse. 4B viser en AFM billede af det samme mønster efter maske deposition. På grund af tip convolution virkninger er vanskelige at løse åbningerne i mønsteret. Imidlertid en klar ordre er observerbare. Figur 4C er et SEM-billede af det samme mønster efter RIE. Ca. 60% af de ønskede åbninger, faktisk var overført til substratet, hvilket viser, at dette mønster størrelse og tæthed er omtrent grænsen for effektiv nanostruktur fabrikation hjælp FE-tilstand HDL.

Figur 4
Figur 4. Array af åbninger. (A) STM HDL med linjer skrevet med FE-tilstand. To bugtede mønstre, drejet 90 grader i forhold til hinanden, er skrevet med en pitch på 10 nm. (B) AFM billede efter 2,8 nm af ALD af TiO 2 i samme mønster. (C) SEM af "hul" matrix efter RIE at fjerne 20 nm af Si. Bemærk, at nogle "huller" har undladt at etch.Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Udførelse metrologi på nanostrukturer beskrevet ovenfor kræver evnen til at bygge bro over spidsen positionering under HDL og mønster placering ved hjælp af andre værktøjer som AFM og SEM. I modsætning til andre veludviklede mønsterdannende værktøjer med høj opløsning position kodende såsom e-beam litografi blev HDL udført her udføres med en STM uden velkontrolleret groft positionering, så ekstra positionsidentifikationssystemet protokoller blev anvendt som vist i figur 3 . Først lang fokallængde mikroskop positioneret udenfor UHV systemet ca. 20 cm fra spidsen-prøven krydset. Prøven er mønstret med et kvadratisk gitter af 10 um brede linjer, 1 um dyb, på en på 500 um til lette identifikationen af ​​spidsen placering på overfladen.

Figur 5
Figur 5. Mønster placering billeder af Samp le. (A) Optisk billede af STM spids (til venstre) og sine overvejelser (til højre) i Si (100) overflade på et område af prøven med 500 um beg line mønster. Linjerne er 1 um dyb og 10 um brede før UHV forarbejdning. Retningslinier er medtaget for at vise den linje retninger. (B) Close-up, de-skæve optisk billede af spidsen (nederst til venstre) og sine overvejelser (øverst til højre). Centerpunktet beliggenhed mellem spidsen og dens refleksion er identificeret inden for 500 um x 500 um fiducial kvadrat C:. Nærbillede af mønstre placering med en 50 um spot inkluderet for skalaen D:. 5 um x 5 um AFM billede af en hel mønstrede område efter ALD E:.. 1 um x 1 um SEM billede af en af de locator mønstre efter RIE Klik her for at se en større version af dette tal.

e_content "> Det første skridt til at lokalisere nanostrukturer er at identificere spidsen placering på overfladen, 32,33, der er udført i dette tilfælde ved hjælp af en lang arbejdsafstand mikroskop. Figur 5A viser et optisk billede af spidsen, når indgreb med prøven, med stiplede linjer hvormed vejlede læseren for retningerne af den referenceenergi gitter. For at lokalisere spidsen / prøve junction det optiske billede er uden præference at gøre et kvadratisk gitter, som vist i figur 5B, selv om der er fejl i høje temperaturer af prøverne på grund af betydelig overflade atom migration. Dette reducerer dybden og synligheden af fiducial gitter som afbildet her, hvilket øger usikkerheden i spidsen position. 32 Selv om det er blevet vist tidligere, at høj temperatur prøve behandling vil fremkalde betydelig atomar skala overflade genopbygning, grid beg bruges her er stor nok til at have ringe effekt på overfladen genopbygning i midten af ​​squared defineret af gitteret. 34 imidlertid nær kanterne af de mønstrede områder, trin bundtning gør forekomme med asymmetri, der afhænger af retningen af strømmen under forberedelsen. 34 Da den optiske billeddannelse udføres med en skrå vinkel i forhold til overfladen , små ændringer i højden på en side af en rende i forhold til den anden vil inducere yderligere usikkerhed i mønster placering-især sammenlignet med plan-view billeddannelse som i AFM eller normal SEM. Efter spidsen går i indgreb med prøven, den 10 um brændpunktet størrelse mikroskop kombineret med ~ 20 um efterbehandling referencemærker linjebredde resulterer i en omtrentlig usikkerhed i mønsterposition identificering af ± 27 um. Dette definerer søgevinduet for anvendelse af forskellige teknikker til identifikation mønster.

For at lette placeringen af de mindre 10-100 nm funktioner, der yderligere store SERPs tilsat nær nanoskala mønstre, ens er vist i figur 5B. Disse 800 nm x 800 nm SERPs skrives bruger FE-tilstand HDL med lodrette linjer og huller på 15 nm hver. Ved at justere AFM hurtigt scan retning for at være vinkelret på SERP linjer (dvs. vandret scanning), disse mønstre tendens til at vise en høj kontrast i AFM fase billedet på grund af den høje rumlige frekvens af topografi, yderligere at lette mønster placering. Når disse mønstre er fundet, bliver det meget lettere at finde de mindre nanoskala mønstre, som er placeret med ca. 100 nm nøjagtighed i forhold til de store mønstre.

Til denne nanostruktur produktionsprocessen, prøven undergår atmosfæriske eksponering mellem hver større procestrin når HDL er udført som vist skematisk i figur 1. I betragtning af dette, skal det sikres, at prøven ikke nedbrydes på noget tidspunkt i håndteringen. Som vist ovenfor er der en endelig mængde baggrund deposition dnder ALD, som antages til frø på baggrund defektsteder. 31 Således forkert håndtering såsom udvidet atmosfære eksponering kan øge antallet af baggrunden defekter og reducere den tilsyneladende ALD selektivitet. En yderligere overfladenedbrydning mekanisme kan forekomme under udluftning af prøven fra UHV load-lås til atmosfæriske forhold. 29 For at afhjælpe dette problem, en fjederbelastet safir chip, som blev monteret på en lineær aktuator i UHV skaber kontakt til 125 um tyk prøve montering folie, som er i kontakt med prøven for at forhindre overflade nedbrydning. Når prøven er på atmosfæriske betingelser, forbliver hastigheden af dinglende obligation akkumulering lav (dvs. <0,1% / time) i mindst flere timer, så længe prøven er indsat i et stabilt miljø såsom ultrarent Ar inden mindre end 1 time, bør det yderligere baggrund deposition grundet overflade skader forblive lav. På dette punkt skal det bemærkes, at prøven ikke bør være stored i et vakuum miljø, da dette kræver en ekstra udluftning / pump-down cyklus, hvilket bidrager til muligheden for overfladen skader. Denne gang mellem HDL og ALD er det punkt, hvor prøven er mest følsomt, eftersom ætsningen maske er endnu ikke blevet anvendt. Efter ALD, idet prøven stadig brug for beskyttelse, men kun for at forhindre yderligere maske vækst som følge af siliciumdioxid dannelse, en forholdsvis langsom proces.

I de mønstre, der er vist i figur 4, HDL fjernet> 80% af baggrunden H i midten af de mønstre, med et geografisk roll-off i effektiviteten af depassivation som kanten af linien er nået. 24 I betragtning af de begrænsninger af meget begrænset ALD på baggrunden og inkubation fri vækst på fuldt depassivated mønstre (figur 3), kanterne af FE-mode mønstre, hvor der er en overgang fra fuldstændig effektiv HDL og ingen HDL, viser en overgang af effektiviteten af ALD maske vækst. Under 70% H fjernelse underHDL er, hvor denne overgang begynder at forekomme, hvilket indikerer en omtrentlig region ~ 2 nm på hver side af en FE-mode linje, hvor partiel maske aflejring forekommer. 35 Derudover forekommer ALD vækst i en "mushroom" måde, 36 ved yderligere at udvide masken relative til HDL mønstre, således at en maske på 2,8 nm udvider enhver maske funktioner med dette beløb. For at opsummere, den ALD linjebredde kan udtrykkes som W m = W sad + f (bH) + M hvor W m er den totale bredde, W sad er bredden af den linje, hvor HDL har mættet at fjerne> 70% af den overflade H, F (bH) er den ekstra bredde på grund af væksten på hvert punkt på grund af tætheden af H resterende på overfladen, og M er den yderligere linjebredde grund mushrooming vækst. OH afhænger af den rumlige afstand fra den mættede kantaf HDL mønster, så f (bH) bliver f (r), da der er rumlig afhængighed af HDL. Af disse vilkår, W sad spiller den primære rolle i den samlede linewidth og de ​​øvrige vilkår bestemme graden af roll-off af den linje kanter.

Med den ultimative nanostruktur fabrikation, alene ALD maske ikke bestemme den samlede funktion størrelse. I stedet mønsteret størrelse er afhængig af graden af ​​nedbrydning af substratet under masken. Den samlede ætset linjebredde udtrykkes som W t = W m - W e = W sad + f (r) + M - W e, hvor W e angiver en erosion linewidth, eller mønster neddeling grund af ætsning proces. Dette afhænger blandt andet, tykkelsen og kvaliteten af etch maske som beskrevet ovenfor for W m. Feller et tilfælde, hvor linjebredde blot kræver fjernelse af masken før ætsning opstår, W e sigt er nul, men det bemærkes, at der er en ændring af funktionen størrelse efter ætsning i forhold til masken form, hvilket antyder, at mere komplicerede dynamik på spil.

Af de elementer, der bestemmer linewidth begrænsninger, W sad kan reduceres til et minimum bredde på ~ 4 nm før væksten stopper vises det samme som bulk-ALD. 35 Af de øvrige elementer effekten champignon vækst, M (og som en konsekvens W m) kan kun nedsættes, hvis den totale filmtykkelse reduceres, korrelerer med det totale nanostruktur højde efter ætsning. Linjen udbredende effekt på grund af den rumlige afhængighed af densiteten af H resterende på overfladen, f (bH), kan reduceres til næsten nul ved at benytte multi-mode HDL som producerer HDL linje kanter med ubetydelig line kant roll-off. 24. For at demonstrere effekten af denne reduktion i f (OH), Figur 6 viser et mønster vifte af kvadrater fremstillet ved hjælp af multi-mode HDL. Arrayet omfatter mønstre med HDL linjebredder af 7 nm, 14 nm og 21 nm fra top til bund, og indre HDL åbning størrelser af 7 nm, 14 nm og 21 nm fra venstre mod højre. Mens der er en lille fejljustering af multi-mode HDL i den nederste række, langs den øverste række registreringen er præcis til <1 nm. Efter RIE, linjerne fortsat primært intakt til bredder på 5 nm med to små defekter, og åbningerne mellem linjerne er løses for alle de mønstre med de 7 nm huller knapt opløselige ved hjælp af dette værktøj metrologi.

Figur 6
Figur 6. linjebredde og holewidth test. (A) STM HDL af kasser skrevet ved hjælp af multi-mode HDL. Den linewidth af rækker er 21 nm, 14 nm, og 7 nm fra bunden til toppen, henholdsvis, og holewidth af søjlerne er 7 nm, 14 nm og 21 nm fra venstre mod højre. (B) SEM af de samme mønstre efter ALD og RIE. Klik her for at se en større version af dette tal.

De ultimative grænser for denne proces afhænger selektivitet ALD proces, kvaliteten af ​​HDL, modstanden af ​​masken til ætsning, og den ønskede funktion former selv. Metoder til at forbedre selektiviteten baseret på kemi og baggrund defekt afhjælpning er allerede blevet behandlet ovenfor. Det er blevet vist tidligere, at dette efterlader H defekter i de mønstrede områder reducerer kvaliteten af masken vækst, og dermed modstanden mod ætsning. 35 Også manglende omhyggelig kontrol over de mønstrede line kanter resulterer i en maske "roll-off", eller overdreven thinning af masken langs kanterne af mønstre, som fungerer som en nærhedseffekten forhindrer tæt placering af mønstre. Heldigvis selektiviteten af ​​etch proces afhænger af masken tykkelse, så for uægte aflejring på baggrunden eller defekter langs kanterne af mønstrene nettovirkningen er lille. Desuden er der for konstruktioner kortere end 20 nm, tyndere maske lag vil sandsynligvis være mulig. Da væksten ALD forekommer i en svamp måde vil tyndere masker som følge af kortere strukturer resultere i endnu bedre lateral kontrol og mindre funktioner end dem demonstreret her. Mens de ultimative reduktioner funktion størrelse ikke er kendt for denne proces, i hvert fald nogle ned-skalering er sandsynlig.

Mens SEM metrologi efterlader usikkerhed om funktionen størrelse og positionering, første metrologi trin beskrevet i toppen af Figur 1 giver atomare præcision med hensyn til HDL mønster som skrevet. Eftersom Si (100) -H overflade består af en very regelmæssig gitter, og da SMS kan betjenes i en ikke-destruktiv billedbehandlingstype, HDL mønstre kan afbildes uden at inducere yderligere skade overflade eller yderligere mønsterdannelse i modsætning til andre teknikker, såsom e-litografi. Med den atomare skala billeddannelse af invariant Si (100) gitter, STM metrologi eliminerer den største del af positionering usikkerhed relateret til AFM og SEM metrologi trin. I figur 6B vises boksen arrayet skæv, f.eks. Med den høje opløsning metrologi af STM giver atomare præcision af de karakteristika positioner i array, kan den tilsyneladende skew bekræftes at skyldes SEM imaging artefakter. Også, med meget præcist kendte afstande mellem array-funktioner, er en ekstra kalibrering usikkerhed med hensyn til linjebredder i SEM billeder elimineret.

Dette håndskrift beskriver en nanofabrikation metode, der udnytter den atomare præcision scanning tunneling mikroskop-baseret brint depassivation litografi (HDL). HDL producerer kemisk reaktive mønstre på en Si (100) -H overflade, hvor atomare lag aflejring af titaniumdioxid frembringer en lokaliseret etch maske med en lateral dimension demonstrerede ned til under 10 nm. Reaktiv ion ætsning derefter overfører HDL mønstre i substratet, hvilket gør 17 nm høje mønstre med høj præcision lateral kontrol. For at opnå disse resultater, skal prøverne beskyttes under udluftning og overførsel mellem instrumenterne. Med omhyggelig kontrol af prøvehåndtering, kan nanostrukturer med sporbarhed til den atomare gitter fremstilles med atomar position præcision og ~ 1 nm størrelse præcision.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af en kontrakt fra DARPA (N66001-08-C-2040) og ved en bevilling fra Emerging Technology Fund i staten Texas. Forfatterne vil gerne anerkende Jiyoung Kim, Greg Mordi, Angela Azcatl, og Tom Scharf for deres bidrag i relation til selektiv atomare lag deposition samt Wallace Martin og Gordon Pollock for ex situ-prøve behandling.

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