Atomicamente rastreável Fabrication Nanostructure

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

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Abstract

Introduction

Como a nanotecnologia se torna mais importante em uma ampla variedade de arenas, entendendo as estruturas sendo formado ganha importância, especialmente em domínios da litografia e eletrônica. Para enfatizar a importância da metrologia em nanoescala, especificamente em escalas inferiores a 10 nm, deve salientar-se que uma variação em termos de tamanho de apenas 1 nm indica uma variação fracionária, pelo menos, 10%. Essa variação pode ter implicações significativas para o desempenho do dispositivo e de caráter material de 1,2 -. 4 Utilizando métodos de síntese, características individuais muito precisamente formados, tais como pontos quânticos ou outras moléculas complexas podem ser fabricadas, 2,5,6, mas geralmente falta a mesma precisão na colocação de recursos e orientação, apesar do trabalho para melhorar o tamanho ea colocação de controle. Este artigo demonstra uma abordagem para a fabricação de nanoestruturas com perto de precisão do tamanho atômico e precisão atômica na colocação de recurso, bem comocom metrologia atômica na colocação recurso. Usando a precisão atômica de Scanning Tunneling Microscope (STM) Hydrogen induzida despassivação Litografia (HDL), padrões atomicamente precisas com contraste quimicamente sensíveis são formados sobre uma superfície. A deposição selectiva Atomic Layer (ALD), em seguida, aplica-se um material de óxido duro nas áreas modelado, com corrosão por íons reativos (RIE) em última análise, a transferência dos padrões para o material a granel, como se mostra esquematicamente na Figura 1. Combinando o processo de HDL altamente preciso com a norma ALD e RIE processa resulta em um método para a produção de nanoestruturas flexível sobre uma superfície com forma e posicionamento arbitrário.

Figura 1
Figura 1. Primária Nanofabricação Etapas do processo. Como um exemplo, um de 200 nm x 200 nm quadrado é mostrado. Cada seta indica circulada um passo de exposição atmosférica e tRANSPORTES entre sites. Depois de UHV amostra preparação, a amostra é modelado usando UHV HDL seguido por STM metrologia (superior esquerdo). ALD é então executado, seguido por AFM metrologia (à direita). RIE transfere os padrões em Si (100), seguido por SEM metrologia (canto inferior esquerdo). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A litografia mais preciso até o momento geralmente envolve técnicas de sondas digitalizadas, padronização especificamente baseado no STM, onde foi demonstrada resolução atômica padronização e funcionalização para muitas aplicações. 7 nanoestruturas Anteriormente, manipulação átomo produziu com a máxima precisão, utilizando átomos individuais como blocos de construção, 8 , 9,10 mas as nanoestruturas necessárias condições criogênicas e, assim, faltava a longo prazo robustez. RT átomo de manipulação por remoção de átomos de hidrogénio a partir da superfície tem sido mostrado, especifily HDL. 11,12,13 HDL promete permitir novas classes de dispositivos eletrônicos e outros com base na localização espacial de contraste superfície. Usando HDL inalterado, várias arquiteturas de dispositivo são possíveis, incluindo pendurado fios de ligação ou dispositivos lógicos. 14,15,16 Além de proporcionar contraste elétrico, HDL pode introduzir contraste química na superfície onde a camada passivante H foi removido, com efeito a criação de um modelo para outras modificações químicas. Esta modificação química tem sido demonstrada em silício e em outras superfícies, mostrando selectividade para a deposição de metais, isoladores 17, 18 e mesmo semicondutores. 16,19 Cada um destes exemplos produz dois estruturas tridimensionais, para que outras etapas de processamento deve ser usado para produzir o verdadeiro três estruturas tridimensionais com o controle atomicamente resolvidas prometido pela HDL. Padronização repetida Anteriormente, este tem exigido, 19,20,21 recozimento, 22 23.

Semelhante a litografia de feixe, HDL utiliza um fluxo localizada de electrões para expor um resistir. Várias semelhanças existem, tais como a capacidade de executar multi-modo de litografia com tamanho de ponto variável e eficiência padronização. 24 No entanto, o verdadeiro poder do HDL surge como ela difere da litografia por feixe de elétrons. Primeiro, a proteco do HDL é uma monocamada de hidrogénio atómico, de modo que resistir a exposição torna-se um processo digital; o átomo de resistir é ou não está presente. 25 Uma vez que a colocação átomo de H corresponde ao Si subjacente (100) látice o processo de HDL pode ser um processo preciso atomicamente, embora deva notar-se que neste documento a HDL tem como precisão nanométrica oposição a ter perfeição atômica e, portanto, não é digital neste caso. Desde que a fonte de elétrons em HDL é local para a superfície, os vários modos de operação STM facilitar tantootimização de taxa de transferência, bem como a verificação de erros. No preconceitos ponta-de exemplo abaixo ~ 4,5 V, litografia pode ser realizada a nível único átomo com precisão atômica, conhecido como modo preciso (modo AP) atomicamente. Em contraste, a vieses acima ~ 7 V, os elétrons são emitidos diretamente a partir da ponta para a amostra com linewidths largas e altas eficiências despassivação, conhecido aqui como modo de Field Emission (modo FE). Débitos de HDL pode ser otimizado por cuidadosa combinação destes dois modos, embora os débitos totais permanecem pequenas em relação ao e-litografia por feixe com padronização de até 1 mm 2 / minuto possível. Quando o viés é revertida para que a amostra é mantida a -2,25 V ~, os elétrons do túnel a partir da amostra para a ponta com baixíssima eficiência despassivação, permitindo assim a inspeção da estrutura atômica da superfície tanto para a correção de erros e para a metrologia escala atômica .

Este processo de fabricação de nanoestrutura mostrado na Figura 1 (isto é, ~ 1 monocamada) SiO2 26 Depois de camada de transporte., A amostra é introduzida numa câmara de deposição de ALD titânia (TiO 2), com espessuras de cerca de 2-3 nm depositada aqui, tal como medido por AFM e XPS. 27 Uma vez que a reacção de óxido de titânio depende de uma saturação de água da superfície, este processo é possível, apesar da exposição ambiente que satura a superfície com água . Em seguida, para transferir o padrão de máscara de ALD para a maior parte da amostra foi gravada usando RIE de modo a que 20 nm de Si é removido, com a profundidade determinada etch por AFM e SEM. A fim de facilitar passos de metrologia, um Si (100) wafer é padronizado com uma grade de linhas que são projetados para ser visível após a preparação UHV por um microscópio óptico longa distância de trabalho, plano de AFM-view imageamento óptico, ebaixa ampliação plano-view SEM imaging. Para ajudar a identificar as estruturas em nanoescala, os padrões de 1 um 2 serpentina (SERPs) são padronizados para as amostras com os nanopatterns mais isoladas situadas em locais fixos relativos ao SERPs.

Esta combinação de HDL, ALD selectiva, e RIE pode ser um processo importante para a fabricação de nanoestrutura, e que inclui uma metrologia escala atómica como um subproduto natural do processo. Abaixo, vamos incluir uma descrição detalhada das etapas envolvidas para fabricar sub-10 nm nanoestruturas em Si (100) usando HDL, ALD seletiva, e RIE. Supõe-se que é um especialista em cada um destes processos, mas a informação será incluída relacionado com a forma de integrar os vários processos. Ênfase especial será dada a essas dificuldades inesperadas experimentados pelos autores, a fim de evitar que as mesmas dificuldades, especialmente relacionados com o transporte e metrologia.

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Protocol

1. Ex-Situ Preparação de Amostras

  1. Prepare fichas
    1. Projete máscara etch apropriado para colocar identificar marcadores no Si (100) wafer. Usando litografia óptica padrão e RIE, gravar uma grade de linhas como pontos de referência para a bolacha a partir do qual serão colhidas amostras MCT. As linhas deve ser de 10 m de largura, profundidade de 1 um, e no campo de 500 um. Após o ataque, faixa restante photoresist de amostra.
      Nota: Os pontos de referência devem ser identificáveis ​​in-situ para a localização da ponta na amostra, bem como na AFM e SEM durante metrologia.
    2. Proteger a superfície da bolacha aplicando aderência padrão fita azul corte em cubos, o lado brega para baixo.
    3. Wafers dados em chips usando uma ponta de diamante em cubos de cerâmica viu em tamanhos adequados para a ferramenta UHV-STM específico que está sendo usado para executar HDL. Aqui, as amostras foram de 8,1 mm x 8,1 milímetros quadrados.
  2. Depois de cortar, preparar chip para inserção na ferramenta de padronização UHV-STM delicadamentedescascando para trás a fita para corte, tendo o cuidado para não tocar chip com todas as ferramentas que contém níquel que irá induzir uma reconstrução da superfície desfavorável após UHV prep na seção 2 abaixo.
    1. Limpo chips por lavagem da face frontal por 10 s cada, com fluxos de acetona, álcool isopropílico, metanol, e água desionizada, respectivamente, enquanto segurando os lados da amostra com politetrafluoretileno (PTFE) pinças. Por fim, seque com ultrapura N 2 ou Ar, ainda segurando com uma pinça de teflon.
    2. Chip de amostra no suporte de amostras de montagem STM utilizando métodos adequados para a ferramenta de UHV-STM específico a ser utilizado para o HDL.
      1. Se a montagem em um suporte de amostras que contém níquel, tântalo cortar tiras de barreira folha (aprox. 4 milímetros por altura da amostra), utilizando uma tesoura de titânio. Tiras de folhas delgadas sonicar durante 5 min cada em acetona ultrapura, álcool isopropílico, metanol, e água Dl, respectivamente. Seque com ultrapura N 2 gás, cobrindo parcialmente um copo com folha de alumínio e injectaring uma N2 bico na abertura. Fluxo de gás até que todo o líquido tenha evaporado. Usando pinças de níquel livre, forma de folha em torno acaba de amostra, em seguida, apertar no porta-amostras para isolar os lados da frente e de trás de amostra de suporte de amostras.
    3. 28 Após a montagem, plasma amostra limpa e suporte de amostras em plasma de oxigênio para eliminar a contaminação de carbono.

2. UHV Preparação de Amostras

  1. Introduzir amostra em sistema de UHV via load-lock ou outro método UHV-safe preferido para que o processamento UHV e HDL normalmente pode permanecer abaixo de 1.3 x 10 -9 mbar (exceto para a etapa 2.5.1.1 abaixo).
  2. Degas O / N a 650 ° C, a monitorização da temperatura com um pirômetro. Assegure-se que a pressão da câmara é dentro de 25% do fundo. No caso aqui descrito, as pressões fundo típicos são cerca de 4,5 x 10 -10 mbar.
  3. Desgaseifica hidrogénio tungsténio craqueamento filamento em 1500 ° C durante 5 min.Ativar bombas de sublimação de titânio, se possível.
  4. Execute amostra ciclo "Flash".
    1. Flash amostra por aquecimento a 1250 ° C durante 20 seg, com monitorização T e usando um pirómetro / seg gradiente de aquecimento de 10 ° C. Não exceda a pressão máxima de 7 x 10 -9 mbar. Fresco por remoção corrente de aquecimento em menos de 5 segundos.
    2. Resto amostra a 350 ° C durante 5 min. para permitir que a pressão para recuperar a linha de base. 3x.
  5. Execute amostra passivation.
    1. Definir a temperatura da amostra a 350 ° C, usando um pirómetro para monitorar a temperatura. Introduzir 1,3 x 10 -6 mbar ultra-pura H 2 na câmara de prep usando válvula de escape.
      1. Coloque uma câmara de frio na linha H 2 muito perto de uma válvula de escape no sistema, a fim de purificar ainda mais H 2.
      2. Se possível, o sistema de turbo-bomba com alta velocidade, em vez de uma bomba de iões de bombear. Isto é de modo que a bomba de iões não contaminar a amostra de ser exposed aos altos contaminantes pressionados e ejetar. As bombas são colocadas de volta no estado normal depois que a maioria do hidrogénio foi removido e a amostra ainda está quente (350 ° C).
    2. Ligue hidrogênio rachando tungstênio filamento a uma temperatura de 1.400 ° C durante 12 min, em seguida, desligue o filamento e H 2 fluxo de gás. Arrefecer até à TA amostra.

3. Scanning Tunneling Microscopy e Litografia

  1. Transferir a amostra para STM, e trazer amostras e STM ponta na faixa de tunelamento. Usando uma câmera com resolução de potência de melhor do que um tamanho de ponto de 20 um, dê alta resolução de imagem óptico de junção ponta-amostra. Deskew e redimensionar a imagem óptico para que ele representa uma reprodução sem distorções dos pontos de referência.
  2. Remova qualquer iluminação para reduzir instabilidades térmicas do sistema. Determine a qualidade da superfície.
    1. Usando técnicas convencionais MCT com viés de amostra de -2,25 V e 200 pA, identificar o entorpecidoer de defeitos na superfície.
    2. Se os defeitos de superfície estão abaixo dos níveis aceitáveis, mover para a próxima etapa. Níveis máximos aceitáveis ​​de defeito são os seguintes: ligações pendentes de 1%; Si vagas de 3%; contaminantes de 1%.
  3. Padrões de projeto de HDL para ser produzido, incluindo ambos os padrões experimentais e grandes (1 mícron x 1 mm) padrões de identificação SERP. Os padrões SERP deve ser desenhado com um longo eixo de vetores perpendiculares ao esperado eixo varredura AFM rápido, usando um tom de 15-20 nm. Fratura padrão geral em formas fundamentais para definir o caminho seguido pela ponta ao aplicar condições de HDL 24.
  4. Usando saídas do vetor da etapa anterior, execute HDL usando o modo FE litografia para grandes áreas com viés de amostra de 7-9 V, corrente de 1 nA, e 0,2 mC / cm e AP litografia modo para áreas pequenas ou aquelas áreas que exigem bordas de precisão atômica . 24
    1. Determinar óptimas condições AP modo de litografia por performing HDL com uma variedade de condições de polarização com amostra de 3,5 a 4.5 V, corrente variando de 2 a 4 nA, e linha de dosagens que variam de 2 a 4 mC / cm. Escolha condições que produzem a mais estreita linha completamente depassivated.
  5. Execute STM metrologia em áreas de HDL modelado desejadas pela imagem latente em -2,25 viés amostra V e 0,2 nA corrente de tunelamento.
    1. [Opcional] Execute correção de erros. Depois STM metrologia, compare padrão despassivação nas imagens MCT com o padrão desejado a partir do passo 3.5. Se todas as áreas mostram a formação de ligações de oscilação insuficiente, repita o ciclo de litografia nessas áreas.
  6. Depois de completar STM HDL, desengatar dica de amostra, e mover amostra para carregar bloqueio.
  7. Desabafar e remover amostra. Durante ventilação com ultrapura N 2, proteger amostra por contacto com inerte, substrato plano, como safira limpa. 29 Depois de proteção de superfície, fechar as válvulas para qualquer bombas em seguida, introduzir desabafar gás como quicKLY possível. Retirar da amostra a partir do sistema.

Transportes 4. Amostra

  1. Remover amostra de bloqueio de carga. Solte amostra de suporte de amostras, incluindo a remoção dos pedaços de barreira folha, se possível. Usando PTFE (Ti) ou pinças, mover a amostra transportador, mantendo-se o lado da frente da amostra protegida, na tentativa de manter a exposição do ambiente para menos de 10 min.
  2. Instale a tampa sobre a amostra e vagamente montar um transportador de amostras pressurizado. Lavar com Ar ultrapura durante 1 min. Não evacuar sistema em qualquer ponto, ou dano na superfície pode ocorrer. 29 Finalmente, transportador de amostras de vedação com uma pequena pressão positiva (~ 50-100 mbar) de Ar de modo a que a amostra permanece estável durante a um mês.

5. A deposição de camada atômica

  1. Assegurar o ALD está na temperatura adequada deposição (100 ° C). Lentamente, aumente a pressão de árgon na câmara ALD até que seja atingida a pressão atmosférica.
  2. Abrir câmara de ALD.
  3. Abrir transportador de amostras e rápida transferência para a câmara ALD usando um par de pinças de PTFE agarrando a amostra na borda, em seguida, fechar a câmara de ALD e limpar usando um fluxo de árgon a uma pressão de <2 × 10 -1 mbar durante 1 h para os degas amostra. Definir um processo para realizar 80 ciclos repetidos de ALD a crescer 2,8 nm de óxido de titânio amorfo.
    1. Usando um sistema de ALD comercial não modificado a uma temperatura de amostra de 100-150 ° C, com tetracloreto de titânio (TiCl4) e água (H2O) como precursores realizar a deposição com reagentes a pressões de 0,3 mbar e 0,8 mbar, com tempos de pulso de 0,1 seg e 0,05 segundo, respectivamente. 27
    2. Após cada pulso gás, purgar o reactor com Ar durante 60 segundos a 0,2 mbar para garantir o mínimo de fundo devido à deposição de reagentes physisorbed. Para as máscaras neste trabalho, 80 ciclos ALD são usadas para crescer cerca de 2,8 nm de óxido de titânio amorfo a 100 ° C.
    3. Lentamente desabafar ALD câmara com gás Ar e aberto. Repita os passos 4.1 e 4.2 para o transporte da amostra.

    6. Microscopia de Força Atômica (AFM)

    1. Garantir a calibração correcta do AFM de acordo com o protocolo do fabricante. Abrir transportador de amostras e remova cuidadosamente amostra usando uma pinça.
    2. Após a remoção do transportador, instale firmemente a amostra para a AFM utilizando um método de montagem mecânica, tais como um sistema de fixação, se possível. Concentre a câmara AFM sobre a amostra, e localizar as marcas fiduciais na superfície da amostra para alinhar a ponta de AFM para o padrão de base sobre a metrologia óptica no passo 3.2.
    3. Verifique se as configurações de AFM vai mostrar tanto a informação de altura e fase e definir o tamanho da digitalização para ser entre 20 e 40 m de largura. Envolver-se a ponta do AFM sobre a amostra.
    4. Usando a altura ea fase de informação na mais alta resolução, digitalizar até a região de padrões de localizador são identificados. Ampliar a re modeladogião e localizar a região em que uma imagem é desejado.
    5. Tome uma imagem das regiões desejadas usando a qualidade de imagem e resolução adequados (normalmente o mais alto possível). Uma vez que todas as regiões desejadas terem sido digitalizadas, desengatar a ponta da amostra. Descarregar a amostra. Repita os passos 4.1 e 4.2 para o transporte da amostra.

    7. Reactive Ion Etching

    1. Refrigere acoplado capacitivamente reator RIE a -110 ° C, em seguida, coloque a amostra em sua câmara de introdução e bombear até 7,5 x 10 -6 mbar.
      1. Estabilizar a temperatura durante 3 min. Em seguida, vire o gás com taxas de fluxo de O 2 a 8 sccm (centímetros cúbicos padrão por minuto), Ar a 40 sccm, e SF 6 a 20 sccm.
      2. Plasma greve usando uma descarga RF 150 W, em seguida, modificar o fluxo de gás para gravar durante 1 min usando SF 6 a 52 sccm e O 2 a 8 sccm. A interacção destes gases com Si etch a uma taxa de cerca de 20 nm / min 30.
      3. Bomba de vácuo para 7,5 x 10 -6 mbar. Desabafar sistema RIE. Repita os passos 4.1 e 4.2 para o transporte da amostra.

    8. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

    1. SEM Amostra de montagem e introdução de amostra para o sistema.
      1. Colocar a amostra não-adesivo de montagem para uma localização conveniente, para facilitar a montagem da amostra.
      2. Abrir transportador de amostras e remova cuidadosamente amostra usando uma pinça para agarrar a amostra pelas bordas e com segurança instalar em SEM montagem, em seguida, introduzir a montagem de amostra para SEM.
      3. Desabafar e aberto câmara SEM. Firmemente instale o conjunto de exemplo para o estágio da amostra SEM. Pump down SEM câmara.
    2. Localize os fiducials.
      1. Traga a ampliação para o menor valor possível. Selecione as configurações atuais de tensão e de feixe de aceleração que dariam boa resolução. Comece com configurações mais baixas aceitáveis. Sobe conforme necessário.
      2. Ligue o feixe de elétrons. Traga a região geralde interesse para distância de trabalho recomendado e altura eucentric.
      3. Localize e focar fiducials descritos no ponto 1.1. Ajuste a distância funcionando conforme necessário. Otimizar o foco, brilho e contraste.
    3. Localize e os padrões de imagem.
      1. Em relação aos fiducials, localize os padrões baseados na metrologia óptica da secção 3.2 e AFM metrologia da secção 6. Para minimizar a deposição de carbono sobre os padrões, otimizar o foco usando recursos não essenciais nas proximidades. Uma vez otimizado, mover-se para os padrões e adquirir planos de visualização de imagens e medições.
      2. Se necessário, incline a amostra para imagens 3D e medidas de altura padrão. Para outros padrões, repetir de 8,3, conforme necessário.
    4. Execute SEM rotina de fechamento do sistema e desmontar amostra / s, como prescrito pelo fabricante SEM. Fixe a amostra de volta para o transportador.
    5. Repita os passos 4.3 e 4.4 para o transporte e armazenamento de amostras. Neste ponto, as amostras são robustos e podeser armazenado por um período indeterminado de tempo. Realizar pós-imaging analisa se necessário.

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Representative Results

Nos casos descritos aqui, HDL é realizada utilizando multi-modo de litografia. 24 No modo FE, realizada com 8 V viés da amostra, 1 nA, e 0,2 mC / cm (equivalente a 50 nm / seg velocidade de ponta), a ponta se move sobre a superfície paralela ou perpendicular à estrutura de Si, a produção de linhas de despassivação. Enquanto este LineShape é muito dependente da ponta, no caso aqui, a porção completamente depassivated das linhas era de aproximadamente 6 nm de largura, com as caudas de despassivação parcial que se estende mais 2 nm em ambos os lados da linha. Quando os padrões altamente precisos são desejados, o modo AP litografia é realizada utilizando 4 V viés de amostra, 4 nA, e 4 mC / cm (equivalente a 10 nm / seg velocidade de ponta). A extensão do componente modo AP de cada padrão depende da largura dos padrões parcialmente depassivated produzidos utilizando o modo de FE. Ver Figura 2 para exemplos de imagens de padrões de MCT sobre Si (100) -H para os vários modos de HDL. A Figura 2A mostra uma pequena pattern produzido utilizando apenas modo AP HDL. A Figura 2B é um exemplo de um padrão escrito utilizando multi-modo de litografia, de modo que as linhas de FE foram aproximadamente 6 nm de largura, mas foram escritas em um passo de 10 nm, com cerca de 2 nm de cada aresta escrito usando o modo AP HDL. As porções de modo Fe no interior do padrão foram escritas em um campo de 10 nm, de forma que há regiões estreitas dentro do padrão onde HDL estava incompleta. Para padrões grandes, imprecisas modo FE podem ser utilizados sozinhos, como na Figura 2C, onde um padrão de cerca de 1 um 2 SERP foi escrita em um passo de 20 nm.

Figura 2
Figura 2. Representante padrões de HDL. (A) imagem de um padrão de HDL escrito com modo AP litografia de 4V, 4 nA, e 4 mC / cm (10 nm / seg) STM. STM imagem de um mu (B)lti-mode padrão HDL escrito usando uma combinação de modo AP e modo de FE (8V, 1 nA, 0,2 mC / cm). A FE linha modo passo foi escolhida para ser ligeiramente maior do que a largura de linha escrita para melhorar a visibilidade dos vectores utilizados por escrito. (C) FE modo a litografia de uma grande localizador serp escrito em um campo de 20 nm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A fim de atingir a melhor produção de máscara utilizando padrões de HDL atomicamente precisos, um elevado grau de selectividade devem ser possível. Anteriormente, a selectividade ALD tem sido investigada por XPS e outros métodos de deposição comparando unpatterned sobre Si (100) e Si-H (100) -SiO x superfícies como análogos para as áreas unpatterned e modelado, respectivamente. 27,31 Usando de força atómica microscopia (AFM), observa-se resultados semelhantes, como mostrado na Figura 3

Figura 3
Figura 3. Seletividade de deposição. Image (A) Sample AFM mostrando TiO 2 deposição em áreas modeladas e do fundo. A deposição foi efectuada a 100 ° C. profundidades (B) deposição para vários números de ciclos. As cruzes representam a altura medida pelo AFM do crescimento "no padrão" em relação ao fundo. Os círculos abertos mostram a altura medida pelo AFM dos mais altos fundo deposição dentro de uma área de 200 nm x 200 nm perto de uma área padronizada. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Dado que é possível depositar-se o HDL patteRNS, a investigação dos limites de recursos de padrão deve ser examinada. Enquanto que foi já demonstrado que o ALD produz padrões em relação aos padrões de HDL ampliada, e que as estruturas gravadas são ligeiramente reduzido em relação às máscaras, o efeito de produção de arranjos de alta densidade continua a ser um tanto não resolvida. A Figura 4 mostra o HDL, titânia máscara, e de estruturas gravadas para uma matriz de quadrados fabricados usando linhas de HDL modo FE escritas em um tom de 15 nm. Na Figura 4A, o padrão de HDL mostra -um dois serps uma rotação de 90 graus em relação ao outro-escrito com um viés 8 V ponta-amostra, 1 nA atual, e 0,2 mC cm dose / (ou 50 nm / seg velocidade de ponta) . Existem claramente aberturas no padrão de tamanhos variados. Dentro-se as aberturas, alguns HDL tenha ocorrido, mas continua a ser baixa da ordem de 20% de remoção de H. A Figura 4B mostra uma imagem AFM do mesmo padrão de máscara depois da deposição. Devido a ponta convoluefeitos ção, as aberturas no padrão são difíceis de resolver. No entanto, uma ordem clara é observável. Figura 4C é uma imagem SEM do mesmo padrão após RIE. Aproximadamente 60% das aberturas desejadas foram efectivamente transferida para o substrato, o que indica que este tamanho padrão e densidade é aproximadamente o limite para a fabricação de nanoestrutura de modo eficaz utilizando FE HDL.

Figura 4
Figura 4. Disposição de aberturas. (A) STM de HDL com linhas escritas usando o modo FE. Dois padrões de serpentina, giradas em 90 graus em relação um ao outro, são escritos com um passo de 10 nm. (B) AFM imagem depois de 2,8 nm de ALD de TiO 2 do mesmo padrão. (C) SEM de "buraco" de matriz após RIE para remover 20 nm de Si. Observe que alguns "buracos" não conseguiram gravar.Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Execução de metrologia nas nanoestruturas descritos acima requer a capacidade de construir uma ponte sobre o posicionamento da ponta durante HDL e padrão local usando outras ferramentas, como AFM e SEM. Em contraste com outras ferramentas de modelação bem desenvolvidas com posição alta-resolução de codificação, tal como a litografia por feixe de elétrons, a HDL realizadas aqui foi realizada com um STM sem posicionamento grosseiro bem controladas, de modo que foram utilizados protocolos de identificação de posição adicional, como mostrado na Figura 3 . Em primeiro lugar, um microscópio-distância focal longa é posicionado fora do sistema UHV cerca de 20 cm a partir da junção ponta-amostra. A amostra é modelado com uma grade quadrada de 10 uM linhas largas, de 1 um de profundidade, com um espaçamento de 500 mm para facilitar a identificação da localização da ponta sobre a superfície.

Figura 5
Imagens Figura 5. Padrão de localização samp le. (A) de imagem óptica de ponta do STM (à esquerda) e sua reflexão (à direita) na superfície de Si (100) em uma área de amostra com padrão de linha 500 um campo. As linhas são 1 um profundo e 10 m de largura antes de UHV processamento. Linhas-guia são incluídos para mostrar as instruções de linha. (B) Close-up, de-distorcida imagem óptica da ponta (canto inferior esquerdo) e sua reflexão (canto superior direito). A localização ponto central entre a ponta e seu reflexo é identificado dentro da 500 mm x 500 mm quadrado fiducial C:. Close up de localização padronização com uma mancha 50 mm incluído para escala D:. 5 mm x 5 mm AFM imagem de toda uma área padronizada após ALD E:.. 1 mícron x 1 mm SEM imagem de um dos padrões localizador após RIE Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

e_content "> O primeiro passo para localizar nanoestruturas é identificar a localização da ponta na superfície, 32,33 que é realizado, neste caso, utilizando um microscópio de longa distância de trabalho. A Figura 5A mostra uma imagem óptica da ponta quando engatada com a amostra, com linhas pontilhadas adicionado para guiar o leitor para as direcções da rede fiducial. Para localizar a junção ponta / amostra a imagem óptica é unskewed para fazer uma grade quadrada, como mostrado na Figura 5B, embora existam erros na alta temperatura de processamento das amostras devido à migração significativa átomo de superfície. Isto reduz a profundidade e a visibilidade da grelha fiducial como trabalhada aqui, aumentando a incerteza na posição da ponta. 32 Embora tenha sido demonstrado anteriormente que o processamento da amostra a alta temperatura irá induzir a reconstrução da superfície escala atómica significativa, o passo grade usada aqui é grande o suficiente para ter pouco efeito sobre a reconstrução da superfície no meio do quadradouared definida pela grelha. 34 No entanto, perto das extremidades das áreas estampadas, passo deformação ocorre com a assimetria que depende da direcção do fluxo da corrente durante a preparação da amostra. 34 Uma vez que a imagem óptica é realizada segundo um ângulo oblíquo em relação à superfície , pequenas alterações na altura de um lado de uma vala em relação à outra vai induzir incerteza adicional no padrão de localização, especialmente quando comparado com o plano de formação de imagens conforme vista na AFM ou SEM normal. Depois de a ponta engata na amostra, a 10 um tamanho de ponto focal do microscópio acoplado com os ~ 20 uM fiduciais LineWidth resultados pós-processamento em uma incerteza aproximado em posição de identificação padrão de ± 27 um. Isto define a janela de busca para a utilização de várias técnicas para a identificação de padrões.

Para facilitar a localização dos menores características 10-100 nm, grandes serps adicionais são adicionados perto dos padrões em nano-escala, umas mostrados na Figura 5B. Estes serps 800 nm x 800 nm são escritas usando o modo FE HDL com linhas verticais e lacunas de 15 nm cada. Ao alinhar a direcção de varrimento rápido AFM para ser perpendicular às linhas de SERP (isto é, a exploração horizontal), esses padrões tendem a mostrar um elevado contraste na imagem de fase AFM devido à elevada frequência espacial da topografia, o que facilita ainda mais padrão de localização. Uma vez que esses padrões são encontrados, torna-se muito mais fácil encontrar os padrões nanoescala menores que são colocados com aproximadamente 100 nm precisão em relação às grandes padrões.

Para este processo de fabricação de nanoestrutura, a amostra sofre exposição à atmosfera entre cada passo do processo principal, uma vez HDL tem sido realizada, como se mostra esquematicamente na Figura 1. Dado isto, deve-se assegurar que a amostra não se degrada em qualquer ponto durante o processamento. Como mostrado acima, não existe uma quantidade finita de fundo d deposiçãourante ALD, que é assumida para semear em locais de defeito fundo. 31 Assim, a manipulação indevida, tais como a exposição atmosfera alargado pode aumentar o número de defeitos de fundo e de reduzir a selectividade aparente ALD. Um mecanismo de degradação de superfície adicional pode ocorrer durante a abertura da amostra a partir da carga de bloqueio UHV às condições atmosféricas. 29 Para aliviar este problema, um chip de safira de mola que foi montado num actuador linear em UHV faz contacto com a 125 um de espessura amostra de folha de montagem que contacta a amostra para evitar a degradação da superfície. Uma vez que a amostra está em condições atmosféricas, a taxa de acumulação de ligação de oscilação continua a ser baixa (isto é, <0,1% / h) durante pelo menos várias horas, por isso, enquanto a amostra é inserido em um ambiente estável, tal como ultra-pura Ar dentro menos do que 1 hora, a deposição adicional de fundo devido a danos na superfície deve permanecer baixa. Neste ponto, deve-se notar que a amostra não deve ser stored em ambiente de vácuo, como este requer um / ciclo-bomba adicional para baixo de ventilação, contribuindo para a possibilidade de danos na superfície. Este tempo entre HDL e ALD é o ponto em que a amostra é mais sensível já que a máscara etch ainda não foi aplicada. Depois de ALD, a amostra ainda necessita de protecção, mas apenas para evitar o crescimento de máscara adicional devido à formação de dióxido de silício, um processo relativamente lento.

Nos padrões mostrados na Figura 4, o HDL retirado> 80% do fundo H dentro do centro do padrão, com um roll-off espacial na eficiência do despassivação que o extremo da linha é alcançada. 24 Tendo em conta os limites muito limitado de ALD no fundo e incubação livre crescimento em padrões totalmente depassivated (Figura 3), as bordas dos padrões modo FE onde existe uma transição de HDL totalmente eficaz e não HDL, mostrar uma transição de eficácia do crescimento máscara ALD. Abaixo de 70% de remoção durante HHDL é onde esta transição começa a ocorrer, o que indica uma região aproximada de ~ 2 nm em cada lado de uma linha de modo FE onde ocorre a deposição de máscara parcial. 35 Além disso, o crescimento de ALD ocorre de uma forma "de cogumelo", 36 ampliando a máscara relativa para os padrões de HDL para que uma máscara de 2,8 nm amplia nenhum recurso de máscara por esse montante. Para resumir, a largura de linha ALD pode ser expressa como = W W m sentou + f (? H) + M em que W m é a largura total W sat é a largura da linha, onde o HDL tem saturado para remover> 70% do superfície H, F (ÔH) é a largura adicional devido ao crescimento em cada ponto devido à densidade de H remanescente na superfície, e M é a largura de linha adicional devido à proliferação de crescimento. ôH depende da distância espacial a partir da borda saturadodo padrão de HDL, de modo f (ÔH) torna-se f (r) uma vez que existe dependência espacial do HDL. Desses termos, W sentou desempenha o papel principal na largura de linha geral, e os demais termos determinar o grau de roll-off das bordas de linha.

Com a fabricação de nanoestruturas final, a máscara ALD sozinho não determina o tamanho total do recurso. Em vez disso, o tamanho padrão depende do grau de erosão do substrato sob a máscara. A largura de linha gravada total é expressa como T = W W m - W e W = sentou + f (r) + M - W e, onde W indica uma largura de linha e erosão, ou padrão de redução de tamanho devido ao processo de corrosão. Esta depende, entre outras coisas, a espessura e a qualidade da máscara etch como acima descrito para W m. Fou um caso onde a largura de linha simplesmente requer a remoção da máscara de gravação ocorre antes, o termo W e é zero, no entanto, observa-se que há uma modificação da dimensão característica após condicionamento em relação à forma de máscara, o que sugere que a dinâmica são mais complicadas em jogo.

Dos elementos que determinam as limitações da largura de linha, W sentou pode ser reduzida a uma largura mínima de ~ 4 nm antes de o crescimento pára aparecendo o mesmo que grandes quantidades de ALD 35 um dos outros elementos. O efeito do crescimento de cogumelos, H (e, como consequência W m) , só pode ser reduzido se a espessura total da película é reduzida, correlacionando-se com a altura total nanoestrutura após o condicionamento. A linha efeito devido à dependência espacial da densidade de H remanescente na superfície alargando, f (? H), pode ser reduzida para quase zero, utilizando multi-modo de HDL que produz a linha de HDL bordas com negligenciável line borda roll-off. 24 Para demonstrar o efeito dessa redução f (SH), a Figura 6 mostra uma matriz padrão de quadrados produzidos usando multi-modo de HDL. A matriz inclui padrões com larguras de linhas de HDL de 7 nm, 14 nm e 21 nm, de cima para baixo, e os tamanhos de abertura de HDL interiores de 7 nm, 14 nm e 21 nm, da esquerda para a direita. Enquanto há um ligeiro desalinhamento do HDL multi-modo na linha de baixo, ao longo da linha superior do registo é preciso <1 nm. Depois de RIE, as linhas permanecem intactos principalmente para larguras de 5 nm com dois pequenos defeitos, e as aberturas entre linhas são resolúvel para todos os padrões com os 7 furos mal resolúveis nm usando esta ferramenta de metrologia.

Figura 6
Figura 6. largura de linha e de teste holewidth. (A) STM de HDL de caixas de escritas utilizando multi-modo de HDL. O linewidth de linhas é de 21 nm, 14 nm, e de 7 nm a partir do fundo para o topo, respectivamente, e o holewidth das colunas é de 7 nm, 14 nm e 21 nm, da esquerda para a direita, respectivamente. (B) SEM dos mesmos padrões após ALD e RIE. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os limites finais do presente processo dependerá selectividade do processo de ALD, a qualidade da HDL, a resistência da máscara para gravura a água forte, e a característica desejada molda-se. Métodos para melhorar a selectividade baseado em química e mitigação defeito fundo já foi abordada anteriormente. Foi demonstrado anteriormente que deixando defeitos H nas áreas modelado reduz a qualidade do crescimento da máscara, e assim a resistência a ataque químico. 35 Além disso, a falta de controlo cuidadoso sobre as bordas com padrão de linha resulta numa máscara de "roll-off", ou excessiva thinning da máscara ao longo das bordas de padrões que actua como um efeito de proximidade estreita impedindo a colocação de padrões. Felizmente, a selectividade do processo de corrosão depende da espessura da máscara, de modo que para a deposição sobre o fundo espúrio ou defeitos ao longo das bordas de padrões, o efeito líquido é pequena. Além disso, para estruturas mais curtas do que 20 nm, mais finas camadas de máscara será provavelmente possível. Dado que o crescimento ALD ocorre de forma cogumelo, máscaras mais finas devido a estruturas mais curtos resultará no controle ainda melhor lateral e recursos menores que as demonstrado aqui. Enquanto as reduções de tamanho característica finais não são conhecidos para este processo, certamente alguns baixo-escala é provável.

Enquanto a metrologia SEM folhas incerteza sobre o tamanho do recurso e posicionamento, o primeiro passo de metrologia descrito na parte superior da Figura 1 mostra atómica precisão no que diz respeito ao padrão HDL como escrito. Uma vez que Si (100) a superfície constituída por um -H very rede regular, e uma vez que o MCT pode ser operado num modo de imagem não destrutivo, os padrões de HDL pode ser trabalhada sem induzir mais danos superficiais ou mais padrões, em contraste com outras técnicas, tais como a litografia por feixe de elétrons. Com a imagem escala atômica da estrutura invariante Si (100), a metrologia STM elimina a maior parte da incerteza de posicionamento relacionado com o AFM e SEM passos de metrologia. Na Figura 6B a matriz caixa aparece enviesada, por exemplo. Com a metrologia alta resolução do MCT dando precisão atómica das posições característica dentro da matriz, a inclinação aparente pode ser confirmada como sendo devido a artefactos de imagem SEM. Além disso, com espaçamentos altamente conhecidas precisamente entre as características da matriz, uma incerteza de calibração adicional em relação ao linewidths nas imagens de MEV é eliminado.

Este manuscrito descreve um método de nanofabricação que utiliza a precisão atômica de digitalização tunneling microscópiobaseada litografia despassivação hidrogénio (HDL). HDL produz padrões quimicamente reactivos em um de Si (100) -H superfície onde a deposição atómica camada de óxido de titânio produz uma máscara de corrosão localizada, com uma dimensão lateral demonstrou-se abaixo de 10 nm. Gravação iónica reactiva, em seguida, transfere os padrões de HDL no substrato, fazendo 17 nm com padrões de altura controle lateral elevada precisão. Para atingir estes resultados, as amostras devem ser protegidos durante a abertura e transferência entre os instrumentos. Com cuidadoso controle de manipulação da amostra, nanoestruturas com rastreabilidade para o rede atômica pode ser fabricado com precisão posição atômica e precisão ~ 1 nm de tamanho.

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Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado por um contrato de DARPA (N66001-08-C-2040) e por uma subvenção do Fundo de Tecnologia Emergente do Estado do Texas. Os autores gostariam de agradecer Jiyoung Kim, Greg Mordi, Angela Azcatl, e Tom Scharf por suas contribuições relacionadas com a camada de deposição selectiva atômica, assim como Wallace e Martin Gordon Pollock para o processamento da amostra ex-situ.

Materials

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

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