Atomicamente tracciabile nanostrutture

Engineering

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

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Abstract

Introduction

Come nanotecnologie diventa più importante in una vasta gamma di arene, la comprensione delle strutture in formazione acquista importanza, soprattutto nel settore della litografia e dell'elettronica. Per sottolineare l'importanza della metrologia su nanoscala, specificamente a scale inferiori a 10 nm, si deve ricordare che una variazione nella dimensione del tratto solo 1 nm indica una variazione frazionaria almeno il 10%. Questa variazione può avere implicazioni significative per le prestazioni del dispositivo e carattere materiale 1,2 -. 4 Utilizzando metodi di sintesi, le caratteristiche individuali costituite in modo molto preciso, quali punti quantici o altre molecole complesse possono essere fabbricati, 2,5,6 ma generalmente manca la stessa precisione in funzione posizionamento e orientamento, nonostante il lavoro verso il miglioramento dimensioni e la posizione di controllo. Questo documento dimostra un approccio per la fabbricazione di nanostrutture con precisione vicino a dimensioni atomiche e precisione atomica in funzione di collocamento, così comecon la metrologia atomico in funzione posizionamento. Utilizzando la precisione atomica di effetto tunnel Microscope (STM) di idrogeno indotto depassivazione Lithography (HDL), i modelli atomicamente precisi con contrasto chimicamente sensibile sono formati su una superficie. Selective Deposition Atomic Layer (ALD) applica quindi un materiale ossido duro nelle zone fantasia, con Reactive Ion Etching (RIE) infine trasferire i pattern nel materiale sfuso, come mostrato schematicamente in figura 1. Combinando il processo HDL altamente preciso con lo standard ALD e RIE elabora i risultati in un metodo flessibile per produrre nanostrutture su una superficie di forma arbitraria e posizionamento.

Figura 1
Figura 1. primario di nanofabbricazione Fasi del processo. Come esempio, un 200 nm x 200 nm quadrata è mostrato. Ogni freccia cerchiato indica una fase di esposizione atmosferica e tRASPORTI tra i siti. Dopo la preparazione del campione UHV, il campione è modellato utilizzando UHV HDL seguito da STM metrologia (in alto a sinistra). ALD viene quindi eseguita, seguita da AFM metrologia (a destra). RIE trasferisce i modelli in Si (100), seguita da SEM metrologia (in basso a sinistra). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

La litografia più preciso per la data di solito comporta tecniche sonda digitalizzate, patterning particolare a base di STM in cui è stata dimostrata risoluzione atomica patterning e funzionalizzazione per molte applicazioni. 7 nanostrutture In precedenza, la manipolazione atomo ha prodotto con la massima precisione utilizzando singoli atomi come mattoni, 8 , 9,10 ma le nanostrutture necessarie condizioni criogeniche e dunque mancava termine-lungo robustezza. RT manipolazione atomo rimozione di atomi di idrogeno dalla superficie è stato dimostrato, specifically HDL. 11,12,13 HDL promette di attivare nuove classi di elettronica e di altri dispositivi basati sulla localizzazione spaziale di contrasto di superficie. Utilizzando HDL senza ulteriore elaborazione, varie architetture di dispositivo sono possibili compreso penzoloni fili di collegamento o dispositivi logici. 14,15,16 Oltre a fornire contrasto elettrica, HDL può introdurre contrasto chimico della superficie dove lo strato passivante H è stato rimosso, in effetti creazione di un modello per l'ulteriore modificazione chimica. Questa modificazione chimica è stata dimostrata su silicio e altre superfici, mostrando selettività per la deposizione di metalli, 17, 18 isolanti e semiconduttori persino. 16,19 Ciascuno di questi esempi produce due strutture tridimensionali, così altre fasi di trattamento deve essere utilizzato per produrre vera tre strutture tridimensionali con il controllo atomico deliberato promesso da HDL. In precedenza, questo ha richiesto patterning ripetuto, 19,20,21 ricottura, 22 23

Simile a litografia a fascio elettronico, HDL utilizza un flusso localizzata di elettroni per esporre un resistere. Esistono ad esempio diverse analogie come la capacità di eseguire multi-mode litografia con dimensioni dello spot variabile e l'efficienza patterning. 24 Tuttavia, il vero potere di HDL nasce da come si differenzia da litografia a fascio elettronico. Innanzitutto, il resist in HDL è un monostrato di idrogeno atomico modo che resistono esposizione diventa un processo digitale; resist atomo è o non è presente. 25 Poiché il posizionamento H atomo corrisponde Si sottostante (100) reticolare il processo HDL può essere un processo atomicamente preciso, anche se va notato che in questo documento HDL ha precisione nanometrica come contrario di avere perfezione atomico e quindi non è digitale in questo caso. Poiché la sorgente di elettroni in HDL è locale alla superficie, i vari modi di funzionamento STM facilitano siaottimizzazione del throughput, così come il controllo degli errori. Al pregiudizi punta-campione sotto ~ 4,5 V, la litografia può essere eseguita a livello di atomo singolo con precisione atomica, nota come modalità Precise Atomicamente (modalità AP). Al contrario, a pregiudizi sopra ~ 7 V, gli elettroni sono emessi direttamente dalla punta al campione con linewidths ampi ed efficienze alto depassivazione, conosciuto qui come modalità Field Emission (modalità FE). Throughput HDL possono essere ottimizzate da una attenta combinazione di questi due modi, anche se i throughput complessivi rimangono piccoli rispetto a e-litografia a fascio di patterning fino a 1 micron 2 / minuto possibile. Quando la polarizzazione viene invertita in modo che il campione viene tenuto a ~ -2.25 V, elettroni tunnel dal campione alla punta a bassissima efficienza depassivazione, permettendo così l'ispezione della struttura atomica della superficie sia per la correzione degli errori e per la metrologia scala atomica .

Questo processo di fabbricazione di nanostrutture mostrato nella Figura 1 (cioè, ~ 1 monostrato) SiO 2 strati. 26 Dopo il trasporto, il campione viene inserito in una camera di ALD per la deposizione di titania (TiO 2), con spessori circa 2-3 nm depositato qui, misurata mediante AFM e XPS. 27 Poiché la reazione titania dipende da una saturazione d'acqua della superficie, questo processo è possibile nonostante l'esposizione atmosfera che satura la superficie con acqua . Successivamente, per trasferire il modello di maschera ALD nel bulk del campione è stato inciso con RIE modo che 20 nm di Si è rimosso, con la profondità di incisione determinata mediante AFM e SEM. Per facilitare passi metrologia, un Si (100) wafer è modellato con una griglia di linee che sono progettati per essere visibile dopo UHV preparazione di una distanza microscopio ottico lungo lavoro, AFM plan view imaging ottico, ebasso ingrandimento piano-view SEM imaging. Per facilitare l'identificazione delle strutture a nanoscala, modelli di 1 micron 2 serpentino (SERP) sono modellati sui campioni con i nanopatterns più isolate situate in posizioni fisse relative al SERP.

Questa combinazione di HDL, ALD selettiva, e RIE può essere un processo importante per nanostrutture, e comprende un metrologia scala atomica come sottoprodotto naturale del processo. Di seguito, includiamo una descrizione dettagliata delle fasi per fabbricare sub-10 nm nanostrutture a Si (100) utilizzando HDL, ALD selettiva, e RIE. Si presume che si è specializzata in ognuno di questi processi, ma le informazioni saranno incluse correlate come integrare i vari processi. Particolare enfasi sarà data alle difficoltà impreviste incontrate dagli autori al fine di evitare che le stesse difficoltà, soprattutto in relazione ai trasporti e metrologia.

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Protocol

1. Ex-Situ la preparazione dei campioni

  1. Preparare chip
    1. Progettazione adeguata maschera di attacco per mettere identificare i marcatori in Si (100) wafer. Utilizzando litografia ottica standard RIE, incidere una griglia di linee come punti di riferimento nel wafer da cui saranno prelevati campioni STM. Le linee dovrebbero essere di 10 micron di larghezza, 1 micron di profondità, e al passo di 500 micron. Dopo l'incisione, la striscia rimanente photoresist da campione.
      Nota: i punti di riferimento devono essere identificabili in situ per la localizzazione punta sul campione così come in AFM e SEM durante metrologia.
    2. Proteggere superficie del wafer applicando tack nastro standard blu a dadi, il lato cattivo gusto verso il basso.
    3. Wafer Dadi in chip con un diamante a punta a dadi ceramica ha visto in dimensioni appropriate per lo strumento specifico UHV-STM utilizzato per eseguire HDL. Qui, i campioni erano 8,1 millimetri x 8,1 millimetri quadrati.
  2. Dopo dadi, prepara chip per l'inserimento in strumento patterning UHV-STM delicatamentesollevando il nastro a dadi, facendo attenzione a non toccare il chip con qualsiasi strumento contenenti nichel che indurre una ricostruzione superficie sfavorevole dopo UHV prep nella sezione 2 qui sotto.
    1. Clean chip risciacquo faccia anteriore per 10 secondi ciascuno con flussi di acetone, alcol isopropilico, metanolo e acqua deionizzata, rispettivamente, mentre afferrando i lati del campione con politetrafluoroetilene (PTFE) pinzette. Infine, asciugare con ultrapuro N 2 o Ar, ancora presa con le pinzette Teflon.
    2. Chip campione Mount in portacampioni STM usando metodi appropriati per lo strumento specifico UHV-STM da utilizzare per HDL.
      1. In caso di montaggio in un portacampioni contenente nichel, tagliare le strisce tantalio foglio barriera (appx. 4 millimetri per l'altezza del campione) con le forbici in titanio. Strisce di fogli con ultrasuoni per 5 minuti ciascuna in ultrapura acetone, alcol isopropilico, metanolo e acqua DI, rispettivamente. Asciugare con ultrapuro N 2 gas copre parzialmente un bicchiere con un foglio di alluminio e iniettareing un ugello N 2 nell'apertura. Il flusso di gas fino a quando tutto il liquido è evaporato. Utilizzando le pinzette nichel liberi, forma lamina intorno finisce di campione poi morsetto a supporto del campione di isolare una parte anteriore e posteriore del campione dal supporto del campione.
    3. Dopo il montaggio, il plasma del campione pulito e supporto del campione in plasma di ossigeno per eliminare la contaminazione di carbonio. 28

2. UHV Preparazione del campione

  1. Introdurre campione nel sistema UHV via del carico di blocco o un altro metodo UHV-safe preferito in modo che l'elaborazione UHV e HDL in genere può essere inferiore a 1.3 x 10 -9 mbar (ad eccezione per il punto 2.5.1.1 qui di seguito).
  2. Degas O / N a 650 ° C, controllando la temperatura con un pirometro. Assicurarsi che la pressione della camera è entro il 25% del fondo. Nel caso qui descritto, tipiche pressioni di fondo sono di circa 4,5 x 10 -10 mbar.
  3. Degas tungsteno idrogeno screpolature filamento a 1.500 ° C per 5 minuti.Attivare le pompe titanio sublimazione, se possibile.
  4. Eseguire campione ciclo "Flash".
    1. Campione Flash mediante riscaldamento a 1250 ° C per 20 sec, monitoraggio T con pirometro e utilizzando un 10 ° C / sec riscaldamento gradiente. Non superare la pressione massima di 7 x 10 -9 mbar. Raffreddare rimuovendo corrente di riscaldamento a meno di 5 sec.
    2. Campione resto a 350 ° C per 5 min. per consentire la pressione di recuperare al basale. Ripetere 3 volte.
  5. Eseguire campione passivazione.
    1. Impostare temperatura del campione a 350 ° C utilizzando un pirometro per monitorare la temperatura. Introdurre 1,3 x 10 -6 mbar ultra-puro H 2 in camera di preparazione con valvola di tenuta.
      1. Mettere una trappola a freddo sulla linea H 2 molto vicino ad una valvola di perdita nel sistema per purificare ulteriormente H 2.
      2. Se possibile, pompare sistema con alta velocità pompa turbo invece di una pompa ionica. Questo è così la pompa ionica non contamina il campione dall'essere exposed alle alte contaminanti sotto pressione e espulsione. Le pompe sono rimessi nello stato normale dopo più l'idrogeno è stato rimosso e il campione è ancora caldo (350 ° C).
    2. Accendere tungsteno idrogeno fessurazione filamento alla temperatura di 1.400 ° C per 12 min, quindi spegnere filamento e H 2 flusso di gas. Raffreddare campione RT.

3. Scanning Tunneling Microscopy e litografia

  1. Trasferimento del campione a STM, e portare campione e punta STM in gamma tunneling. Utilizzo di una fotocamera con risoluzione di potere di meglio di una dimensione dello spot di 20 micron, prendere ad alta risoluzione ottica di giunzione punta-campione. Raddrizza e ridimensionare l'immagine ottica in modo che rappresenti una riproduzione non distorta dei punti di riferimento.
  2. Rimuovere qualsiasi illuminazione per ridurre le instabilità termiche del sistema. Determinare la qualità della superficie.
    1. Utilizzando tecniche convenzionali di STM con il campione di polarizzazione di -2.25 V e 200 pA, identificare il intorpiditoer di difetti sulla superficie.
    2. Se i difetti superficiali sono al di sotto livelli accettabili, passare alla fase successiva. I livelli massimi accettabili dei difetti sono seguiti: legami liberi di 1%; Posti vacanti Si del 3%; contaminanti di 1%.
  3. Design Patterns HDL da produrre, includendo sia i modelli sperimentali e di grandi dimensioni (1 micron x 1 micron) modelli di identificazione serp. I modelli SERP devono essere compilati con una lunga asse di vettore perpendicolare all'asse previsto scansione AFM veloce, con un passo di 15-20 nm. Frattura modello generale in forme fondamentali per definire il percorso seguito dalla punta quando si applica condizioni di HDL. 24
  4. Utilizzando uscite vettore dal passaggio precedente, eseguire HDL utilizzando la modalità FE litografia per grandi aree con il campione di polarizzazione di 7-9 V, corrente di 1 nA, e 0,2 mc / cm e AP litografia modalità per piccole aree o quelle aree che richiedono bordi precisione atomica . 24
    1. Determinare ottimali AP condizioni modalità litografia di performing HDL con una varietà di condizioni di polarizzazione del campione compresa tra 3,5 e 4,5 V, corrente che vanno da 2 a 4 nA, e la linea dosaggi compresi fra 2 e 4 mC / cm. Scegliere le condizioni che producono la più stretta linea completamente depassivata.
  5. Eseguire STM metrologia sulle aree HDL modellata volute da immagini a -2.25 V campione pregiudizi e 0,2 nA corrente di tunnel.
    1. [Opzionale] Eseguire la correzione degli errori. Dopo STM metrologia, confrontare modello depassivazione nelle immagini STM con il modello desiderato dal punto 3.5. Se le aree mostrano insufficiente formazione del legame penzoloni, ripetere il ciclo litografia in quelle zone.
  6. Dopo aver completato STM HDL, disimpegnarsi punta da campione, e passare del campione per caricare serratura.
  7. Vent e rimuovere il campione. Durante vent con ultrapuro N 2, proteggere campione contattando con inerti, substrato piana come zaffiro pulita. 29 Dopo la protezione delle superfici, chiudere le valvole a qualsiasi pompe poi introducono sfogo gas quicKly possibile. Rimuovere campione dal sistema.

Trasporti 4. Campione

  1. Rimuovere campione dal blocco del carico. Rilasciare campione dal supporto del campione, inclusa la rimozione dei pezzi foglio barriera, se possibile. Utilizzando PTFE (o Ti) pinzette, spostare campione trasportatore, mantenendo lato anteriore di campione protetta, cercando di mantenere l'esposizione atmosfera per meno di 10 min.
  2. Installare il coperchio su campione e vagamente assemblare un teletrasporto campione pressurizzato. Sciacquare con ultrapuro Ar per 1 min. Non evacuare sistema in qualsiasi momento, o potrebbero verificarsi danni alla superficie. 29 Infine, transporter campione sigillo con una piccola pressione positiva (~ 50-100 mbar) di Ar in modo che il campione rimane stabile per un massimo a un mese.

5. Atomic Layer Deposition

  1. Assicurarsi che il ALD è alla temperatura di deposizione corretta (100 ° C). Aumentare lentamente la pressione argon nella camera ALD fino a raggiungere la pressione atmosferica.
  2. Camera aperta ALD.
  3. Aprire transporter campione e trasferire rapidamente alla camera ALD usando un paio di pinzette PTFE afferrare il campione sul bordo, quindi chiudere la camera di ALD e spurgare utilizzando un flusso di argon ad una pressione di <2 × 10 -1 mbar per 1 ora degassare i campione. Impostare un processo per eseguire 80 cicli ripetuti di ALD a crescere 2,8 nm di titanio amorfo.
    1. Utilizzando un sistema non modificato ALD commerciale ad una temperatura del campione di 100-150 ° C, con tetracloruro di titanio (TiCl 4) e acqua (H 2 O) come precursori eseguono deposizione con reagenti a pressioni di 0,3 mbar e 0,8 mbar, con tempi di impulso di 0,1 sec e 0,05 sec, rispettivamente. 27
    2. Dopo ogni impulso gas, spurgare il reattore con Ar per 60 secondi a 0,2 mbar per garantire sfondo minimal deposizione a causa di reagenti physisorbed. Per le maschere in questo lavoro, 80 cicli ALD vengono adibite alla coltivazione di circa 2,8 nm di titanio amorfo a 100 ° C.
    3. Lentamente vent camera a ALD gas Ar e aperto. Ripetere i punti 4.1 e 4.2 per il trasporto del campione.

    6. microscopia a forza atomica (AFM)

    1. Garantire la corretta calibrazione del AFM secondo il protocollo del produttore. Aprire campione trasportatore e rimuovere delicatamente esempio utilizzando una pinzetta.
    2. Dopo aver rimosso dal trasportatore, installare saldamente il campione nella AFM utilizzando un metodo di montaggio meccanico come un sistema di bloccaggio, se possibile. Fuoco la videocamera AFM sul campione, e individuare le marcature fiduciali sulla superficie del campione per allineare la punta AFM al modello basato sulla metrologia ottica nel passo 3.2.
    3. Verificare che le impostazioni AFM mostrerà sia le informazioni di altezza e la fase e impostare il formato di scansione per essere tra 20 e 40 micron di larghezza. Inserire la punta AFM sul campione.
    4. Utilizzando le informazioni di altezza e la fase a più alta risoluzione, scansione fino a quando sono identificati regione modelli di localizzazione. Zoom in re fantasiagione e localizzare la regione in cui si desidera un'immagine.
    5. Prendere un'immagine delle regioni desiderati utilizzando la qualità dell'immagine e la risoluzione appropriate (tipicamente la più alta possibile). Una volta che tutte le regioni desiderati sono stati sottoposti a scansione, staccare la punta dal campione. Scaricare il campione. Ripetere i punti 4.1 e 4.2 per il trasporto del campione.

    7. Reactive Ion Etching

    1. Raffreddare reattore RIE capacitivamente accoppiato a -110 ° C, quindi caricare il campione nella sua camera intro e pompa fino a 7,5 x 10 -6 mbar.
      1. Stabilizzare la temperatura per 3 min. Poi accendere il gas con portate di O 2 a 8 SCCM (centimetri cubici standard al minuto), Ar a 40 sccm, e SF 6 a 20 sccm.
      2. Plasma colpo usando una scarica RF 150 W, quindi modificare il flusso di gas a etch per 1 min usando SF 6 a 52 sccm e O 2 a 8 sccm. Interazione di tali gas con Si inciderà ad una velocità di circa 20 nm / min. 30
      3. Pompa a vuoto a 7,5 x 10 -6 mbar. Vent sistema RIE. Ripetere i punti 4.1 e 4.2 per il trasporto del campione.

    8. microscopia elettronica a scansione (SEM)

    1. SEM montaggio del campione e l'introduzione del campione sistema.
      1. Mettere campione non adesivo di montaggio in una posizione strategica per facilitare il montaggio del campione.
      2. Aprire campione trasportatore e rimuovere delicatamente campione con una pinzetta per afferrare il campione per i bordi e sicuro installare in SEM monte, quindi introdurre il montaggio campione in SEM.
      3. Vent e aperto camera SEM. Trovare e installare il gruppo campione sul palco del campione SEM. Pump down camera di SEM.
    2. Individuare i fiducial.
      1. Portare l'ingrandimento al più basso valore possibile. Selezionare le impostazioni correnti di accelerazione della tensione e del fascio che darebbero una buona risoluzione. Iniziare con basse impostazioni accettabili. Salite in base alle esigenze.
      2. Attivare il fascio di elettroni. Portare la regione in generaledi interesse per distanza di lavoro consigliata e l'altezza eucentrica.
      3. Individuare e concentrarsi su fiducials descritte nella sezione 1.1. Regolare la distanza di lavoro, se necessario. Ottimizzare la messa a fuoco, la luminosità e il contrasto.
    3. Individuare e immagine dei modelli.
      1. Relativamente ai fiduciali, individuare i modelli basati sulla metrologia ottica di sezioni 3.2 e AFM metrologia sezione 6. Per minimizzare la deposizione di carbonio sui modelli, ottimizzare messa a fuoco utilizzando vicine funzioni non essenziali. Una volta ottimizzato, per passare a modelli e acquisire pianificare visualizzare immagini e misurazioni.
      2. Se necessario, inclinare il campione per le immagini 3D e misure di altezza del modello. Per gli altri modelli, ripetere da 8,3 a seconda delle necessità.
    4. Eseguire SEM routine di chiusura del sistema e smontare campioni / s, come prescritto dal costruttore SEM. Fissare il campione di nuovo nel teletrasporto.
    5. Ripetere i punti 4.3 e 4.4 per il trasporto e lo stoccaggio del campione. A questo punto, i campioni sono robusti e possonoessere conservati per un periodo di tempo indefinito. Eseguire post-immagini analizza se necessario.

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Representative Results

Nei casi descritti, HDL viene eseguita utilizzando multi-mode litografia. 24 In modalità FE, eseguita con 8 V polarizzazione del campione, 1 nA, e 0,2 mc / cm (equivalente a 50 nm / sec di velocità di punta), la punta si muove sopra la superficie parallelamente o perpendicolarmente al reticolo Si, producendo linee di depassivazione. Mentre questa forma di riga è molto punta dipendente, nel caso di specie, la porzione completamente depassivata delle linee è di circa 6 nm di larghezza, con code di depassivazione parziale estendere un'altra 2 nm su entrambi i lati della linea. Quando i modelli di alta precisione sono desiderati, modalità AP litografia viene eseguita utilizzando 4 V di polarizzazione del campione, 4 nA, e 4 mc / cm (equivalente a 10 nm / sec di velocità di punta). L'entità della componente modalità AP di ogni modello dipende dalla larghezza dei modelli parzialmente depassivata prodotte utilizzando la modalità FE. Vedere Figura 2 per gli esempi di immagini STM di modelli su Si (100) -H per i vari modi di HDL. Figura 2A mostra un piccolo pattern prodotta utilizzando unicamente il modo AP HDL. Figura 2B è un esempio di un modello scritto usando multimodale litografia, dove le linee modalità FE erano larghi circa 6 nm, ma sono stati scritti su un campo 10 nm, con circa 2 nm di ciascun bordo scritto utilizzando la modalità AP HDL. Le porzioni modalità FE nell'interno del modello sono stati scritti su un campo di 10 nm, quindi non ci sono regioni stretti all'interno del modello dove HDL era incompleta. Per grandi, modelli imprecisi modalità FE può essere usato da solo, come in Figura 2C in cui un modello di circa 1 micron 2 serp era scritto su un passo di 20 nm.

Figura 2
Figura 2. modelli Rappresentante HDL. (A) Immagine STM di un modello di HDL scritto con modalità AP litografia 4V, 4 nA, e 4 mc / cm (10 nm / sec). (B) Immagine STM di un multi-mode HDL modello scritto utilizzando una combinazione di modalità AP e modo FE (8V, 1 nA, 0,2 mc / cm). La linea modalità passo FE è stato scelto per essere leggermente più grande della larghezza di riga scritta per migliorare la visibilità dei vettori utilizzati per iscritto. Modalità (C) FE litografia di un grande localizzatore SERP scritta su un campo di 20 nm. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Al fine di ottenere la migliore produzione maschera utilizzando modelli HDL atomicamente precisi, un elevato grado di selettività deve essere possibile. In precedenza, la selettività ALD è stato studiato per XPS e altri metodi a confronto deposizione su nanostrutturata Si (100) -H e Si (100) -SiO x superfici come analoghi per le aree nanostrutturata e fantasia, rispettivamente. 27,31 Uso forza atomica microscopia (AFM), osserviamo risultati simili, come mostrato in figura 3

Figura 3
Figura 3. Selettività di deposizione. Immagine (A) AFM campione mostra TiO2 deposizione sulle aree a motivi geometrici e di sfondo. Deposizione è stata effettuata a 100 ° C. profondità (B) deposizione per vari numeri di cicli. Le croci rappresentano l'altezza misurata mediante AFM della crescita "a pattern" rispetto allo sfondo. I cerchi aperti indicano l'altezza misurata dal AFM delle più alte sfondo deposito in uno spazio di 200 nm x 200 nm nei pressi di una zona modellata. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Dato che è possibile depositare sul HDL patterns, ricerca di limiti di funzioni di ripetizione dovrebbe essere esaminato. Mentre è già stato dimostrato che l'ALD produce ampliato schemi relativi ai modelli HDL, e che le strutture incise sono leggermente ridotto rispetto alle maschere, l'effetto di produrre schiere ad alta densità rimane ancora piuttosto irrisolto. La Figura 4 mostra la HDL, titania maschera, e le strutture incise per una serie di quadrati fabbricati con modalità FE linee HDL scritte con un passo di 15 nm. Nella Figura 4A, il modello HDL mostra due serps -one ruotato di 90 gradi rispetto all'altro, scritto con una polarizzazione 8 V punta-campione, 1 corrente nA, e 0,2 mC cm dosi / (o 50 nm / sec di velocità di punta) . Ci sono chiaramente aperture nel modello di varie dimensioni. All'interno delle aperture stesse, alcune HDL è verificato, ma rimane bassa dell'ordine di rimozione 20% H. La figura 4B mostra un'immagine AFM dello stesso modello dopo maschera deposizione. Grazie alla punta convolueffetti zione, le aperture nel modello sono difficili da risolvere. Tuttavia, un ordine chiaro è osservabile. Figura 4C è un'immagine SEM dello stesso modello dopo RIE. Circa il 60% delle aperture desiderati sono stati effettivamente trasferiti nel substrato, indicando che queste dimensioni modello e la densità è di circa il limite per la fabbricazione di nanostrutture efficace utilizzando la modalità FE HDL.

Figura 4
Figura 4. Array di aperture. (A) STM di HDL con righe scritte utilizzando la modalità FE. Due reticoli serpentina, ruotato di 90 gradi rispetto all'altro, sono scritti con un passo di 10 nm. (B) AFM immagine dopo 2,8 nm di ALD di TiO 2 dello stesso modello. (C) SEM di "buco" matrice dopo RIE per rimuovere 20 nm di Si. Si noti che alcuni "buchi" non sono riusciti a incidere.Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Esecuzione di metrologia sulle nanostrutture sopra descritti richiede la capacità di colmare il posizionamento punta durante HDL e modello posizione utilizzando altri strumenti come AFM e SEM. A differenza di altri strumenti di patterning ben sviluppati con codifica posizione ad alta risoluzione, come l'e-litografia, l'HDL esibiti qui è stata eseguita con un STM senza posizionamento grossolano ben controllata, così sono stati utilizzati i protocolli di identificazione di posizione in più, come mostrato in figura 3 . In primo luogo, un microscopio a lunga lunghezza focale è posizionato al di fuori del sistema UHV circa 20 cm dalla giunzione punta-campione. Il campione è modellata con una griglia quadrata di 10 micron linee larghe, 1 micron di profondità, su un campo di 500 micron per facilitare l'identificazione della posizione punta sulla superficie.

Figura 5
Immagini Figura 5. Motivo localizzazione di samp le. (A) Ottica dell'immagine STM punta (a sinistra) e il suo riflesso (a destra) nella superficie di Si (100) su una superficie di campione con 500 micron passo linea del modello. Le linee sono 1 micron di profondità e 10 micron di larghezza prima UHV elaborazione. Le linee guida sono inclusi per indicare altresì le direzioni di linea. (B) Close-up, de-distorta ottica dell'immagine della punta (in basso a sinistra) e il suo riflesso (in alto a destra). La posizione punto centrale tra la punta e il suo riflesso viene identificato all'interno del 500 micron x 500 micron quadrati fiduciale C:. Primo piano di posizione patterning con uno spot di 50 micron incluso per la scala D:. 5 micron x 5 micron immagine AFM di un'intera area modellata dopo ALD E:.. 1 micron x 1 micron SEM immagine di uno dei modelli di localizzatore dopo RIE Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

e_content "> Il primo passo per localizzare nanostrutture è identificare la posizione punta sulla superficie, 32,33 che si realizza in questo caso utilizzando un microscopio a lunga distanza di lavoro. Figura 5A mostra un'immagine ottica della punta quando è impegnato con il campione, con linee tratteggiate aggiunto per guidare il lettore per le direzioni della griglia fiducial. Per individuare la giunzione punta / campione dell'immagine ottica è unskewed per fare una griglia quadrata, come mostrato nella Figura 5B, anche se vi sono errori di trattamento ad alta temperatura dei campioni causa significativa migrazione atomo superficie. Questo riduce la profondità e la visibilità della griglia fiducial come immaginato qui, aumentando l'incertezza nella posizione della punta. 32 Mentre è stato dimostrato in precedenza che l'elaborazione del campione ad alta temperatura indurrà significativa ricostruzione superficiale scala atomica, la passo griglia utilizzata qui è abbastanza grande per avere scarso effetto sulla ricostruzione superficiale nel mezzo del squared definita dalla griglia. 34 Tuttavia, in prossimità dei bordi delle aree modellate, passo raggruppamento si verifica con asimmetria che dipende dalla direzione del flusso di corrente durante la preparazione del campione. 34 Poiché l'imaging ottico è effettuata ad un angolo obliquo rispetto alla superficie , piccole variazioni di altezza su un lato di una trincea rispetto all'altro indurranno ulteriore incertezza nel modello di posizione, soprattutto se confrontato con piano a vista imaging in AFM o normale SEM. Dopo la punta impegna il campione, il 10 micron dimensione del punto focale del microscopio insieme con i ~ 20 micron post elaborazione risultati larghezza di riga di riferimento nel un'incertezza approssimativo in identificazione della posizione del modello di ± 27 micron. Questo definisce la finestra di ricerca per l'utilizzo di varie tecniche per l'identificazione del modello.

Per facilitare il percorso dei minori 10-100 nm Caratteristiche, ulteriori ampi SERP sono aggiunti in prossimità dei modelli su scala nanometrica, uns mostrato in Figura 5B. Questi serps 800 nm x 800 nm sono scritti utilizzando la modalità FE HDL con linee verticali e le lacune di 15 nm ciascuno. Allineando la direzione di scansione veloce AFM sia perpendicolare alle linee SERP (cioè, scansione orizzontale), questi schemi tendono a mostrare un alto contrasto dell'immagine di fase AFM in causa dell'elevata frequenza spaziale della topografia, facilitando ulteriormente posizione pattern. Una volta che questi modelli si trovano, diventa molto più facile per trovare i modelli più piccoli su scala nanometrica che sono posti con circa 100 nm accuratezza rispetto ai grandi modelli.

Per questo processo di fabbricazione di nanostrutture, il campione subisce esposizione atmosferica tra ciascun passo importante processo una volta HDL è stato eseguito, come mostrato schematicamente in figura 1. Detto questo, si deve garantire che il campione non si degrada in qualsiasi punto nella gestione. Come mostrato sopra, vi è una quantità finita di sfondo deposizione durante ALD, che si presume sementi su siti difetto di fondo. 31 Così, uso improprio come l'esposizione atmosfera estesa può aumentare il numero di difetti di fondo e di ridurre l'ALD selettività apparente. Un meccanismo di degrado superficiale aggiuntivo può verificarsi durante l'apertura del campione dal carico-lock UHV alle condizioni atmosferiche. 29 Per alleviare questo problema, un chip zaffiro molla che è stato montato su un attuatore lineare in UHV entra in contatto per la spessa 125 micron campione pellicola che contatti il ​​campione per prevenire il degrado superficie di montaggio. Una volta che il campione è in condizioni atmosferiche, il tasso di accumulazione legame penzoloni rimane basso (cioè, <0,1% / hr) per almeno diverse ore, così finché il campione viene inserito in un ambiente stabile come ultra-pura Ar entro meno di 1 ora, il fondo aggiuntivo di deposizione a causa di danni alla superficie dovrebbe rimanere basso. A questo punto, si deve notare che il campione non deve essere storato in un ambiente sotto vuoto, in quanto ciò richiede un ciclo di spurgo / pump-down supplementare, aggiungendo la possibilità di danni superficiali. Questo tempo tra HDL e ALD è il punto in cui il campione è più sensibile dato che non è ancora stata applicata la maschera etch. Dopo ALD, il campione deve ancora protezione, ma solo per prevenire la crescita maschera aggiuntiva dovuta alla formazione di biossido di silicio, un processo relativamente lento.

Nei modelli mostrati nella figura 4, il HDL rimosso> 80% dello sfondo H all'interno del centro dei modelli, con un roll-off spaziale nella efficienza della depassivazione viene raggiunto il bordo della linea. 24 Dati i limiti di molto limitato ALD sullo sfondo e l'incubazione libera crescita su modelli completamente depassivata (Figura 3), i bordi dei modelli FE modalità in cui vi è una transizione da HDL pienamente efficace e non HDL, mostrano una transizione dell'efficacia della crescita maschera ALD. Sotto il 70% rimozione H duranteHDL è dove questa transizione inizia a verificarsi, indicando una regione approssimativa di ~ 2 nm su ciascun lato di una linea modalità FE dove si verifica parziale maschera deposizione. 35 Inoltre, la crescita ALD avviene in maniera "fungo", 36 ampliare ulteriormente la maschera relativa ai modelli HDL in modo che una maschera di 2,8 nm allarga tutte le caratteristiche maschere in misura corrispondente. Per riassumere, la larghezza di riga ALD può essere espresso come W m = W sat + f (d H) + M dove W m è la larghezza totale, W SAT è la larghezza della linea in cui la HDL ha saturato rimuovere> 70% della superficie H, f (d H) è la larghezza aggiuntiva dovuta alla crescita in ogni punto a causa della densità di H che rimane sulla superficie, e M è la larghezza di riga aggiuntiva dovuta alla proliferazione di crescita. d H dipende dalla distanza spaziale dal bordo saturodel modello HDL, quindi f (d H) diventa f (r) poiché non vi è dipendenza spaziale della HDL. Di questi termini, W sedeva interpreta il ruolo primario nella larghezza di riga generale, e gli altri termini determinare il livello di roll-off dei bordi di linea.

Con l'ultimo nanostrutture, la maschera ALD da solo non determina la dimensione totale funzionalità. Invece, il formato del modello dipende dal grado di erosione del substrato sotto la maschera. La larghezza di riga inciso totale è espresso in W t = W m - W e = W sat + f (r) + M - W e, dove W e indica una larghezza di riga erosione o riduzione delle dimensioni del modello a causa del processo di incisione. Questo dipende, tra l'altro, lo spessore e la qualità della maschera etch come descritto sopra per W m. Fo un caso in cui la larghezza di riga richiede semplicemente la rimozione della maschera prima che si verifichi l'incisione, il termine e W è zero, tuttavia si osserva che vi è una modifica della dimensione del tratto dopo incisione rispetto alla forma della maschera, suggerendo che dinamiche più complicati in gioco.

Degli elementi determinanti limitazioni larghezza di riga, W seduta può essere ridotta ad una larghezza minima di ~ 4 nm prima che la crescita ferma appare la stessa massa ALD. 35 degli altri elementi l'effetto di crescita dei funghi, M (e di conseguenza W m) , può essere ridotta soltanto se lo spessore totale della pellicola è ridotta, correla con l'altezza nanostruttura totale dopo incisione. La linea effetto dovuto alla dipendenza spaziale della densità di H che rimane sulla superficie ampliare, f (d H), può essere ridotta quasi a zero utilizzando multi-modalità HDL che produce linea HDL bordi con trascurabili line edge roll-off. 24 Per dimostrare l'effetto di questa riduzione f (d H), la figura 6 mostra una matrice di modello di quadrati prodotte utilizzando multimodale HDL. L'array comprende modelli con linewidths HDL di 7 nm, 14 nm e 21 nm da cima a fondo, e HDL interne dimensioni di 7 nm, 14 nm e 21 nm apertura da sinistra a destra. Mentre vi è un leggero disallineamento del HDL multimodale nella riga inferiore, lungo la fila superiore della registrazione è preciso <1 nm. Dopo RIE, le linee rimangono essenzialmente intatto larghezze di 5 nm con due piccoli difetti, e le aperture tra linee sono risolvibili per tutti i modelli con 7 fori malapena risolvibili nm usando questo strumento di misura.

Figura 6
Figura 6. linewidth e prova holewidth. (A) STM di HDL di scatole scritte utilizzando multi-mode HDL. Il linewidth di righe è 21 nm, 14 nm, e 7 nm dal basso verso l'alto, rispettivamente, e il holewidth delle colonne è 7 nm, 14 nm e 21 nm da sinistra a destra, rispettivamente. (B) SEM degli stessi modelli dopo ALD e RIE. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

I limiti ultimi di questo processo dipendono selettività del processo ALD, la qualità della HDL, la resistenza della maschera per incisione, e la funzione desiderata stessi forme. Metodi per migliorare la selettività sulla base di chimica e di mitigazione sfondo difetto è già stato affrontato in precedenza. È stato precedentemente dimostrato che lasciare difetti H nelle zone fantasia riduce la qualità della crescita maschera, e quindi la resistenza all'attacco. 35 Inoltre, la mancanza di un attento controllo sui bordi modellati linea comporta una maschera "roll-off", o eccessivo thinning della maschera lungo i bordi dei disegni che agisce come un effetto di prossimità impedire vicina di modelli. Fortunatamente, la selettività del processo di attacco dipende dallo spessore maschera, in modo per la deposizione spurie sullo sfondo o difetti lungo i bordi dei disegni l'effetto netto è piccola. Inoltre, per le strutture più corte di 20 nm, livelli maschera più sottili sarà probabilmente possibile. Poiché la crescita ALD avviene in modo funghi, maschere più sottile per strutture più brevi si tradurrà nel controllo anche laterale e caratteristiche piccole di quelle dimostrato qui. Mentre le riduzioni finali di dimensione caratteristica non sono noti per questo processo, certamente un po 'di demoltiplicazione è probabile.

Mentre metrologia SEM lascia incertezza sulla dimensione del tratto e posizionamento, il primo passo metrologia descritto in alto nella figura 1 dà precisione atomica in relazione al modello di HDL come scritto. Poiché la (100) superficie -H Si compone di una very reticolo regolare, e poiché il STM può funzionare in una modalità di imaging non distruttiva, i modelli HDL può essere ripreso senza indurre ulteriore superficie danneggiata o ulteriori patterning, a differenza di altre tecniche come litografia a fascio elettronico. Con la scala di imaging atomica del reticolo invariante Si (100), la metrologia STM elimina la maggior parte delle incertezze di posizionamento relativo alla AFM e SEM passi metrologia. Nella Figura 6B matrice scatola appare distorta, per esempio. Con l'alta risoluzione metrologica della STM dare precisione atomica delle posizioni funzionalità all'interno della matrice, l'inclinazione apparente può essere confermato per essere a causa di artefatti di imaging SEM. Inoltre, con spaziature altamente noti con precisione tra le caratteristiche di matrice, una incertezza calibrazione aggiuntivo rispetto al linewidths nelle immagini SEM è eliminato.

Questo manoscritto descrive un metodo nanofabbricazione che utilizza la precisione atomica del microscopio a scansione tunnelbasata su litografia idrogeno depassivazione (HDL). HDL produce modelli chimicamente reattivi su Si (100) superficie -H dove deposizione strato atomico di titania produce una maschera etch localizzata con una dimensione laterale dimostrato scende sotto 10 nm. Ioni reattivi trasferisce i modelli HDL nel substrato, rendendo 17 schemi alti nm con controllo laterale alta precisione. Al fine di raggiungere questi risultati, i campioni devono essere protetti durante l'apertura e il trasferimento tra strumenti. Con un attento controllo della gestione del campione, nanostrutture con riferibilità al reticolo atomico possono essere fabbricate con precisione la posizione atomico e ~ precisione 1 nm formato.

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Acknowledgments

Questo lavoro è stato sostenuto da un contratto da DARPA (N66001-08-C-2040) e da una sovvenzione da parte del Technology Fund Emerging dello Stato del Texas. Gli autori vorrebbero riconoscere Jiyoung Kim, Greg Mordi, Angela Azcatl, e Tom Scharf per i loro contributi relativi al selettivo strato deposizione atomica, così come Wallace Martin e Gordon Pollock per l'elaborazione del campione 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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