Atomiquement traçable nanostructures Fabrication

Comme la nanotechnologie devient plus important dans une grande variété d'arènes, la compréhension des structures étant formé gagne en importance, notamment dans les domaines de la lithographie et de l'électronique. Pour souligner l'importance de la métrologie à l'échelle nanométrique, en particulier à des échelles inférieures à 10 nm, il convient de souligner qu'une variation de la taille de la fonction de seulement 1 nm indique une variation fractionnaire au moins 10%. Cette variation peut avoir des implications importantes pour les performances de l'appareil et de caractère matériel ^{1,2 -. 4} Utilisation de méthodes de synthèse, les caractéristiques individuelles formées très précisément tels que les points quantiques ou d'autres molécules complexes peuvent être fabriqués, ^2,5,6 mais manquant généralement la même précision dans le placement de fonctionnalité et de l'orientation, malgré les travaux en vue d'améliorer la taille et le placement de contrôle. Ce document démontre une approche pour la fabrication de nanostructures avec une précision proche de taille atomique et une précision atomique en fonction de placement, ainsi quemétrologie atomique dans fonctionnalité de placement. Utilisation de la précision atomique du microscope à effet tunnel (STM) induite par l'hydrogène Dépassivation Lithographie (HDL), les modèles atomiquement précis avec un contraste sensibles aux produits chimiques sont formées sur une surface. Atomic Layer Deposition sélective (ALD) applique ensuite un matériau d'oxyde dur dans les zones à motifs, avec Reactive Ion Etching (RIE) à transférer finalement les motifs dans la matière en vrac, comme représenté schématiquement sur ​​la figure 1. La combinaison du procédé de HDL très précis avec la norme ALD et RIE traite résultats dans une méthode flexible pour produire des nanostructures sur une surface de forme arbitraire et positionnement.

Figure 1. nanofabrication primaire étapes de processus. A titre d'exemple, un carré de 200 x 200 nm nm est représentée. Chaque flèche circulaire indique une étape de l'exposition atmosphérique et tRANSPORT entre les sites. Après UHV préparation des échantillons, l'échantillon est modelée en utilisant UHV HDL suivi par STM métrologie (en haut à gauche). ALD est ensuite réalisée, suivie par l'AFM métrologie (à droite). RIE transfère les modèles en Si (100), suivie par SEM métrologie (en bas à gauche). S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

La lithographie la plus précise à ce jour implique généralement des techniques de sonde numérisées, modélisation basée STM-spécifiquement où la résolution atomique structuration et la fonctionnalisation a été démontrée dans de nombreuses applications. ⁷ nanostructures Auparavant, la manipulation de l'atome a produites avec une précision ultime en utilisant des atomes individuels comme blocs de construction, ^{8 , 9,10} mais les nanostructures nécessaires conditions cryogéniques et donc manqué à long terme de robustesse. RT atome manipulation par élimination d'atomes d'hydrogène à partir de la surface a été montré, Spécifiquesly HDL. ^11,12,13 HDL promet pour permettre de nouvelles classes d'appareils électroniques et d'autres basés sur la localisation spatiale de contraste de surface. Utilisation de HDL sans traitement ultérieur, diverses architectures de dispositif sont possibles y compris balançant fils de connexion ou des dispositifs logiques. ^14,15,16 En plus de fournir contraste électrique, HDL peut introduire contraste chimique sur la surface où la couche de passivation de H a été enlevée, en effet création d'un modèle pour une autre modification chimique. Cette modification chimique a été démontrée sur silicium et d'autres surfaces, montrant la sélectivité pour le dépôt de métaux, ^{17, 18} et isolants semi-conducteurs même. ^16,19 Chacun de ces exemples produit deux structures tridimensionnelles, afin que les autres étapes de traitement doit être utilisé pour produire trois vrai structures tridimensionnelles avec le contrôle atomique résolu promis par HDL. Motif répété précédemment, ce qui a nécessité, ^19,20,21 recuit, ²² </suprocessus p> ou moins bien résolus tels que e-faisceau en fonction de la pointe-dépôt induite. ²³

Semblable à la lithographie électronique, HDL utilise un flux d'électrons localisée pour exposer une résister. Plusieurs similitudes existent tels que la capacité d'effectuer multi-mode lithographie avec la taille du spot variable et l'efficacité de la structuration. ²⁴ Cependant, la véritable puissance de HDL se pose de la façon dont elle diffère de la lithographie par faisceau d'électrons. Tout d'abord, la réserve du HDL est une monocouche d'hydrogène atomique sorte que résister à l'exposition devient un processus numérique; la réserve atome soit est ou non présent. ²⁵ Depuis le placement H atome correspond à la Si sous-jacent (100) Lattice le processus de HDL peut être un processus atomique précise, mais il convient de noter que dans ce document, le HDL a une précision nanométrique comme plutôt que d'avoir la perfection atomique et donc est pas numérique dans ce cas. Étant donné que la source d'électrons en HDL est local à la surface, les différents modes de fonctionnement de faciliter à la fois STMoptimisation de débit ainsi que la vérification des erreurs. À biais pointe échantillons ci-dessous ~ 4,5 V, la lithographie peut être effectuée au niveau de l'atome simple avec une précision atomique, connu sous le nom Atomiquement mode précis (mode AP). En revanche, au-dessus des préjugés ~ 7 V, des électrons sont émis directement à partir de la pointe de l'échantillon avec des largeurs de ligne de large et de haute efficacité Dépassivation, connus ici comme le mode Field Emission (mode FE). Débits HDL peuvent alors être optimisés en combinaison judicieuse de ces deux modes, bien que les débits globaux restent faibles par rapport à l'e-lithographie par faisceau avec un motif jusqu'à 1 pm ² / minute possible. Lorsque la polarisation est inversée de sorte que l'échantillon est maintenu à ~ -2.25 V, électrons tunnel de l'échantillon à la pointe avec une très faible efficacité de dépassivation, permettant ainsi l'inspection de la structure atomique de la surface à la fois pour la correction d'erreur et atomique métrologie à grande échelle .

Ce procédé de fabrication de nanostructures représenté sur la figure 1 </strong> commence par une étape UHV-HDL, de la manière décrite ci-dessus. Après HDL, l'échantillon est mis à l'atmosphère, au moment où les zones à motifs deviennent saturés avec de l'eau, formant une fine (ie, ~ 1 monocouche) couche de SiO _2. ²⁶ Après le transport, l'échantillon est inséré dans une chambre d'ALD pour le dépôt de l'oxyde de titane (TiO _2), avec des épaisseurs d'environ 3.2 nm déposée ici, mesurée par AFM et XPS. ²⁷ Etant donné que la réaction de l'oxyde de titane dépend d'une saturation en eau de la surface, ce procédé est possible, malgré l'exposition de l'atmosphère qui sature la surface avec de l'eau . Ensuite, pour transférer le motif de masque d'ALD dans la masse de l'échantillon a été gravé en utilisant RIE de sorte que 20 nm de Si est retiré, avec la profondeur de gravure déterminé par AFM et SEM. Afin de faciliter les étapes de métrologie, un rapport Si (100) plaquette est modelée avec une grille de lignes qui sont conçus pour être visible après UHV préparation par un microscope optique à longue distance de travail, AFM vue en plan imagerie optique, etfaible grossissement vue en plan SEM imagerie. Pour aider à identifier les structures à l'échelle nanométrique, les modèles 1 pm ² serpentines (SERPs) sont calqués sur les échantillons avec les nanoschémas plus isolées situées à des endroits fixes par rapport à la SERPs.

Cette combinaison de HDL, ALD sélective, et RIE peut être un processus important pour nanostructure fabrication, et il comprend une métrologie à l'échelle atomique comme un sous-produit naturel du processus. Ci-dessous, nous incluons une description détaillée des étapes pour fabriquer des sous-nanostructures 10 nm de Si (100) en utilisant HDL, ALD sélective, et RIE. On suppose que l'on est homme de chacun de ces procédés, mais l'information sera incluse lié à la manière d'intégrer les divers processus. Une attention particulière sera accordée aux difficultés inattendues rencontrées par les auteurs afin d'éviter que les mêmes difficultés, en particulier celles liées au transport et à la métrologie.