Atomicamente tracciabile nanostrutture

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. 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 </sup> o meno ben risolto processi come l'e-beam punta a base di deposizione indotta. 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 </strong> inizia con una fase UHV-HDL, come descritto sopra. Dopo HDL, il campione viene scaricato all'atmosfera, momento in cui le aree modellate diventano saturi con acqua, formando un sottile (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.