Atomically Spårbar nanostruktur Fabrication

Som nanoteknik blir allt viktigare i en mängd olika arenor, förstå de strukturer formas vinster betydelse, särskilt på områden av litografi och elektronik. För att understryka vikten av metrologi på nanonivå, särskilt på skalor under 10 nm, bör det påpekas att en variation i karaktäristisk storlek på endast 1 nm indikerar en bråk variation åtminstone 10%. Denna variation kan få betydande konsekvenser för enhetens prestanda och material karaktär ^{1,2 -. 4} Använda syntetiska metoder, kan mycket precist formade enskilda funktioner såsom kvantprickar eller andra komplexa molekyler tillverkas, ^2,5,6 men saknas i allmänhet samma precision i egenskap placering och orientering, trots arbete mot att förbättra storlek och placering kontroll. Detta dokument visar en metod för tillverkning av nanostrukturer med nära atomstorlek precision och atom precision i funktionen placering, samtmed atommetrologi i funktionen placering. Med användning av atomär precision av Scanning Tunneling Microscope (STM) inducerad Väte Depassivation Lithography (HDL), är atomiskt precisa mönster med kemiskt känsliga kontrast bildad på en yta. Selektiv Atomic Layer Deposition (ALD) applicerar sedan ett hårt oxidmaterial i de mönstrade områdena, med reaktiv jonetsning (RIE) slutligen överföra mönstren in i bulkmaterial, såsom visas schematiskt i fig 1. Kombinera den mycket exakta HDL-processen med standarden ALD och RIE-processer resulterar i en flexibel metod för framställning av nanostrukturer på en yta med godtycklig form och positionering.

Figur 1. Primär Nanoteknik processteg. Som ett exempel, en 200 nm x 200 nm kvadrat visas. Varje inringade pil anger ett steg för atmosfärisk exponering och transport mellan platser. Efter UHV prov prep provet mönstras med hjälp av UHV HDL följt av STM metrologi (uppe till vänster). ALD utförs sedan, följt av AFM metrologi (till höger). RIE överför flöden Si (100), följt av SEM metrologi (nere till vänster). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Den mest exakta litografi hittills innebär vanligtvis skannade probtekniker, särskilt STM-baserade mönstring där atomär upplösning mönstring och funktionalisering har visats för många tillämpningar. ⁷ Tidigare har atom manipulation producerade nanostrukturer med yttersta precision genom att använda enskilda atomer som byggstenar, ^{8 , 9,10} men nanostrukturer som krävs kryogeniska förhållanden och därmed saknade långsiktig stabilitet. RT atom manipulering genom avlägsnande av väteatomer från ytan har visats, specifically HDL. ^11,12,13 HDL lovar att göra det möjligt för nya klasser av elektroniska och andra enheter baserade på den rumsliga lokalisering av ytan kontrast. Använda HDL utan vidare bearbetning, olika enhets arkitekturer är möjliga inklusive dinglande bondtrådar eller logiska enheter. ^14,15,16 Förutom att ge elektriska kontrast, HDL kan införa kemisk kontrast på ytan där passive H skiktet har avlägsnats, i själva verket skapa en mall för ytterligare kemisk modifiering. Denna kemisk modifiering har visats på kisel och andra ytor, som visar selektivitet för avsättning av metaller, ¹⁷ isolatorer, ¹⁸ och till och med halvledare. ^16,19 Vart och ett av dessa exempel ger tvådimensionella strukturer, så att andra processteg måste användas för att producera äkta tre dimensionella strukturer med Atomically löst kontroll utlovats av HDL. Tidigare har detta krävs upprepad mönstring, ^19,20,21 glödgning, ²² </sup> eller mindre väl lösas processer såsom spetsen baserade e-balk inducerad nedfall. ²³

I likhet med e-strålelitografi, använder HDL en lokal flöde av elektroner för att exponera en motstå. Flera likheter finns till exempel förmågan att utföra multi-mode litografi med variabel punktstorlek och mönstring effektivitet. ²⁴ uppstår dock den verkliga kraften i HDL från hur det skiljer sig från e-strålelitografi. Först motstå i HDL är ett monolager av atomärt väte så att motstå exponering blir en digital process; resisten atomen antingen är eller inte är närvarande. ²⁵ Eftersom H-atom placering motsvarar den underliggande Si (100) gitter HDL processen kan vara en atom exakt process, även om det bör noteras att HDL i detta dokument har nanometer precision stället för att ha atom perfektion och således inte digitalt i detta fall. Eftersom elektronkällan i HDL är lokal till ytan, de olika former av STM drift underlättar bådegenomströmning optimering samt felkontroll. Vid tip-prov fördomar nedan ~ 4,5 V, kan litografi utföras på enstaka atomnivå med atomär precision, känd som Atomically Precise läge (AP-läge). Däremot på fördomar över ~ 7 V, elektroner emitteras direkt från spetsen på stickprovet med breda linjebredder och hög depassivation effektivitet, känd här som fältemissionsläge (FE-läge). HDL genomströmningar kan då optimeras genom noggrann kombination av dessa två lägen, även om den totala genomströmningar förblir små i förhållande till e-strålelitografi med mönstring upp till 1 pm ² / minut möjligt. När förspänningen är omvänd så att provet hålls vid ~ -2,25 V, elektroner tunneln från provet till spetsen med extremt låg depassivation effektivitet, vilket således medger besiktning av den atomära strukturen hos ytan såväl för felkorrigering och för atomär skala metrologi .

Denna nanostruktur tillverkningsprocessen visad i figur 1 </strong> börjar med en UHV-HDL-steg, såsom beskrivits ovan. Efter HDL provet utluftas, vid vilken tidpunkt de mönstrade områdena blir mättad med vatten och bildar en tunn (dvs ~ 1 monoskikt) SiO ₂ lager. ²⁶ Efter transport provet in i en ALD kammare för avsättning av titandioxid (TiOj _2), med tjocklekar runt 2-3 nm avsattes här, såsom mätt med AFM och XPS. ²⁷ Eftersom titandioxid reaktionen beror på en vattenmättnad av ytan, är det möjligt denna process trots atmosfär exponering som mättar ytan med vatten . Därefter att överföra ALD maskmönstret i bulk provet etsades med hjälp av RIE så att 20 nm Si avlägsnas, med etsningsdjupet bestäms av AFM och SEM. För att underlätta metrologi steg, är ett Si (100) wafer mönstrad med ett rutnät av linjer, som är utformade för att vara synliga efter UHV framställning av en lång arbetsavstånd optiskt mikroskop, AFM planen-vy optisk avbildning, ochlågförstorande planen-view SEM avbildning. För att identifiera nanostrukturer är 1 pm ² serpentin mönster (SERPS) mönstrade på proven med de mest isolerade nanopatterns placerade på fasta platser i förhållande till sökmotorer.

Denna kombination av HDL, selektiv ALD och RIE kan vara en viktig process för nanostruktur tillverkning, och det innehåller en atomskala metrologi som en naturlig biprodukt av processen. Nedan inkluderar vi en detaljerad beskrivning av de olika stegen för att tillverka under 10 nm nanostrukturer i Si (100) med hjälp av HDL, selektiv ALD, och RIE. Det antas att en är skicklig i var och en av dessa processer, men information kommer att ingå relaterad till hur man kan integrera de olika processerna. Särskild vikt kommer att läggas vid de oväntade svårigheter av författarna i syfte att förhindra att samma problem, särskilt i samband med transporter och mätteknik.