Atomicamente rastreável Fabrication Nanostructure

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. 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 </sup> ou menos bem resolvido processos tais como a deposição induzida feixe electrónico baseada em ponta ^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 </strong> é iniciado com um passo de UHV-HDL, conforme descrito acima. Seguindo o HDL, da amostra é ventilado para a atmosfera, altura em que as áreas modelado ficam saturados com água, formando uma fina (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.