La fabricación de nanoestructuras Atómicamente trazable

Summary

We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated.

Abstract

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process being used in order to maintain exquisite control over both feature size and feature density. Here, we demonstrate a method for tracking atomically resolved and controlled structures from initial template definition through final nanostructure metrology, opening up a pathway for top-down atomic control over nanofabrication. Hydrogen depassivation lithography is the first step of the nanoscale fabrication process followed by selective atomic layer deposition of up to 2.8 nm of titania to make a nanoscale etch mask. Contrast with the background is shown, indicating different mechanisms for growth on the desired patterns and on the H passivated background. The patterns are then transferred into the bulk using reactive ion etching to form 20 nm tall nanostructures with linewidths down to ~6 nm. To illustrate the limitations of this process, arrays of holes and lines are fabricated. The various nanofabrication process steps are performed at disparate locations, so process integration is discussed. Related issues are discussed including using fiducial marks for finding nanostructures on a macroscopic sample and protecting the chemically reactive patterned Si(100)-H surface against degradation due to atmospheric exposure.

Introduction

Como la nanotecnología se vuelve más importante en una amplia variedad de escenarios, la comprensión de las estructuras que se está formando gana importancia, sobre todo en los campos de la litografía y la electrónica. Para enfatizar la importancia de la metrología a escala nanométrica, específicamente a escalas inferiores a 10 nm, cabe señalar que una variación en el tamaño de la característica de sólo el 1 nm indica una variación fraccional al menos 10%. Esta variación puede tener implicaciones importantes para el rendimiento del dispositivo y el carácter material de ^{1,2 -. 4} Utilizando métodos de síntesis, las características individuales de manera muy precisa formados como puntos cuánticos u otras moléculas complejas pueden ser fabricados, ^2,5,6 pero por lo general carecen de la misma precisión en la colocación de características y orientación, a pesar del trabajo para mejorar el tamaño y la colocación de control. Este trabajo demuestra un enfoque para la fabricación de nanoestructuras con cerca de precisión tamaño atómico y la precisión en la colocación atómica característica, así comocon la metrología atómica en la colocación función. Uso de la precisión atómica de Scanning Tunneling Microscope (STM) de hidrógeno inducida Despasivación Litografía (HDL), los patrones atómicamente precisos con contraste químicamente sensibles se forman sobre una superficie. La deposición de capa atómica selectivo (ALD), entonces se aplica un material de óxido duro en las áreas estampadas, con Reactive Ion Etching (RIE) en última instancia, la transferencia de los patrones en el material a granel, como se muestra esquemáticamente en la Figura 1. Combinando el proceso de HDL de alta precisión con la norma ALD y RIE procesa los resultados en un método flexible para producir nanoestructuras sobre una superficie con forma arbitraria y posicionamiento.

Figura 1. nanofabricación Primaria pasos del proceso. Como un ejemplo, un cuadrado x 200 nm 200 nm se muestra. Cada flecha círculo indica un paso de exposición atmosférica y tRANSPORTE entre sitios. Después de UHV preparación de muestras, la muestra se modela usando UHV HDL seguido de STM metrología (arriba a la izquierda). ALD se realiza a continuación, seguido por AFM metrología (derecha). RIE transfiere los patrones en Si (100), seguido por SEM metrología (abajo a la izquierda). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La litografía más precisa hasta la fecha por lo general implica técnicas de sonda escaneadas, patrones específicamente basada en STM donde resolución atómica patrón y funcionalización se ha demostrado para muchas aplicaciones. ⁷ nanoestructuras Anteriormente, manipulación átomo ha producido con la máxima precisión mediante el uso de átomos individuales como bloques de construcción, ^{8 , 9,10} pero las nanoestructuras necesarias condiciones criogénicas y por lo tanto carecían de largo plazo robustez. Manipulación átomo de RT por eliminación de átomos de hidrógeno de la superficie se ha demostrado, specificalLy HDL. ^11,12,13 HDL promete permitir nuevas clases de dispositivos electrónicos y otras basadas en la localización espacial de contraste superficie. Uso de HDL sin más procesamiento, varias arquitecturas de dispositivos son posibles incluyendo colgando cables de bonos o dispositivos lógicos. ^14,15,16 Además de proporcionar contraste eléctrica, HDL puede introducir contraste químico en la superficie donde se ha eliminado la capa de pasivación H, en efecto crear una plantilla para su posterior modificación química. Esta modificación química ha sido demostrada en el silicio y otras superficies, mostrando selectividad por la deposición de metales, ¹⁷ aisladores, ¹⁸ y semiconductores incluso. ^16,19 Cada uno de estos ejemplos produce dos estructuras tridimensionales, por lo que otras etapas de procesamiento debe ser utilizado para producir verdadera tres estructuras tridimensionales con el control resuelto atómicamente prometido por HDL. Anteriormente, esto ha requerido patrón repetido, ^19,20,21 recocido, ²² </sup> o menos bien resuelto procesos como el haz de electrones a base de punta deposición inducida. ²³

Similar a la litografía por haz de electrones, HDL utiliza un flujo de electrones localizados para exponer una resisten. Existen varias similitudes tales como la capacidad para realizar multi-modo de litografía con tamaño de punto variable y eficiencia patrones. ²⁴ Sin embargo, el verdadero poder de HDL surge de qué se diferencia de la litografía por haz de electrones. En primer lugar, el resistir en HDL es una monocapa de hidrógeno atómico de modo que resisten la exposición se convierte en un proceso digital; el átomo de resistir que se aplica o no está presente. ²⁵ Desde la colocación átomo de H corresponde a la de Si subyacente (100) celosía proceso HDL puede ser un proceso atómicamente precisa, aunque debe tenerse en cuenta que en este trabajo el HDL tiene una precisión nanométrica como en lugar de tener la perfección atómico y por lo tanto no es digital en este caso. Desde la fuente de electrones en HDL es local a la superficie, los diversos modos de funcionamiento STM facilitar tantooptimización de rendimiento, así como la comprobación de errores. En sesgos punta de la muestra por debajo de ~ 4,5 V, la litografía se puede realizar en el nivel átomo individual con precisión atómica, conocido como modo preciso (modo AP) Atómicamente. Por el contrario, en los prejuicios anteriores ~ 7 V, los electrones son emitidos directamente desde la punta hasta la muestra con anchuras de línea de ancho y altas eficiencias de despasivación, conocidos aquí como el modo de emisión de campo (modo FE). Caudales de HDL pueden entonces ser optimizadas por cuidadosa combinación de estos dos modos, a pesar de los caudales globales siguen siendo pequeño en relación a e-beam litografía con modelar hasta 1 m ² / minuto posible. Cuando el sesgo se invierte de modo que la muestra se mantiene a ~ -2.25 V, los electrones túnel desde la muestra a la punta con muy baja eficiencia despasivación, permitiendo de este modo la inspección de la estructura atómica de la superficie tanto para la corrección de errores y para la metrología escala atómica .

Este proceso de fabricación nanoestructura muestra en la Figura 1 </strong> comienza con un paso UHV-HDL, como se describe anteriormente. Después de HDL, la muestra se ventila a la atmósfera, en cuyo momento las áreas estampadas se saturan con agua, formando una delgada (es decir, ~ 1 monocapa) SiO ₂ capa. ²⁶ Después del transporte, la muestra se introduce en una cámara de ALD para la deposición de titania (TiO _2), con espesores de alrededor de 2-3 nm deposita aquí, medida por AFM y. XPS ²⁷ Puesto que la reacción de óxido de titanio depende de una saturación de agua de la superficie, este proceso es posible a pesar de la exposición atmósfera que satura la superficie con agua . A continuación, para transferir el patrón de máscara ALD en la masa de la muestra fue grabado usando RIE de modo que se elimina 20 nm de Si, con la profundidad de ataque determinado por AFM y SEM. A fin de facilitar los pasos de metrología, una (100) de la oblea de Si se modela con una rejilla de líneas que están diseñados para ser visible después de la preparación UHV por un microscopio óptico de larga distancia de trabajo, formación de imágenes ópticas AFM vista en planta, ybajo magnificación plan de visión de imágenes SEM. Para ayudar a identificar las estructuras a nanoescala, los patrones de 1 m ² de serpentina (SERPs) se modelan en las muestras con las nanopatrones más aisladas situadas en ubicaciones fijas en relación con los SERPs.

Esta combinación de HDL, ALD selectiva, y RIE puede ser un proceso importante para la fabricación de nanoestructuras, y que incluye un metrología escala atómica como un subproducto natural del proceso. A continuación, incluimos una descripción detallada de los pasos necesarios para fabricar-10 sub nanoestructuras nm en Si (100) utilizando el HDL, ALD selectiva y RIE. Se supone que uno es experto en cada uno de estos procesos, pero la información se incluirá relacionada a la manera de integrar los diversos procesos. Se prestará especial atención a aquellas dificultades inesperadas experimentados por los autores con el fin de evitar que las mismas dificultades, especialmente en relación con el transporte y la metrología.

Protocol

1. Ex-Situ Preparación de la muestra Preparar fichas Diseño máscara de ataque apropiado para poner la identificación de marcadores en el Si (100) oblea. El uso de la litografía óptica estándar y RIE, grabar una cuadrícula de líneas como marcas de referencia en la oblea de la que se tomarán muestras de MCI. Las líneas deben ser de 10 micras de ancho, 1 m de profundidad, y en el terreno de juego de 500 micras. Después del grabado, la tira restante de la muestra de resina fotosensib…

Representative Results

En los casos descritos aquí, HDL se realiza usando multi-modo de litografía. 24 En el modo de FE, realizada con 8 V sesgo de la muestra, 1 nA, y 0,2 mC / cm (equivalente a 50 nm / seg velocidad de la punta), la punta se mueve sobre la superficie ya sea paralelo o perpendicular a la red de Si, la producción de líneas de despasivación. Mientras que esta forma lineal de punta es muy dependiente, en el caso aquí, la porción completamente depassivated de las líneas fue de aproximadamente 6 nm de ancho, con…

Discussion

Realización de la metrología en las nanoestructuras descritos anteriormente requiere la capacidad de tender un puente sobre el posicionamiento de punta durante el HDL y el patrón de localización usando otras herramientas como AFM y SEM. En contraste con otras herramientas de modelado bien desarrollados con codificación de posición de alta resolución tales como la litografía por haz de electrones, la HDL realizado aquí se realizó con un STM sin ​​posicionamiento grueso bien controlada, por lo que se utiliza…

Materials

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	0.025mm (0.001in) 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 um / .003”  Length 200 M / 660’