Este trabajo fue apoyado por un contrato de DARPA (N66001-08-C-2040) y por una subvención del Fondo de Tecnologías Emergentes del Estado de Texas. Los autores desean reconocer Jiyoung Kim, Greg Mordi, Angela Azcatl, y Tom Scharf por sus contribuciones relacionadas con selectiva deposición de capas atómicas, así como Wallace Martin y Gordon Pollock para el procesamiento de muestras ex situ.

1. Ex-Situ Preparación de la muestra <ol><li> Preparar fichas <ol><li> 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 fotosensible. Nota: Las marcas de referencia deben ser identificables in situ para localización de la punta en la muestra, así como en el AFM y SEM durante la metrología. </li><li> Proteja la superficie de la oblea mediante la aplicación táctica estándar de cinta azul cortado en dados, con el lado pegajoso hacia abajo. </li><li> Obleas dados en los chips utilizando un diamante con punta de corte en cuadritos de cerámica vio en tamaños adecuados para la herramienta específica UHV-STM que se utiliza para realizar el HDL. Aquí, las muestras eran 8,1 mm x 8,1 mm cuadrados. </li></ol></li><li> Después de cortar en cubitos, preparar el chip para la inserción en herramienta de modelado UHV-STM suavementequitando la cinta cortar en cubitos, teniendo cuidado de no tocar chip con cualquier herramienta que contienen níquel que inducirán una reconstrucción de la superficie desfavorable después de UHV de preparación en el apartado 2 siguiente. <ol><li> Chip de Clean enjuagando la cara frontal para 10 seg cada uno con corrientes de acetona, alcohol isopropílico, metanol, y agua desionizada, respectivamente, mientras que agarre los lados de la muestra con politetrafluoroetileno (PTFE) pinzas. Por último, secar con ultrapura N2 o Ar, siendo agarre con pinzas de teflón. </li><li> Chip de la muestra en el Monte portamuestras STM utilizando métodos adecuados para la herramienta específica UHV-STM que se utilizará para el HDL. <ol><li> Si se monta en un soporte de la muestra que contiene níquel, tantalio cortar tiras de barrera de aluminio (aprox. 4 mm de altura de la muestra), utilizando tijeras de titanio. Tiras de papel de aluminio sonicar durante 5 min cada uno en acetona ultrapura, alcohol isopropílico, metanol, y agua DI, respectivamente. Seque con ultrapura gas N2 cubriendo parcialmente un vaso de precipitados con papel de aluminio e inyectaring una boquilla de N 2 en la abertura. Flujo de gas hasta que todo el líquido se haya evaporado. El uso de níquel pinzas libres, forma de lámina alrededor termina de la muestra a continuación en la abrazadera soporte de muestras para aislar partes delantera y trasera de la muestra de soporte de la muestra. </li></ol></li><li> Después del montaje, el plasma de la muestra limpia y soporte de la muestra en el plasma de oxígeno para eliminar la contaminación de carbono. 28 </li></ol></li></ol> 2. UHV Preparación de la muestra <ol><li> Introducir la muestra en el sistema de UHV a través de carga de bloqueo u otro método UHV-safe preferido para que el procesamiento de UHV y HDL normalmente pueden permanecer por debajo de 1,3 x 10 -9 mbar (excepto el paso 2.5.1.1 abajo). </li><li> Degas O / N a 650 ° C, el control de la temperatura con un pirómetro. Asegúrese de que la presión de la cámara está dentro de 25% del fondo. En el caso descrito aquí, las presiones de fondo típicos son de aproximadamente 4,5 x 10 -10 mbar. </li><li> Degas tungsteno agrietamiento por hidrógeno filamento a 1500 ° C durante 5 min.Activar las bombas de sublimación de titanio, si es posible. </li><li> Realizar muestras ciclo &quot;Flash&quot;. <ol><li> Flash muestra por calentamiento a 1250 ° C durante 20 seg, el seguimiento T con pirómetro y el uso de un / seg gradiente de calentamiento 10 ° C. No exceda una presión máxima de 7 x 10 -9 mbar. Enfriar mediante la eliminación de corriente de calentamiento en menos de 5 seg. </li><li> Resto muestra a 350 ° C durante 5 min. para permitir que la presión para recuperar al inicio del estudio. Repita 3 veces. </li></ol></li><li> Realizar muestra pasivación. <ol><li> Establecer temperatura de la muestra a 350 ° C usando un pirómetro para controlar la temperatura. Introducir 1,3 x 10 -6 mbar H ultrapura 2 en la cámara de preparación utilizando la válvula de escape. <ol><li> Ponga una trampa fría en la línea H 2 muy cerca de una válvula de escape en el sistema con el fin de purificar más H 2. </li><li> Si es posible, el sistema de alta velocidad de la bomba turbo en lugar de una bomba de iones bombear. Esto es por lo que la bomba de iones no contamine la muestra de ser exposed a los altos contaminantes presionado y expulsión. Las bombas se pusieron de nuevo en el estado normal después de la mayoría del hidrógeno se ha eliminado y la muestra está todavía caliente (350 ° C). </li></ol></li><li> Encienda hidrógeno tungsteno craqueo filamento a una temperatura de 1400 ° C durante 12 minutos, luego apague filamento y H 2 flujo de gas. Muestra Enfriar a temperatura ambiente. </li></ol></li></ol> 3. Scanning Tunneling Microscopía y Litografía <ol><li> Transferir la muestra para STM, y llevar la muestra y STM punta en gama de túneles. Utilizando una cámara con poder de resolución superior a un tamaño de punto de 20 micras, tome de alta resolución de imagen óptica de unión de punta-muestra. Enderezar y cambiar el tamaño de la imagen óptica de modo que representa una reproducción sin distorsión de las marcas de referencia. </li><li> Retire cualquier iluminación para reducir las inestabilidades térmicas del sistema. Determinar la calidad superficial. <ol><li> Utilizando técnicas de MCI convencionales con sesgo muestra de -2,25 V y 200 pA, identificar la adormecidaer de defectos en la superficie. </li><li> Si los defectos superficiales están por debajo de los niveles aceptables, pasar al siguiente paso. Niveles de defectos máximos aceptables son tan seguido: lazos que cuelgan de un 1%; Las vacantes de Si de 3%; contaminantes de 1%. </li></ol></li><li> Patrones de diseño de HDL a ser producidos, incluyendo tanto los patrones experimentales y grandes (1 micras x 1 m) los patrones de identificación serp. Los patrones serp deben elaborarse con un largo eje vector perpendicular al eje de exploración espera AFM rápido, usando un tono de 15 a 20 nm. Fractura patrón general en formas fundamentales para definir la trayectoria seguida por la punta cuando se aplican condiciones de HDL. 24 </li><li> El uso de salidas de vector de la etapa anterior, realice HDL usando el modo de litografía FE para las áreas grandes con sesgo de la muestra de 7-9 V, corriente de 1 nA, y 0,2 mC / cm y la litografía modo AP para áreas pequeñas o aquellas áreas que requieren bordes precisión atómica . 24 <ol><li> Determinar óptimas condiciones AP modo de litografía por performing HDL con una variedad de condiciones con sesgo de la muestra oscila entre 3,5 y 4.5 V, la corriente que van del 2 al 4 nA, y la línea de dosis que varían del 2 al 4 mC / cm. Elija condiciones que producen la línea más estrecha completamente depassivated. </li></ol></li><li> Realizar STM metrología en las áreas de HDL modelado deseados por imágenes en -2,25 sesgo V muestra y 0.2 corriente túnel nA. <ol><li> [Opcional] Realizar la corrección de errores. Después de la metrología STM, comparar patrón despasivación en las imágenes de STM con el patrón deseado desde el paso 3.5. Si cualquier área muestran la formación de enlaces colgando insuficiente, repetir el ciclo de la litografía en esas áreas. </li></ol></li><li> Después de completar STM HDL, desenganche la punta de la muestra, y mover la muestra para cargar cerradura. </li><li> Vent y retire la muestra. Durante ventilación con ultrapura N 2, proteger la muestra poniéndola en contacto con, sustrato plano inerte como el zafiro limpio. 29 Después de protección de la superficie, cierre las válvulas a las bombas y luego introducen ventilar el gas como quicKLY posible. Retirar la muestra a partir del sistema. </li></ol> Transporte 4. Muestra <ol><li> Retire la muestra a partir de bloqueo de carga. Suelte muestra del soporte de muestra, incluyendo la eliminación de las piezas de lámina de barrera si es posible. El uso de PTFE (Ti) o pinzas, mover la muestra a transportador, manteniendo lado frontal de la muestra protegido, tratando de mantener la exposición del ambiente a menos de 10 min. </li><li> Instale la cubierta sobre la muestra y vagamente montar un transportador de la muestra a presión. Enjuagar con Ar ultrapura durante 1 minuto. No evacuar sistema en cualquier momento, o se puede producir daños en la superficie. 29 Por último, el transportador muestra sello con una pequeña presión positiva (~ 50 a 100 mbar) de Ar para que la muestra se mantiene estable hasta a un mes. </li></ol> 5. deposición de capas atómicas <ol><li> Asegúrese de que el ALD está a la temperatura adecuada deposición (100 ° C). Aumente lentamente la presión de argón en la cámara de ALD hasta que se haya alcanzado la presión atmosférica. </li><li> Cámara de ALD en Abrir. </li><li> Abrir transportador de muestra y rápidamente transferir a la cámara de ALD usando un par de pinzas de PTFE agarrar la muestra en el borde, a continuación, cierre la cámara de ALD y purgar el uso de un flujo de argón a una presión de &lt;2 × 10 -1 mbar durante 1 hora para desgasificar las muestra. Establecer un proceso para llevar a cabo 80 ciclos repetidos de ALD a crecer 2,8 nm de óxido de titanio amorfo. <ol><li> El uso de un sistema de ALD comercial sin modificar a una temperatura de la muestra de 100-150 ° C, con tetracloruro de titanio (TiCl 4) y agua (H 2 O) como precursores realizan la deposición con reactivos a presiones de 0,3 mbar y 0,8 mbar, con tiempos de pulso de 0,1 seg y 0,05 seg, respectivamente. 27 </li><li> Después de cada pulso de gas, purgar el reactor con Ar durante 60 segundos a 0,2 mbar para asegurar una mínima deposición de fondo debido a reactivos adsorbidas. Para las máscaras en este trabajo, 80 ciclos de duración limitada se utilizan para crecer aproximadamente 2,8 nm de óxido de titanio amorfo a 100 ° C. </li></ol&gt; </li><li> Poco a poco la cámara de ventilación ALD con gas Ar y abierto. Repita los pasos 4.1 y 4.2 para el transporte de muestras. </li></ol> 6. Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) <ol><li> Asegurar la calibración adecuada de la AFM según el protocolo del fabricante. Abrir transportador muestra y retire con cuidado la muestra con unas pinzas. </li><li> Después de retirar de transportador, instalar de forma segura la muestra en el AFM utilizando un método de montaje mecánico tal como un sistema de sujeción si es posible. Enfoque la cámara AFM sobre la muestra, y localizar las marcas fiduciales sobre la superficie de la muestra para alinear la punta del AFM con el patrón basado en la metrología óptica en el paso 3.2. </li><li> Asegúrese de que los ajustes de AFM mostrarán tanto la información de la altura y la fase y establecer el tamaño de escaneo para estar entre 20 y 40 micras de ancho. Involucrar a la punta del AFM sobre la muestra. </li><li> Uso de la información de la altura y de la fase en la resolución más alta, escanear hasta la región de los patrones de localización se identifican. Zoom en la re modeladoregión y localizar la región en la que se desea una imagen. </li><li> Tome una imagen de las regiones deseadas usando la calidad de imagen y resolución apropiada (típicamente la más alta posible). Una vez que todas las regiones deseadas han sido escaneados, desenganche la punta de la muestra. Descargue la muestra. Repita los pasos 4.1 y 4.2 para el transporte de muestras. </li></ol> 7. Reactive Ion Aguafuerte <ol><li> Chill reactor RIE capacitivamente acoplada a -110 ° C, a continuación, cargar la muestra en su cámara de introducción y bombear hasta 7,5 x 10 -6 mbar. <ol><li> Estabilizar la temperatura durante 3 min. A continuación, gire el gas con velocidades de flujo de O 2 a 8 sccm (centímetros cúbicos estándar por minuto), Ar a 40 sccm, y SF 6 a 20 sccm. </li><li> Huelga usando un plasma de descarga de RF 150 W, a continuación, modificar el flujo de gas para grabar durante 1 min usando SF 6 a 52 sccm y O 2 a 8 sccm. La interacción de estos gases con Si va a grabar a una velocidad de aproximadamente 20 nm / min. 30 </sup&gt; </li><li> Bomba de vacío de 7,5 x 10 -6 mbar. Vent sistema RIE. Repita los pasos 4.1 y 4.2 para el transporte de muestras. </li></ol></li></ol> 8. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) <ol><li> SEM de montaje de la muestra y la introducción de la muestra a sistema. <ol><li> Coloque la muestra no adhesivo de montaje en una ubicación conveniente para facilitar el montaje de la muestra. </li><li> Abrir transportador muestra y retire con cuidado la muestra con unas pinzas para agarrar la muestra por los bordes y segura instalación al monte de SEM, y luego introducir la muestra en el montaje SEM. </li><li> Vent y la cámara SEM abierta. Instalar de forma segura el montaje de la muestra a la fase de muestra SEM. Bomba abajo cámara de SEM. </li></ol></li><li> Localice los fiduciales. <ol><li> Traiga la ampliación a menor valor posible. Seleccione el voltaje y haz los ajustes actuales de aceleración que darían buena resolución. Comience con la configuración más aceptables. Sube según sea necesario. </li><li> Encienda el haz de electrones. Traiga la región generalde interés para la distancia de trabajo recomendada y altura eucéntrica. </li><li> Busque y centrarse en fiduciales descritas en el apartado 1.1. Ajustar la distancia de trabajo según sea necesario. Optimizar el enfoque, el brillo y el contraste. </li></ol></li><li> Localizar y la imagen de los patrones. <ol><li> En relación con los fiduciales, busque los modelos basados ​​en la metrología óptica de la sección 3.2 y AFM de metrología de la sección 6. Para reducir al mínimo la deposición de carbono en los patrones, optimizar el enfoque utilizando características no esenciales cercanas. Una vez optimizado, mover a los patrones y adquirir imágenes y mediciones vista en planta. </li><li> Si es necesario, incline la muestra de imágenes en 3D y mediciones de altura patrón. Para otros modelos, repetir de 8.3, según sea necesario. </li></ol></li><li> Realice la rutina de cierre del sistema SEM y desmontar muestra / s, según lo prescrito por el fabricante SEM. Asegure la muestra de nuevo en el transportador. </li><li> Repita los pasos 4.3 y 4.4 para el transporte y almacenamiento de muestras. En este punto, las muestras son robustos y puedenser almacenados por un período indefinido de tiempo. Realizar post-proyección de imagen analiza si es necesario. </li></ol>

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S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic-level+study+of+the+robustness+of+the+Si(100)-2&#215;1:H+surface+following+exposure+to+ambient+conditions.">Atomic-level study of the robustness of the Si(100)-2&#215;1:H surface following exposure to ambient conditions.</a> App. Phys. Lett. 78 (7), 886-888 (2001).</li><li>Agostino, R., Flamm, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+etching+of+Si+and+SiO2+in+SF6&#8211;O2+mixtures.">Plasma etching of Si and SiO2 in SF6&#8211;O2 mixtures.</a> J. App. Phys. 52 (1), 162 (1981).</li><li>Longo, R. C., McDonnell, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selectivity+of+metal+oxide+atomic+layer+deposition+on+hydrogen+terminated+and+oxidized+Si(001)-(2&#215;1)+surface.">Selectivity of metal oxide atomic layer deposition on hydrogen terminated and oxidized Si(001)-(2&#215;1) surface.</a> J. Vac. Sci Tech. B. 32 (3), 03D112 (2014).</li><li>Ruess, F. J., Oberbeck, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+use+of+etched+registration+markers+to+make+four-terminal+electrical+contacts+to+STM-patterned+nanostructures.">The use of etched registration markers to make four-terminal electrical contacts to STM-patterned nanostructures.</a> Nanotechnology. 16 (10), 2446-2449 (2005).</li><li>Ruess, F. J., Pok, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Realization+of+Atomically+Controlled+Dopant+Devices+in+Silicon.">Realization of Atomically Controlled Dopant Devices in Silicon.</a> Small. 3 (4), 563-567 (2007).</li><li>Li, K., Namboodiri, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+formation+of+atomic+step+morphology+on+micropatterned+Si+(100).">Controlled formation of atomic step morphology on micropatterned Si (100).</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (4), 041806 (2011).</li><li>Ballard, J. B., Owen, J. H. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pattern+transfer+of+hydrogen+depassivation+lithography+patterns+into+silicon+with+atomically+traceable+placement+and+size+control.">Pattern transfer of hydrogen depassivation lithography patterns into silicon with atomically traceable placement and size control.</a> Journal of Vacuum Science and Technology B. 32 (4), 041804 (2014).</li><li>Gusev, E. P., Cabral, C., Copel, M., D&#8217;Emic, C., Gribelyuk, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=U+ltrathin+HfO+2+films+grown+on+silicon+by+atomic+layer+deposition+for+advanced+gate+dielectrics+applications.">U ltrathin HfO 2 films grown on silicon by atomic layer deposition for advanced gate dielectrics applications.</a> Microelectronic Engineering. 69, 145-151 (2003).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

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 utilizaron protocolos de identificación de la posición extra, como se muestra en la Figura 3 . En primer lugar, un microscopio de distancia focal larga se coloca fuera del sistema de UHV aproximadamente 20 cm de la unión de punta-muestra. La muestra se modela con una cuadrícula de 10 micras líneas de ancho, 1 m de profundidad, en un terreno de juego de 500 micras para facilitar la identificación de la localización de la punta en la superficie. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig5.jpg" /> Imágenes Figura ubicación 5. Patrón de samp<html> le. (A) Imagen Óptico de STM punta (izquierda) y su reflejo (derecha) en la superficie de Si (100) en un área de la muestra con el patrón de línea de 500 micras de paso. Las líneas son de 1 m de profundidad y 10 m antes de la UHV procesamiento de ancho. Las líneas de guía se incluyen para mostrar las direcciones de línea. (B) Primer plano, imagen óptica-de sesgada de la punta (parte inferior izquierda) y su reflejo (superior derecha). La ubicación punto central entre la punta y su reflejo se identifica dentro del 500 micras x 500 micras cuadrados fiducial C:. Primer plano de ubicación de patrones con un punto 50 m incluido para la escala D:. X 5 micras imagen AFM de toda un área modelada 5 micras después de ALD E:.. x 1 m imagen SEM de uno de los patrones de localización de 1 m después RIE <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> e_content &quot;&gt; El primer paso para localizar nanoestructuras es la identificación de la localización de la punta en la superficie, 32,33 que se realiza en este caso con un microscopio larga distancia de trabajo. Figura 5A muestra una imagen óptica de la punta cuando se enganchan con la muestra, con líneas de puntos añadidos a guiar al lector por las direcciones de la red fiducial. Para localizar el cruce punta / muestra la imagen óptica se Sin sesgo para hacer una cuadrícula, como se muestra en la Figura 5B, aunque hay errores en el procesamiento de alta temperatura de las muestras debido a la migración significativa átomo de superficie. Esto reduce la profundidad y la visibilidad de la red fiducial como reflejado aquí, el aumento de la incertidumbre en la posición de la punta. 32 Si bien se ha demostrado previamente que el procesamiento de muestras de alta temperatura inducirá reconstrucción de la superficie escala atómica significativa, la pitch rejilla utilizada aquí es lo suficientemente grande para tener poco efecto sobre la reconstrucción de la superficie en el medio de la cuadradosuared definida por la cuadrícula. 34 Sin embargo, cerca de los bordes de las áreas estampadas, paso agrupamiento ocurre con asimetría que depende de la dirección del flujo de corriente durante la preparación de la muestra. 34 Desde la óptica de formación de imágenes se realiza en un ángulo oblicuo respecto a la superficie , pequeños cambios en la altura en un lado de una zanja con respecto al otro inducirán incertidumbre adicional en el patrón de ubicación, especialmente cuando se compara con vista en planta como en formación de imágenes AFM o SEM normal. Después de la punta se acopla a la muestra, el 10 micras tamaño del punto focal del microscopio junto con los ~ 20 micras resultados LineWidth fiduciales post-procesamiento en una incertidumbre aproximada de identificación de posición patrón de ± 27 micras. Esto define la ventana de búsqueda para el uso de diversas técnicas para la identificación de patrones. Para facilitar la localización de las características de 10-100 nm más pequeños, se añaden grandes serps adicionales cerca de los patrones a nanoescala, unas se muestra en la Figura 5B. Estos serps 800 nm x 800 nm se escriben utilizando el modo de HDL FE con líneas verticales y las lagunas de 15 nm cada uno. Mediante la alineación de la dirección de exploración rápida AFM para ser perpendicular a las líneas de SERP (es decir, de exploración horizontal), estos patrones tienden a mostrar un alto contraste en la imagen de fase AFM debido a la alta frecuencia espacial de la topografía, facilitando aún más la ubicación patrón. Una vez que se encuentran estos patrones, se hace mucho más fácil de encontrar los patrones a nanoescala más pequeños que se colocan con aproximadamente 100 nm precisión relativa a los grandes patrones. Para este proceso de fabricación nanoestructura, la muestra se somete a exposición atmosférica entre cada paso importante proceso una vez HDL se ha realizado, como se muestra esquemáticamente en la Figura 1. Dado esto, se debe garantizar que la muestra no se degrada en cualquier punto en el manejo. Como se muestra anteriormente, existe una cantidad finita de fondo deposición durante ALD, que se supone para sembrar en sitios de defecto de fondo. 31 Por lo tanto, una manipulación inadecuada tales como la exposición prolongada atmósfera puede aumentar el número de defectos de fondo y reducir la selectividad ALD aparente. Un mecanismo de degradación de la superficie adicional puede ocurrir durante la ventilación de la muestra de la carga UHV-lock a las condiciones atmosféricas. 29 Para aliviar este problema, un chip de zafiro cargado por resorte que se monta sobre un accionador lineal en UHV hace contacto a la 125 m de espesor muestra de lámina de montaje que contacta con la muestra para evitar la degradación de la superficie. Una vez que la muestra está en condiciones atmosféricas, la tasa de acumulación de bonos colgando sigue siendo baja (es decir, &lt;0,1% / hr) durante al menos varias horas, así que mientras se inserta la muestra en un entorno estable, como ultra-pura dentro de Ar menos de 1 hora, el fondo deposición adicional debido a daños en la superficie debe permanecer baja. En este punto, cabe señalar que la muestra no debe ser sreada en un entorno de vacío, ya que esto requiere un ciclo adicional de ventilación / pump-down, añadiendo a la posibilidad de daños en la superficie. Este tiempo entre HDL y ALD es el punto en el que la muestra es más sensible ya que aún no se ha aplicado la máscara de ataque. Después de ALD, la muestra todavía necesita protección, pero sólo para prevenir el crecimiento de máscara adicional debido a la formación de dióxido de silicio, un proceso relativamente lento. En los patrones mostrados en la Figura 4, la HDL elimina&gt; 80% de los antecedentes H dentro del centro de los patrones, con un roll-off espacial en la eficiencia de la despasivación como se alcanza el borde de la línea. 24 Dados los límites de muy limitado ALD en el fondo y la incubación libre de crecimiento en los patrones totalmente depassivated (Figura 3), los bordes de los patrones de modo FE donde hay una transición de HDL totalmente eficaz y no HDL, muestran una transición de la eficacia de crecimiento máscara ALD. Por debajo del 70% de eliminación de H duranteHDL es donde esta transición comienza a ocurrir, lo que indica una región aproximada de ~ 2 nm en cada lado de una línea de modo FE donde se produce la deposición de la máscara parcial. 35 Además, el crecimiento ALD se produce de una manera &quot;hongo&quot;, 36 ampliar aún más la máscara relativa a los patrones de HDL de manera que una máscara de 2,8 nm amplía las características de la máscara en la misma cantidad. Para resumir, la anchura de línea ALD se puede expresar como W = W sáb. m + f (? H) + M donde W m es la anchura total, W sáb. es la anchura de la línea donde el HDL ha saturado para eliminar&gt; 70% de la superficie de H, f (? H) es la anchura adicional debido al crecimiento en cada punto debido a la densidad de H restante en la superficie, y M es el ancho de línea adicional debido a la proliferación de crecimiento. ? H depende de la distancia espacial desde el borde saturadodel patrón de HDL, por lo que f (? H) se convierte en f (r) ya que no hay dependencia espacial de la HDL. De estos términos, W sáb desempeña el papel principal en la anchura de línea en general, y los otros términos determinar el grado de roll-off de los bordes de línea. Con la fabricación de nanoestructuras último, la máscara ALD sola no determina el tamaño total de características. En su lugar, el tamaño del patrón depende del grado de erosión del sustrato bajo la máscara. La anchura de línea grabada total se expresa como W t = W m - W e = W sáb. + f (r) + M - W e, donde W e indica una anchura de línea de la erosión, o la reducción de tamaño del patrón debido al proceso de grabado. Esto depende, entre otras cosas, el espesor y la calidad de la máscara de ataque como se describe anteriormente para W m. Fo un caso en el que la anchura de línea simplemente requiere la eliminación de la máscara antes de que ocurra el grabado, el término W e es cero, sin embargo se observa que hay una modificación en el tamaño de la característica después del grabado con relación a la forma de la máscara, lo que sugiere que la dinámica más complicados son jugando. De los elementos que determinan las limitaciones de anchura de línea, W sáb. puede reducirse a una anchura mínima de ~ 4 nm antes de que el crecimiento se detiene apareciendo el mismo que ALD granel. 35 de los otros elementos el efecto del crecimiento de hongos, M (y, como consecuencia W m) , sólo puede ser reducida si el espesor total de la película se reduce, en correlación con la altura nanoestructura total después de grabado. La línea efecto debido a la dependencia espacial de la densidad de H restante en la superficie ampliar, f (? H), se puede reducir a casi cero mediante el uso de HDL multi-modo que produce la línea HDL bordes con insignificante line borde. roll-off 24 Para demostrar el efecto de esta reducción de la f (? H), la figura 6 muestra una matriz patrón de cuadrados producidos utilizando varios modos de funcionamiento de HDL. La gama incluye modelos con anchuras de línea de HDL de 7 nm, 14 nm y 21 nm de arriba a abajo, y tamaños de apertura de HDL internas de 7 nm, 14 nm y 21 nm de izquierda a derecha. Mientras que hay una ligera desalineación de la HDL multi-modo en la fila inferior, a lo largo de la fila superior el registro es preciso &lt;1 nm. Después de RIE, las líneas siguen siendo principalmente intacto para anchuras de 5 nm con dos pequeños defectos, y las aberturas entre líneas son resoluble para todos los patrones con los orificios 7 nm apenas resolubles usando esta herramienta de metrología. <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig6.jpg" /> Figura 6. anchura de línea y la prueba holewidth. (A) STM de HDL de cajas escritas usando varios modos de funcionamiento de HDL. El linewidth de filas es de 21 nm, 14 nm, y 7 nm desde el fondo hasta la parte superior, respectivamente, y el holewidth de las columnas es 7 nm, 14 nm y 21 nm de izquierda a derecha, respectivamente. (B) SEM de los mismos patrones después de ALD y RIE. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig6large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> Los límites de final de este proceso dependen de la selectividad del proceso ALD, la calidad de la HDL, la resistencia de la máscara para el grabado, y la función deseada shapes sí mismos. Métodos para mejorar la selectividad basada en la química y la mitigación de fondo defecto ya ha sido abordado anteriormente. Se ha demostrado previamente que dejando defectos H en las áreas estampadas reduce la calidad del crecimiento máscara, y por lo tanto la resistencia al ataque químico. 35 Además, la falta de un control cuidadoso sobre los bordes de línea estampadas resultados en una máscara &quot;roll-off&quot;, o excesiva thinning de la máscara a lo largo de los bordes de los patrones que actúa como un efecto de proximidad prevención de cerca la colocación de los patrones. Afortunadamente, la selectividad del proceso de grabado depende del espesor de la máscara, por lo que para la deposición espuria en el fondo o defectos a lo largo de los bordes de los patrones el efecto neto es pequeña. Además, para estructuras más cortas que 20 nm, más delgadas capas de máscara probablemente será posible. Puesto que el crecimiento ALD se produce de una manera seta, máscaras más delgadas debido a las estructuras más cortos darán como resultado un control aún mejor lateral y características más pequeñas que las que se ha demostrado aquí. Mientras que las reducciones finales tamaño característica no son conocidos por este proceso, sin duda alguna baja escala es probable. Mientras que la metrología SEM deja incertidumbre en cuanto a tamaño de la característica y el posicionamiento, el primer paso de metrología se describe en la parte superior de la figura 1 da precisión atómica con respecto al patrón de HDL como está escrito. Dado que la superficie (100) -H Si consta de un verenrejado regular de y, y desde el STM puede ser operado en un modo de formación de imágenes no destructivo, los patrones de HDL se pueden obtener imágenes sin inducir daños en la superficie más o más patrones, en contraste con otras técnicas tales como la litografía por haz de electrones. Con la formación de imágenes a escala atómica de la red invariante Si (100), la metrología STM elimina la mayor parte de la incertidumbre de posicionamiento relacionada con el AFM y pasos de metrología SEM. En la Figura 6B la matriz cuadro aparece sesgada, por ejemplo. Con la alta resolución de la metrología STM dando precisión atómica de las posiciones de característica dentro de la matriz, la inclinación aparente se puede confirmar que es debido a artefactos de imagen SEM. También, con separaciones muy conocidos precisamente entre las características de la matriz, una incertidumbre de calibración adicional con respecto a anchuras de línea en las imágenes de SEM se elimina. Este manuscrito describe un método que utiliza la nanofabricación precisión atómica de microscopio de efecto túnelbasado en la litografía despasivación hidrógeno (HDL). HDL produce patrones químicamente reactivos en un Si (100) superficie -H donde la deposición de capa atómica de titania produce una máscara de ataque localizado con una dimensión lateral demostrado hasta por debajo de 10 nm. Grabado iónico reactivo luego transfiere los patrones de HDL en el sustrato, por lo que 17 nm patrones altos con control lateral de alta precisión. Con el fin de lograr estos resultados, las muestras deben ser protegidos durante la ventilación y la transferencia entre los instrumentos. Con un control cuidadoso de la manipulación de la muestra, nanoestructuras con trazabilidad a la red atómica se pueden fabricar con precisión la posición atómica y ~ 1 nm de tamaño de precisión.

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. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig1.jpg" /> 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). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig1large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> 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&gt; 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&gt; 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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Si Wafer</td>
			<td>VA Semiconductor</td>
			<td></td>
			<td>P type (Boron) Si&#60;100&#62; +/- 2 degrees, 280 mm +/- 25 mm thick, 0.01-0.02 ohm-cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ta foil</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>335</td>
			<td>0.025mm (0.001in) thick, 99.997% (metals basis)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>19393</td>
			<td>Semiconductor Grade, 99.9%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Propanol</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>19397</td>
			<td>Semiconductor Grade, 99.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>19392</td>
			<td>Semiconductor Grade, 99.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Argon</td>
			<td>Praxair</td>
			<td></td>
			<td>Ultra high purity (grade 5.0)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deionized water</td>
			<td>Millipore</td>
			<td>Milli-Q Water Purification System</td>
			<td>&#62;18 MW resistance water produced on demand.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TiCl4</td>
			<td>Sigma Aldrigh</td>
			<td>254312</td>
			<td>&#8805;99.995% trace metals basis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>O2</td>
			<td>Matheson</td>
			<td>G2182101</td>
			<td>Research Grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SF6</td>
			<td>Matheson</td>
			<td>G2658922</td>
			<td>Ultra high purity (grade 4.7)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blue Medium Tack Roll</td>
			<td>Semiconductor Equipment Corporation</td>
			<td>18074</td>
			<td>Thickness 75 um / .003&#8221;&#160; Length 200 M / 660&#8217;&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

atomically traceable nanostructure fabrication

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.

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 colas de despasivación parcial que se extiende otro 2 nm a cada lado de la línea. Cuando se desean los patrones de alta precisión, el modo de la litografía AP se realiza utilizando 4 V sesgo de la muestra, 4 nA y 4 mC / cm (equivalente a 10 nm / seg de velocidad punta). La magnitud de la componente de modo AP de cada patrón depende de la anchura de los patrones parcialmente depassivated producidos utilizando el modo de FE. Ver la Figura 2 para ejemplos de imágenes de STM de patrones en Si (100) -H para los distintos modos de HDL. La Figura 2A muestra un pequeño pattern produce usando sólo el modo de HDL AP. La Figura 2B es un ejemplo de un patrón escrito usando multi-modo de litografía, donde las líneas de modo FE fueron de aproximadamente 6 nm de ancho, pero fueron escritos en un terreno de juego 10 nm, con aproximadamente 2 nm de cada borde escrito usando el modo de HDL AP. Las porciones modo de Fe en el interior del patrón fueron escritos en un campo de 10 nm, por lo que hay regiones estrechas dentro del patrón donde HDL era incompleta. Para grandes patrones, imprecisas modo de FE se puede usar solo, como en la figura 2C, donde un patrón de aproximadamente 1 m 2 SERP fue escrita en un campo de 20 nm. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig2.jpg" /> Figura 2. patrones Representante de HDL. (A) Imagen STM de un patrón HDL escrito con el modo de AP litografía de 4V, 4 nA, y 4 mC / cm (10 nm / seg). STM imagen de un mu (B)patrón HDL lti-mode escrito usando una combinación del modo de AP y el modo de FE (8V, 1 nA, 0,2 mC / cm). La línea de modo de tono FE fue elegido para ser ligeramente mayor que el ancho de línea escrita para mejorar la visibilidad de los vectores utilizados en la escritura. Modo de la litografía (C) FE de un gran serp localizador escrito en un campo de 20 nm. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> A fin de lograr la mejor producción máscara usando patrones de HDL atómicamente precisas, un alto grado de selectividad debe ser posible. Anteriormente, la selectividad ALD ha sido investigado por XPS y otros métodos que comparan la deposición sobre unpatterned Si (100) -H y Si (100) SiO x superficies como análogos para las áreas sin patrón y modelado, respectivamente. 27,31 Uso de fuerza atómica microscopía (AFM), observamos resultados similares, como se muestra en la Figura 3 </strong&gt;. 200 nm x 200 nm cuadrados fueron modelados sobre Si (100) -H con&gt; 90% de la de hidrógeno eliminado dentro de los patrones, y luego óxido de titanio se depositó sobre los patrones. Análisis AFM de los patrones en comparación con el fondo mostró que había una capa más alta de crecimiento on-patrón que la altura de defecto más alto en el fondo. La extrapolación de las curvas de crecimiento para el on-patrón y el fondo deposición indican una tasa de crecimiento idéntico, pero con una incubación de 20 ciclos para el crecimiento más alto de fondo. Vale la pena reiterar aquí que la mayor parte del crecimiento del fondo se produce con un tiempo de incubación mucho más tiempo. Como se describió anteriormente, la etapa de purga Ar es de gran importancia con el fin de lograr la selectividad porque ayuda a eliminar precursores adsorbidas. Los resultados preliminares con otros precursores de óxido de titanio, tales como tetrakis (dimetilamino) titanio, ver más reactividad de fondo, presumiblemente porque los precursores physisorb demasiado fuertemente a la de Si (100) superficie -H. Para evitar fondo adsorpción, una cuidadosa atención a la química precursora es de gran importancia. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig3.jpg" /> Figura 3. La selectividad de la deposición. De imagen (A) AFM Muestra mostrando TiO2 deposición en áreas estampadas y de fondo. La deposición se llevó a cabo a 100 ° C. profundidades (B) de deposición para varios números de ciclos. Las cruces representan la altura medida por AFM del crecimiento &quot;en el patrón&quot; en relación con el fondo. Los círculos abiertos muestran la altura medida por AFM de la más alta deposición de fondo dentro de un área de 200 nm x 200 nm cerca de un área de modelado. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig3large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> Dado que es posible depositar en Patte HDLrns, la investigación de los límites de características de patrones deben ser examinados. Si bien ya se ha demostrado que la ALD produce patrones relativos a los patrones de HDL amplió, y que las estructuras grabadas son ligeramente encogido relativa a las máscaras, el efecto de producir matrices altamente densas todavía sigue siendo algo sin resolver. Figura 4 muestra la HDL, titania enmascaran y estructuras grabadas para una serie de cuadrados fabricados utilizando modo FE líneas HDL escritas con un paso de 15 nm. En la Figura 4A, el patrón HDL muestra -ona dos serps girado por 90 grados con respecto a la otra-escrito con un sesgo 8 V punta-muestra, 1 nA actual, y 0,2 mC cm dosis / (o 50 nm / seg velocidad de la punta) . Hay claramente aberturas en el patrón de diferentes tamaños. Dentro de las aberturas a sí mismos, algunos HDL se ha producido, pero sigue siendo bajo en el orden de eliminación de 20% H. La Figura 4B muestra una imagen AFM de la misma después de la deposición patrón de máscara. Debido a la punta convoluefectos ción, las aberturas en el patrón son difíciles de resolver. Sin embargo, un orden claro es observable. Figura 4C es una imagen SEM del mismo patrón después de RIE. Aproximadamente el 60% de las aberturas deseadas fueron transferidos de hecho en el sustrato, lo que indica que este patrón de tamaño y la densidad es aproximadamente el límite para la fabricación de nanoestructuras eficaz usando el modo de HDL FE. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig4.jpg" /> Figura 4. Matriz de aberturas. (A) STM de HDL con líneas escritas con el modo FE. Dos patrones de serpentina, hace girar a 90 grados con respecto a la otra, están escritos con un paso de 10 nm. (B) AFM imagen después de 2,8 nm de ALD de TiO2 del mismo patrón. (C) SEM de la matriz &quot;agujero&quot; después RIE para eliminar 20 nm de Si. Tenga en cuenta que algunos &quot;agujeros&quot; no han podido grabar.<a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

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.

La fabricación de nanoestructuras Atómicamente trazable

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

atomically-traceable-nanostructure-fabrication

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

8.6K vistas.  Zyvex Labs. 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. 

Video: Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the quality factor (Q) of the cavity, can be in excess of 500ns for cavities with Q factors above 100 million. As a result of their low material losses, silica microcavities have demonstrated some of the longest photon lifetimes to date1-2. Since a portion of the circulating light extends outside the resonator, these devices can also be used to probe the surroundings. This interaction has enabled numerous experiments in biology, such as single molecule biodetection and antibody-antigen kinetics, as well as discoveries in other fields, such as development of ultra-low-threshold microlasers, characterization of thin films, and cavity quantum electrodynamics studies.3-7
The two primary silica resonant cavity geometries are the microsphere and the microtoroid. Both devices rely on a carbon dioxide laser reflow step to achieve their ultra-high-Q factors (Q&gt;100 million).1-2,8-9 However, there are several notable differences between the two structures. Silica microspheres are free-standing, supported by a single optical fiber, whereas silica microtoroids can be fabricated on a silicon wafer in large arrays using a combination of lithography and etching steps. These differences influence which device is optimal for a given experiment.
Here, we present detailed fabrication protocols for both types of resonant cavities. While the fabrication of microsphere resonant cavities is fairly straightforward, the fabrication of microtoroid resonant cavities requires additional specialized equipment and facilities (cleanroom). Therefore, this additional requirement may also influence which device is selected for a given experiment.
Introduction
An optical resonator efficiently confines light at specific wavelengths, known as the resonant wavelengths of the device. 1-2 The common figure of merit for these optical resonators is the quality factor or Q. This term describes the photon lifetime (&tau;o) within the resonator, which is directly related to the resonator's optical losses. Therefore, an optical resonator with a high Q factor has low optical losses, long photon lifetimes, and very low photon decay rates (1/&tau;o). As a result of the long photon lifetimes, it is possible to build-up extremely large circulating optical field intensities in these devices. This very unique property has allowed these devices to be used as laser sources and integrated biosensors.10
A unique sub-class of resonators is the whispering gallery mode optical microcavity. In these devices, the light is confined in circular orbits at the periphery. Therefore, the field is not completely confined within the device, but evanesces into the environment. Whispering gallery mode optical cavities have demonstrated some of the highest quality factors of any optical resonant cavity to date.9,11 Therefore, these devices are used throughout science and engineering, including in fundamental physics studies and in telecommunications as well as in biodetection experiments. 3-7,12
Optical microcavities can be fabricated from a wide range of materials and in a wide variety of geometries. A few examples include silica and silicon microtoroids, silicon, silicon nitride, and silica microdisks, micropillars, and silica and polymer microrings.13-17 The range in quality factor (Q) varies as dramatically as the geometry. Although both geometry and high Q are important considerations in any field, in many applications, there is far greater leverage in boosting device performance through Q enhancement. Among the numerous options detailed previously, the silica microsphere and the silica microtoroid resonator have achieved some of the highest Q factors to date.1,9 Additionally, as a result of the extremely low optical loss of silica from the visible through the near-IR, both microspheres and microtoroids are able to maintain their Q factors over a wide range of testing wavelengths.18 Finally, because silica is inherently biocompatible, it is routinely used in biodetection experiments.
In addition to high material absorption, there are several other potential loss mechanisms, including surface roughness, radiation loss, and contamination loss.2 Through an optimization of the device size, it is possible to eliminate radiation losses, which arise from poor optical field confinement within the device. Similarly, by storing a device in an appropriately clean environment, contamination of the surface can be minimized. Therefore, in addition to material loss, surface scattering is the primary loss mechanism of concern.2,8
In silica devices, surface scattering is minimized by using a laser reflow technique, which melts the silica through surface tension induced reflow. While spherical optical resonators have been studied for many years, it is only with recent advances in fabrication technologies that researchers been able to fabricate high quality silica optical toroidal microresonators (Q&gt;100 million) on a silicon substrate, thus paving the way for integration with microfluidics.1
The present series of protocols details how to fabricate both silica microsphere and microtoroid resonant cavities. While silica microsphere resonant cavities are well-established, microtoroid resonant cavities were only recently invented.1 As many of the fundamental methods used to fabricate the microsphere are also used in the more complex microtoroid fabrication procedure, by including both in a single protocol it will enable researchers to more easily trouble-shoot their experiments.

We describe the use of a carbon dioxide laser reflow technique to fabricate silica resonant cavities, including free-standing microspheres and on-chip microtoroids. The reflow method removes surface imperfections, allowing long photon lifetimes within both devices. The resulting devices have ultra high quality factors, enabling applications ranging from telecommunications to biodetection.

La fabricación de sílice de alta calidad Ultra microresonators Factor

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

Investigación

Ingeniería

Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers

Metamaterials (MM), artificial materials engineered to have properties that may not be found in nature, have been widely explored since the first theoretical1 and experimental demonstration2 of their unique properties. MMs can provide a highly controllable electromagnetic response, and to date have been demonstrated in every technologically relevant spectral range including the optical3, near IR4, mid IR5 , THz6 , mm-wave7 , microwave8 and radio9 bands. Applications include perfect lenses10, sensors11, telecommunications12, invisibility cloaks13 and filters14,15. We have recently developed single band16, dual band17 and broadband18 THz metamaterial absorber devices capable of greater than 80% absorption at the resonance peak. The concept of a MM absorber is especially important at THz frequencies where it is difficult to find strong frequency selective THz absorbers19. In our MM absorber the THz radiation is absorbed in a thickness of ~ &lambda;/20, overcoming the thickness limitation of traditional quarter wavelength absorbers. MM absorbers naturally lend themselves to THz detection applications, such as thermal sensors, and if integrated with suitable THz sources (e.g. QCLs), could lead to compact, highly sensitive, low cost, real time THz imaging systems.

This protocol outlines the simulation, fabrication and characterization of THz metamaterial absorbers. Such absorbers, when coupled with an appropriate sensor, have applications in THz imaging and spectroscopy.

Simulación, Fabricación y Caracterización de THz Amortiguadores metamateriales

Metamaterials (MM),  artificial materials engineered to have properties that may not be found in  nature, have been widely explored since the first ...

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from the inherent strong electron correlations that reside within them. These materials can also possess electronic phase separation in which regions of vastly different resistive and magnetic behavior can coexist within a single crystal alloy material. By reducing the scale of these materials to length scales at and below the inherent size of the electronic domains, novel behaviors can be exposed. Because of this and the fact that spin-charge-lattice-orbital order parameters each involve correlation lengths, spatially reducing these materials for transport measurements is a critical step in understanding the fundamental physics that drives complex behaviors. These materials also offer great potential to become the next generation of electronic devices 1-3. Thus, the fabrication of low dimensional nano- or micro-structures is extremely important to achieve new functionality. This involves multiple controllable processes from high quality thin film growth to accurate electronic property characterization. Here, we present fabrication protocols of high quality microstructures for complex oxide manganite devices. Detailed descriptions and required equipment of thin film growth, photo-lithography, and wire-bonding are presented.

We describe the use of pulsed laser deposition (PLD), photolithography and wire-bonding techniques to create micrometer scale complex oxides devices. The PLD is utilized to grow epitaxial thin films. Photolithography and wire-bonding techniques are introduced to create practical devices for measurement purposes.

La fabricación de óxidos complejos espacialmente confinados

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for synthesizing nanoscopic VB2 is presented as well as step-by-step procedure for applying a zirconium oxide coating to the VB2 particles for stabilization upon discharge. The process for disassembling existing zinc/air cells is shown, in addition construction of the new working electrode to replace the conventional zinc/air cell anode with a the nanoscopic VB2 anode. Finally, discharge of the completed VB2/air battery is reported. We show that using the zinc/air cell as a test bed is useful to provide a consistent configuration to study the performance of the high-energy high capacity nanoscopic VB2 anode.

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A protocol is presented to study multi-electron metal/air battery systems by using previous technology developed for the zinc/air cell. Electrochemical testing is then performed on fabricated batteries to evaluate performance.

Fabricación de VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Células aire para verificar Electroquímica

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Fabricación y Pruebas de microfluidos optomecánicos Osciladores

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.4 Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization5,6, beam pen lithography (BPL)7, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities1-3, opening the door to massive parallelization.

We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.

Patrones través ópticos saturable Transiciones - Fabricación y Caracterización

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors (MKIDs) for the detection of faint astrophysical signatures, as well as for quantum computing applications and materials characterization. In this paper, procedures are presented for the fabrication and characterization of thin-film superconducting microwave resonators. The fabrication methodology allows for the realization of superconducting transmission-line resonators with features on both sides of an atomically smooth single-crystal silicon dielectric. This work describes the procedure for the installation of resonator devices into a cryogenic microwave testbed and for cool-down below the superconducting transition temperature. The set-up of the cryogenic microwave testbed allows one to do careful measurements of the complex microwave transmission of these resonator devices, enabling the extraction of the properties of the superconducting lines and dielectric substrate (e.g., internal quality factors, loss and kinetic inductance fractions), which are important for device design and performance.

Superconducting microwave resonators are of interest for detection of light, quantum computing applications and materials characterization. This work presents a detailed procedure for fabrication and characterization of superconducting microwave resonator scattering parameters.

Fabricación y caracterización de resonadores superconductores

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long and hollow glassy carbon microfibers derived from human hairs is introduced. The long and hollow carbon structures were made by the pyrolysis of human hair at 900 &#176;C in a N2 atmosphere. The morphology and chemical composition of natural and pyrolyzed human hairs were investigated using scanning electron microscopy (SEM) and electron-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), respectively, to estimate the physical and chemical changes due to pyrolysis. Raman spectroscopy was used to confirm the glassy nature of the carbon microstructures. Pyrolyzed hair carbon was introduced to modify screen-printed carbon electrodes ; the modified electrodes were then applied to the electrochemical sensing of dopamine and ascorbic acid. Sensing performance of the modified sensors was improved as compared to the unmodified sensors. To obtain the desired carbon structure design, carbon micro-/nanoelectromechanical system (C-MEMS/C-NEMS) technology was developed. The most common C-MEMS/C-NEMS fabrication process consists of two steps: (i) the patterning of a carbon-rich base material, such as a photosensitive polymer, using photolithography; and (ii) carbonization through the pyrolysis of the patterned polymer in an oxygen-free environment. The C-MEMS/NEMS process has been widely used to develop microelectronic devices for various applications, including in micro-batteries, supercapacitors, glucose sensors, gas sensors, fuel cells, and triboelectric nanogenerators. Here, recent developments of a high-aspect ratio solid and hollow carbon microstructures with SU8 photoresists are discussed. The structural shrinkage during pyrolysis was investigated using confocal microscopy and SEM. Raman spectroscopy was used to confirm the crystallinity of the structure, and the atomic percentage of the elements present in the material before and after pyrolysis was measured using EDX.

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

Long and hollow glassy carbon microfibers were fabricated based on the pyrolysis of a natural product, human hair. The two fabrication steps of carbon microelectromechanical and carbon nanoelectromechanical systems, or C-MEMS and C-NEMS, are: (i) photolithography of a carbon-rich polymer precursor and (ii) pyrolysis of the patterned polymer precursor.

Fabricación de sistemas microelectromecánicos de carbono 3D (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long ...

Fabrication of Periodic Gold Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing in combination with new nanofabrication techniques. A plasmon is a quantum of charge density oscillation that lends nanoscale metals such as gold and silver unique optical properties. In particular, gold and silver nanoparticles exhibit localized surface plasmon resonances-collective charge density oscillations on the surface of the nanoparticle-in the visible spectrum. Here, we focus on the fabrication of periodic arrays of anisotropic plasmonic nanostructures. These half-shell (or nanocup) structures can exhibit additional unique light-bending and polarization-dependent optical properties that simple isotropic nanostructures cannot. Researchers are interested in the fabrication of periodic arrays of nanocups for a wide variety of applications such as low-cost optical devices, surface-enhanced Raman scattering, and tamper indication. We present a scalable technique based on colloidal lithography in which it is possible to easily fabricate large periodic arrays of nanocups using spin-coating and self-assembled commercially available polymeric nanospheres. Electron microscopy and optical spectroscopy from the visible to near-infrared (near-IR) was performed to confirm successful nanocup fabrication. We conclude with a demonstration of the transfer of nanocups to a flexible, conformal adhesive film.

We demonstrate the fabrication of periodic gold nanocup arrays using colloidal lithographic techniques and discuss the importance of nanoplasmonic films.

Fabricación de matrices Nanocup oro periódicas usando litografía coloidal

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing ...

Fabrication of Superhydrophobic Metal Surfaces for Anti-Icing Applications

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in industry. The wettability of the produced surface was analyzed by bouncing drop experiments and the topography was analyzed by confocal microscopy. In addition, we show various methodologies to measure its durability and anti-icing properties. Superhydrophobic surfaces hold a special texture that must be preserved to keep their water-repellency. To fabricate durable surfaces, we followed two strategies to incorporate a resistant texture. The first strategy is a direct incorporation of roughness to the metal substrate by acid etching. After this surface texturization, the surface energy was decreased by silanization or fluoropolymer deposition. The second strategy is the growth of a ceria layer (after surface texturization) that should enhance the surface hardness and corrosion resistance. The surface energy was decreased with a stearic acid film.
The durability of the superhydrophobic surfaces was examined by a particle impact test, mechanical wear by lateral abrasion, and UV-ozone resistance. The anti-icing properties were explored by studying the ability to repeal subcooled water, freezing delay, and ice adhesion.

We illustrate several methodologies to produce superhydrophobic metal surfaces and to explore their durability and anti-icing properties.

Fabricación de superficies metálicas superhidrófobos para aplicaciones anti-hielo

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in ...