Questo lavoro è stato sostenuto da un contratto da DARPA (N66001-08-C-2040) e da una sovvenzione da parte del Technology Fund Emerging dello Stato del Texas. Gli autori vorrebbero riconoscere Jiyoung Kim, Greg Mordi, Angela Azcatl, e Tom Scharf per i loro contributi relativi al selettivo strato deposizione atomica, così come Wallace Martin e Gordon Pollock per l&#39;elaborazione del campione ex-situ.

1. Ex-Situ la preparazione dei campioni <ol><li> Preparare chip <ol><li> Progettazione adeguata maschera di attacco per mettere identificare i marcatori in Si (100) wafer. Utilizzando litografia ottica standard RIE, incidere una griglia di linee come punti di riferimento nel wafer da cui saranno prelevati campioni STM. Le linee dovrebbero essere di 10 micron di larghezza, 1 micron di profondità, e al passo di 500 micron. Dopo l&#39;incisione, la striscia rimanente photoresist da campione. Nota: i punti di riferimento devono essere identificabili in situ per la localizzazione punta sul campione così come in AFM e SEM durante metrologia. </li><li> Proteggere superficie del wafer applicando tack nastro standard blu a dadi, il lato cattivo gusto verso il basso. </li><li> Wafer Dadi in chip con un diamante a punta a dadi ceramica ha visto in dimensioni appropriate per lo strumento specifico UHV-STM utilizzato per eseguire HDL. Qui, i campioni erano 8,1 millimetri x 8,1 millimetri quadrati. </li></ol></li><li> Dopo dadi, prepara chip per l&#39;inserimento in strumento patterning UHV-STM delicatamentesollevando il nastro a dadi, facendo attenzione a non toccare il chip con qualsiasi strumento contenenti nichel che indurre una ricostruzione superficie sfavorevole dopo UHV prep nella sezione 2 qui sotto. <ol><li> Clean chip risciacquo faccia anteriore per 10 secondi ciascuno con flussi di acetone, alcol isopropilico, metanolo e acqua deionizzata, rispettivamente, mentre afferrando i lati del campione con politetrafluoroetilene (PTFE) pinzette. Infine, asciugare con ultrapuro N 2 o Ar, ancora presa con le pinzette Teflon. </li><li> Chip campione Mount in portacampioni STM usando metodi appropriati per lo strumento specifico UHV-STM da utilizzare per HDL. <ol><li> In caso di montaggio in un portacampioni contenente nichel, tagliare le strisce tantalio foglio barriera (appx. 4 millimetri per l&#39;altezza del campione) con le forbici in titanio. Strisce di fogli con ultrasuoni per 5 minuti ciascuna in ultrapura acetone, alcol isopropilico, metanolo e acqua DI, rispettivamente. Asciugare con ultrapuro N 2 gas copre parzialmente un bicchiere con un foglio di alluminio e iniettareing un ugello N 2 nell&#39;apertura. Il flusso di gas fino a quando tutto il liquido è evaporato. Utilizzando le pinzette nichel liberi, forma lamina intorno finisce di campione poi morsetto a supporto del campione di isolare una parte anteriore e posteriore del campione dal supporto del campione. </li></ol></li><li> Dopo il montaggio, il plasma del campione pulito e supporto del campione in plasma di ossigeno per eliminare la contaminazione di carbonio. 28 </li></ol></li></ol> 2. UHV Preparazione del campione <ol><li> Introdurre campione nel sistema UHV via del carico di blocco o un altro metodo UHV-safe preferito in modo che l&#39;elaborazione UHV e HDL in genere può essere inferiore a 1.3 x 10 -9 mbar (ad eccezione per il punto 2.5.1.1 qui di seguito). </li><li> Degas O / N a 650 ° C, controllando la temperatura con un pirometro. Assicurarsi che la pressione della camera è entro il 25% del fondo. Nel caso qui descritto, tipiche pressioni di fondo sono di circa 4,5 x 10 -10 mbar. </li><li> Degas tungsteno idrogeno screpolature filamento a 1.500 ° C per 5 minuti.Attivare le pompe titanio sublimazione, se possibile. </li><li> Eseguire campione ciclo &quot;Flash&quot;. <ol><li> Campione Flash mediante riscaldamento a 1250 ° C per 20 sec, monitoraggio T con pirometro e utilizzando un 10 ° C / sec riscaldamento gradiente. Non superare la pressione massima di 7 x 10 -9 mbar. Raffreddare rimuovendo corrente di riscaldamento a meno di 5 sec. </li><li> Campione resto a 350 ° C per 5 min. per consentire la pressione di recuperare al basale. Ripetere 3 volte. </li></ol></li><li> Eseguire campione passivazione. <ol><li> Impostare temperatura del campione a 350 ° C utilizzando un pirometro per monitorare la temperatura. Introdurre 1,3 x 10 -6 mbar ultra-puro H 2 in camera di preparazione con valvola di tenuta. <ol><li> Mettere una trappola a freddo sulla linea H 2 molto vicino ad una valvola di perdita nel sistema per purificare ulteriormente H 2. </li><li> Se possibile, pompare sistema con alta velocità pompa turbo invece di una pompa ionica. Questo è così la pompa ionica non contamina il campione dall&#39;essere exposed alle alte contaminanti sotto pressione e espulsione. Le pompe sono rimessi nello stato normale dopo più l&#39;idrogeno è stato rimosso e il campione è ancora caldo (350 ° C). </li></ol></li><li> Accendere tungsteno idrogeno fessurazione filamento alla temperatura di 1.400 ° C per 12 min, quindi spegnere filamento e H 2 flusso di gas. Raffreddare campione RT. </li></ol></li></ol> 3. Scanning Tunneling Microscopy e litografia <ol><li> Trasferimento del campione a STM, e portare campione e punta STM in gamma tunneling. Utilizzo di una fotocamera con risoluzione di potere di meglio di una dimensione dello spot di 20 micron, prendere ad alta risoluzione ottica di giunzione punta-campione. Raddrizza e ridimensionare l&#39;immagine ottica in modo che rappresenti una riproduzione non distorta dei punti di riferimento. </li><li> Rimuovere qualsiasi illuminazione per ridurre le instabilità termiche del sistema. Determinare la qualità della superficie. <ol><li> Utilizzando tecniche convenzionali di STM con il campione di polarizzazione di -2.25 V e 200 pA, identificare il intorpiditoer di difetti sulla superficie. </li><li> Se i difetti superficiali sono al di sotto livelli accettabili, passare alla fase successiva. I livelli massimi accettabili dei difetti sono seguiti: legami liberi di 1%; Posti vacanti Si del 3%; contaminanti di 1%. </li></ol></li><li> Design Patterns HDL da produrre, includendo sia i modelli sperimentali e di grandi dimensioni (1 micron x 1 micron) modelli di identificazione serp. I modelli SERP devono essere compilati con una lunga asse di vettore perpendicolare all&#39;asse previsto scansione AFM veloce, con un passo di 15-20 nm. Frattura modello generale in forme fondamentali per definire il percorso seguito dalla punta quando si applica condizioni di HDL. 24 </li><li> Utilizzando uscite vettore dal passaggio precedente, eseguire HDL utilizzando la modalità FE litografia per grandi aree con il campione di polarizzazione di 7-9 V, corrente di 1 nA, e 0,2 mc / cm e AP litografia modalità per piccole aree o quelle aree che richiedono bordi precisione atomica . 24 <ol><li> Determinare ottimali AP condizioni modalità litografia di performing HDL con una varietà di condizioni di polarizzazione del campione compresa tra 3,5 e 4,5 V, corrente che vanno da 2 a 4 nA, e la linea dosaggi compresi fra 2 e 4 mC / cm. Scegliere le condizioni che producono la più stretta linea completamente depassivata. </li></ol></li><li> Eseguire STM metrologia sulle aree HDL modellata volute da immagini a -2.25 V campione pregiudizi e 0,2 nA corrente di tunnel. <ol><li> [Opzionale] Eseguire la correzione degli errori. Dopo STM metrologia, confrontare modello depassivazione nelle immagini STM con il modello desiderato dal punto 3.5. Se le aree mostrano insufficiente formazione del legame penzoloni, ripetere il ciclo litografia in quelle zone. </li></ol></li><li> Dopo aver completato STM HDL, disimpegnarsi punta da campione, e passare del campione per caricare serratura. </li><li> Vent e rimuovere il campione. Durante vent con ultrapuro N 2, proteggere campione contattando con inerti, substrato piana come zaffiro pulita. 29 Dopo la protezione delle superfici, chiudere le valvole a qualsiasi pompe poi introducono sfogo gas quicKly possibile. Rimuovere campione dal sistema. </li></ol> Trasporti 4. Campione <ol><li> Rimuovere campione dal blocco del carico. Rilasciare campione dal supporto del campione, inclusa la rimozione dei pezzi foglio barriera, se possibile. Utilizzando PTFE (o Ti) pinzette, spostare campione trasportatore, mantenendo lato anteriore di campione protetta, cercando di mantenere l&#39;esposizione atmosfera per meno di 10 min. </li><li> Installare il coperchio su campione e vagamente assemblare un teletrasporto campione pressurizzato. Sciacquare con ultrapuro Ar per 1 min. Non evacuare sistema in qualsiasi momento, o potrebbero verificarsi danni alla superficie. 29 Infine, transporter campione sigillo con una piccola pressione positiva (~ 50-100 mbar) di Ar in modo che il campione rimane stabile per un massimo a un mese. </li></ol> 5. Atomic Layer Deposition <ol><li> Assicurarsi che il ALD è alla temperatura di deposizione corretta (100 ° C). Aumentare lentamente la pressione argon nella camera ALD fino a raggiungere la pressione atmosferica. </li><li> Camera aperta ALD. </li><li> Aprire transporter campione e trasferire rapidamente alla camera ALD usando un paio di pinzette PTFE afferrare il campione sul bordo, quindi chiudere la camera di ALD e spurgare utilizzando un flusso di argon ad una pressione di &lt;2 × 10 -1 mbar per 1 ora degassare i campione. Impostare un processo per eseguire 80 cicli ripetuti di ALD a crescere 2,8 nm di titanio amorfo. <ol><li> Utilizzando un sistema non modificato ALD commerciale ad una temperatura del campione di 100-150 ° C, con tetracloruro di titanio (TiCl 4) e acqua (H 2 O) come precursori eseguono deposizione con reagenti a pressioni di 0,3 mbar e 0,8 mbar, con tempi di impulso di 0,1 sec e 0,05 sec, rispettivamente. 27 </li><li> Dopo ogni impulso gas, spurgare il reattore con Ar per 60 secondi a 0,2 mbar per garantire sfondo minimal deposizione a causa di reagenti physisorbed. Per le maschere in questo lavoro, 80 cicli ALD vengono adibite alla coltivazione di circa 2,8 nm di titanio amorfo a 100 ° C. </li></ol&gt; </li><li> Lentamente vent camera a ALD gas Ar e aperto. Ripetere i punti 4.1 e 4.2 per il trasporto del campione. </li></ol> 6. microscopia a forza atomica (AFM) <ol><li> Garantire la corretta calibrazione del AFM secondo il protocollo del produttore. Aprire campione trasportatore e rimuovere delicatamente esempio utilizzando una pinzetta. </li><li> Dopo aver rimosso dal trasportatore, installare saldamente il campione nella AFM utilizzando un metodo di montaggio meccanico come un sistema di bloccaggio, se possibile. Fuoco la videocamera AFM sul campione, e individuare le marcature fiduciali sulla superficie del campione per allineare la punta AFM al modello basato sulla metrologia ottica nel passo 3.2. </li><li> Verificare che le impostazioni AFM mostrerà sia le informazioni di altezza e la fase e impostare il formato di scansione per essere tra 20 e 40 micron di larghezza. Inserire la punta AFM sul campione. </li><li> Utilizzando le informazioni di altezza e la fase a più alta risoluzione, scansione fino a quando sono identificati regione modelli di localizzazione. Zoom in re fantasiagione e localizzare la regione in cui si desidera un&#39;immagine. </li><li> Prendere un&#39;immagine delle regioni desiderati utilizzando la qualità dell&#39;immagine e la risoluzione appropriate (tipicamente la più alta possibile). Una volta che tutte le regioni desiderati sono stati sottoposti a scansione, staccare la punta dal campione. Scaricare il campione. Ripetere i punti 4.1 e 4.2 per il trasporto del campione. </li></ol> 7. Reactive Ion Etching <ol><li> Raffreddare reattore RIE capacitivamente accoppiato a -110 ° C, quindi caricare il campione nella sua camera intro e pompa fino a 7,5 x 10 -6 mbar. <ol><li> Stabilizzare la temperatura per 3 min. Poi accendere il gas con portate di O 2 a 8 SCCM (centimetri cubici standard al minuto), Ar a 40 sccm, e SF 6 a 20 sccm. </li><li> Plasma colpo usando una scarica RF 150 W, quindi modificare il flusso di gas a etch per 1 min usando SF 6 a 52 sccm e O 2 a 8 sccm. Interazione di tali gas con Si inciderà ad una velocità di circa 20 nm / min. 30 </sup&gt; </li><li> Pompa a vuoto a 7,5 x 10 -6 mbar. Vent sistema RIE. Ripetere i punti 4.1 e 4.2 per il trasporto del campione. </li></ol></li></ol> 8. microscopia elettronica a scansione (SEM) <ol><li> SEM montaggio del campione e l&#39;introduzione del campione sistema. <ol><li> Mettere campione non adesivo di montaggio in una posizione strategica per facilitare il montaggio del campione. </li><li> Aprire campione trasportatore e rimuovere delicatamente campione con una pinzetta per afferrare il campione per i bordi e sicuro installare in SEM monte, quindi introdurre il montaggio campione in SEM. </li><li> Vent e aperto camera SEM. Trovare e installare il gruppo campione sul palco del campione SEM. Pump down camera di SEM. </li></ol></li><li> Individuare i fiducial. <ol><li> Portare l&#39;ingrandimento al più basso valore possibile. Selezionare le impostazioni correnti di accelerazione della tensione e del fascio che darebbero una buona risoluzione. Iniziare con basse impostazioni accettabili. Salite in base alle esigenze. </li><li> Attivare il fascio di elettroni. Portare la regione in generaledi interesse per distanza di lavoro consigliata e l&#39;altezza eucentrica. </li><li> Individuare e concentrarsi su fiducials descritte nella sezione 1.1. Regolare la distanza di lavoro, se necessario. Ottimizzare la messa a fuoco, la luminosità e il contrasto. </li></ol></li><li> Individuare e immagine dei modelli. <ol><li> Relativamente ai fiduciali, individuare i modelli basati sulla metrologia ottica di sezioni 3.2 e AFM metrologia sezione 6. Per minimizzare la deposizione di carbonio sui modelli, ottimizzare messa a fuoco utilizzando vicine funzioni non essenziali. Una volta ottimizzato, per passare a modelli e acquisire pianificare visualizzare immagini e misurazioni. </li><li> Se necessario, inclinare il campione per le immagini 3D e misure di altezza del modello. Per gli altri modelli, ripetere da 8,3 a seconda delle necessità. </li></ol></li><li> Eseguire SEM routine di chiusura del sistema e smontare campioni / s, come prescritto dal costruttore SEM. Fissare il campione di nuovo nel teletrasporto. </li><li> Ripetere i punti 4.3 e 4.4 per il trasporto e lo stoccaggio del campione. A questo punto, i campioni sono robusti e possonoessere conservati per un periodo di tempo indefinito. Eseguire post-immagini analizza se necessario. </li></ol>

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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. 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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.

Esecuzione di metrologia sulle nanostrutture sopra descritti richiede la capacità di colmare il posizionamento punta durante HDL e modello posizione utilizzando altri strumenti come AFM e SEM. A differenza di altri strumenti di patterning ben sviluppati con codifica posizione ad alta risoluzione, come l&#39;e-litografia, l&#39;HDL esibiti qui è stata eseguita con un STM senza posizionamento grossolano ben controllata, così sono stati utilizzati i protocolli di identificazione di posizione in più, come mostrato in figura 3 . In primo luogo, un microscopio a lunga lunghezza focale è posizionato al di fuori del sistema UHV circa 20 cm dalla giunzione punta-campione. Il campione è modellata con una griglia quadrata di 10 micron linee larghe, 1 micron di profondità, su un campo di 500 micron per facilitare l&#39;identificazione della posizione punta sulla superficie. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig5.jpg" /> Immagini Figura 5. Motivo localizzazione di samp<html> le. (A) Ottica dell&#39;immagine STM punta (a sinistra) e il suo riflesso (a destra) nella superficie di Si (100) su una superficie di campione con 500 micron passo linea del modello. Le linee sono 1 micron di profondità e 10 micron di larghezza prima UHV elaborazione. Le linee guida sono inclusi per indicare altresì le direzioni di linea. (B) Close-up, de-distorta ottica dell&#39;immagine della punta (in basso a sinistra) e il suo riflesso (in alto a destra). La posizione punto centrale tra la punta e il suo riflesso viene identificato all&#39;interno del 500 micron x 500 micron quadrati fiduciale C:. Primo piano di posizione patterning con uno spot di 50 micron incluso per la scala D:. 5 micron x 5 micron immagine AFM di un&#39;intera area modellata dopo ALD E:.. 1 micron x 1 micron SEM immagine di uno dei modelli di localizzatore dopo RIE <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig5large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> e_content &quot;&gt; Il primo passo per localizzare nanostrutture è identificare la posizione punta sulla superficie, 32,33 che si realizza in questo caso utilizzando un microscopio a lunga distanza di lavoro. Figura 5A mostra un&#39;immagine ottica della punta quando è impegnato con il campione, con linee tratteggiate aggiunto per guidare il lettore per le direzioni della griglia fiducial. Per individuare la giunzione punta / campione dell&#39;immagine ottica è unskewed per fare una griglia quadrata, come mostrato nella Figura 5B, anche se vi sono errori di trattamento ad alta temperatura dei campioni causa significativa migrazione atomo superficie. Questo riduce la profondità e la visibilità della griglia fiducial come immaginato qui, aumentando l&#39;incertezza nella posizione della punta. 32 Mentre è stato dimostrato in precedenza che l&#39;elaborazione del campione ad alta temperatura indurrà significativa ricostruzione superficiale scala atomica, la passo griglia utilizzata qui è abbastanza grande per avere scarso effetto sulla ricostruzione superficiale nel mezzo del squared definita dalla griglia. 34 Tuttavia, in prossimità dei bordi delle aree modellate, passo raggruppamento si verifica con asimmetria che dipende dalla direzione del flusso di corrente durante la preparazione del campione. 34 Poiché l&#39;imaging ottico è effettuata ad un angolo obliquo rispetto alla superficie , piccole variazioni di altezza su un lato di una trincea rispetto all&#39;altro indurranno ulteriore incertezza nel modello di posizione, soprattutto se confrontato con piano a vista imaging in AFM o normale SEM. Dopo la punta impegna il campione, il 10 micron dimensione del punto focale del microscopio insieme con i ~ 20 micron post elaborazione risultati larghezza di riga di riferimento nel un&#39;incertezza approssimativo in identificazione della posizione del modello di ± 27 micron. Questo definisce la finestra di ricerca per l&#39;utilizzo di varie tecniche per l&#39;identificazione del modello. Per facilitare il percorso dei minori 10-100 nm Caratteristiche, ulteriori ampi SERP sono aggiunti in prossimità dei modelli su scala nanometrica, uns mostrato in Figura 5B. Questi serps 800 nm x 800 nm sono scritti utilizzando la modalità FE HDL con linee verticali e le lacune di 15 nm ciascuno. Allineando la direzione di scansione veloce AFM sia perpendicolare alle linee SERP (cioè, scansione orizzontale), questi schemi tendono a mostrare un alto contrasto dell&#39;immagine di fase AFM in causa dell&#39;elevata frequenza spaziale della topografia, facilitando ulteriormente posizione pattern. Una volta che questi modelli si trovano, diventa molto più facile per trovare i modelli più piccoli su scala nanometrica che sono posti con circa 100 nm accuratezza rispetto ai grandi modelli. Per questo processo di fabbricazione di nanostrutture, il campione subisce esposizione atmosferica tra ciascun passo importante processo una volta HDL è stato eseguito, come mostrato schematicamente in figura 1. Detto questo, si deve garantire che il campione non si degrada in qualsiasi punto nella gestione. Come mostrato sopra, vi è una quantità finita di sfondo deposizione durante ALD, che si presume sementi su siti difetto di fondo. 31 Così, uso improprio come l&#39;esposizione atmosfera estesa può aumentare il numero di difetti di fondo e di ridurre l&#39;ALD selettività apparente. Un meccanismo di degrado superficiale aggiuntivo può verificarsi durante l&#39;apertura del campione dal carico-lock UHV alle condizioni atmosferiche. 29 Per alleviare questo problema, un chip zaffiro molla che è stato montato su un attuatore lineare in UHV entra in contatto per la spessa 125 micron campione pellicola che contatti il ​​campione per prevenire il degrado superficie di montaggio. Una volta che il campione è in condizioni atmosferiche, il tasso di accumulazione legame penzoloni rimane basso (cioè, &lt;0,1% / hr) per almeno diverse ore, così finché il campione viene inserito in un ambiente stabile come ultra-pura Ar entro meno di 1 ora, il fondo aggiuntivo di deposizione a causa di danni alla superficie dovrebbe rimanere basso. A questo punto, si deve notare che il campione non deve essere storato in un ambiente sotto vuoto, in quanto ciò richiede un ciclo di spurgo / pump-down supplementare, aggiungendo la possibilità di danni superficiali. Questo tempo tra HDL e ALD è il punto in cui il campione è più sensibile dato che non è ancora stata applicata la maschera etch. Dopo ALD, il campione deve ancora protezione, ma solo per prevenire la crescita maschera aggiuntiva dovuta alla formazione di biossido di silicio, un processo relativamente lento. Nei modelli mostrati nella figura 4, il HDL rimosso&gt; 80% dello sfondo H all&#39;interno del centro dei modelli, con un roll-off spaziale nella efficienza della depassivazione viene raggiunto il bordo della linea. 24 Dati i limiti di molto limitato ALD sullo sfondo e l&#39;incubazione libera crescita su modelli completamente depassivata (Figura 3), i bordi dei modelli FE modalità in cui vi è una transizione da HDL pienamente efficace e non HDL, mostrano una transizione dell&#39;efficacia della crescita maschera ALD. Sotto il 70% rimozione H duranteHDL è dove questa transizione inizia a verificarsi, indicando una regione approssimativa di ~ 2 nm su ciascun lato di una linea modalità FE dove si verifica parziale maschera deposizione. 35 Inoltre, la crescita ALD avviene in maniera &quot;fungo&quot;, 36 ampliare ulteriormente la maschera relativa ai modelli HDL in modo che una maschera di 2,8 nm allarga tutte le caratteristiche maschere in misura corrispondente. Per riassumere, la larghezza di riga ALD può essere espresso come W m = W sat + f (d H) + M dove W m è la larghezza totale, W SAT è la larghezza della linea in cui la HDL ha saturato rimuovere&gt; 70% della superficie H, f (d H) è la larghezza aggiuntiva dovuta alla crescita in ogni punto a causa della densità di H che rimane sulla superficie, e M è la larghezza di riga aggiuntiva dovuta alla proliferazione di crescita. d H dipende dalla distanza spaziale dal bordo saturodel modello HDL, quindi f (d H) diventa f (r) poiché non vi è dipendenza spaziale della HDL. Di questi termini, W sedeva interpreta il ruolo primario nella larghezza di riga generale, e gli altri termini determinare il livello di roll-off dei bordi di linea. Con l&#39;ultimo nanostrutture, la maschera ALD da solo non determina la dimensione totale funzionalità. Invece, il formato del modello dipende dal grado di erosione del substrato sotto la maschera. La larghezza di riga inciso totale è espresso in W t = W m - W e = W sat + f (r) + M - W e, dove W e indica una larghezza di riga erosione o riduzione delle dimensioni del modello a causa del processo di incisione. Questo dipende, tra l&#39;altro, lo spessore e la qualità della maschera etch come descritto sopra per W m. Fo un caso in cui la larghezza di riga richiede semplicemente la rimozione della maschera prima che si verifichi l&#39;incisione, il termine e W è zero, tuttavia si osserva che vi è una modifica della dimensione del tratto dopo incisione rispetto alla forma della maschera, suggerendo che dinamiche più complicati in gioco. Degli elementi determinanti limitazioni larghezza di riga, W seduta può essere ridotta ad una larghezza minima di ~ 4 nm prima che la crescita ferma appare la stessa massa ALD. 35 degli altri elementi l&#39;effetto di crescita dei funghi, M (e di conseguenza W m) , può essere ridotta soltanto se lo spessore totale della pellicola è ridotta, correla con l&#39;altezza nanostruttura totale dopo incisione. La linea effetto dovuto alla dipendenza spaziale della densità di H che rimane sulla superficie ampliare, f (d H), può essere ridotta quasi a zero utilizzando multi-modalità HDL che produce linea HDL bordi con trascurabili line edge roll-off. 24 Per dimostrare l&#39;effetto di questa riduzione f (d H), la figura 6 mostra una matrice di modello di quadrati prodotte utilizzando multimodale HDL. L&#39;array comprende modelli con linewidths HDL di 7 nm, 14 nm e 21 nm da cima a fondo, e HDL interne dimensioni di 7 nm, 14 nm e 21 nm apertura da sinistra a destra. Mentre vi è un leggero disallineamento del HDL multimodale nella riga inferiore, lungo la fila superiore della registrazione è preciso &lt;1 nm. Dopo RIE, le linee rimangono essenzialmente intatto larghezze di 5 nm con due piccoli difetti, e le aperture tra linee sono risolvibili per tutti i modelli con 7 fori malapena risolvibili nm usando questo strumento di misura. <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig6.jpg" /> Figura 6. linewidth e prova holewidth. (A) STM di HDL di scatole scritte utilizzando multi-mode HDL. Il linewidth di righe è 21 nm, 14 nm, e 7 nm dal basso verso l&#39;alto, rispettivamente, e il holewidth delle colonne è 7 nm, 14 nm e 21 nm da sinistra a destra, rispettivamente. (B) SEM degli stessi modelli dopo ALD e RIE. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> I limiti ultimi di questo processo dipendono selettività del processo ALD, la qualità della HDL, la resistenza della maschera per incisione, e la funzione desiderata stessi forme. Metodi per migliorare la selettività sulla base di chimica e di mitigazione sfondo difetto è già stato affrontato in precedenza. È stato precedentemente dimostrato che lasciare difetti H nelle zone fantasia riduce la qualità della crescita maschera, e quindi la resistenza all&#39;attacco. 35 Inoltre, la mancanza di un attento controllo sui bordi modellati linea comporta una maschera &quot;roll-off&quot;, o eccessivo thinning della maschera lungo i bordi dei disegni che agisce come un effetto di prossimità impedire vicina di modelli. Fortunatamente, la selettività del processo di attacco dipende dallo spessore maschera, in modo per la deposizione spurie sullo sfondo o difetti lungo i bordi dei disegni l&#39;effetto netto è piccola. Inoltre, per le strutture più corte di 20 nm, livelli maschera più sottili sarà probabilmente possibile. Poiché la crescita ALD avviene in modo funghi, maschere più sottile per strutture più brevi si tradurrà nel controllo anche laterale e caratteristiche piccole di quelle dimostrato qui. Mentre le riduzioni finali di dimensione caratteristica non sono noti per questo processo, certamente un po &#39;di demoltiplicazione è probabile. Mentre metrologia SEM lascia incertezza sulla dimensione del tratto e posizionamento, il primo passo metrologia descritto in alto nella figura 1 dà precisione atomica in relazione al modello di HDL come scritto. Poiché la (100) superficie -H Si compone di una very reticolo regolare, e poiché il STM può funzionare in una modalità di imaging non distruttiva, i modelli HDL può essere ripreso senza indurre ulteriore superficie danneggiata o ulteriori patterning, a differenza di altre tecniche come litografia a fascio elettronico. Con la scala di imaging atomica del reticolo invariante Si (100), la metrologia STM elimina la maggior parte delle incertezze di posizionamento relativo alla AFM e SEM passi metrologia. Nella Figura 6B matrice scatola appare distorta, per esempio. Con l&#39;alta risoluzione metrologica della STM dare precisione atomica delle posizioni funzionalità all&#39;interno della matrice, l&#39;inclinazione apparente può essere confermato per essere a causa di artefatti di imaging SEM. Inoltre, con spaziature altamente noti con precisione tra le caratteristiche di matrice, una incertezza calibrazione aggiuntivo rispetto al linewidths nelle immagini SEM è eliminato. Questo manoscritto descrive un metodo nanofabbricazione che utilizza la precisione atomica del microscopio a scansione tunnelbasata su litografia idrogeno depassivazione (HDL). HDL produce modelli chimicamente reattivi su Si (100) superficie -H dove deposizione strato atomico di titania produce una maschera etch localizzata con una dimensione laterale dimostrato scende sotto 10 nm. Ioni reattivi trasferisce i modelli HDL nel substrato, rendendo 17 schemi alti nm con controllo laterale alta precisione. Al fine di raggiungere questi risultati, i campioni devono essere protetti durante l&#39;apertura e il trasferimento tra strumenti. Con un attento controllo della gestione del campione, nanostrutture con riferibilità al reticolo atomico possono essere fabbricate con precisione la posizione atomico e ~ precisione 1 nm formato.

Come nanotecnologie diventa più importante in una vasta gamma di arene, la comprensione delle strutture in formazione acquista importanza, soprattutto nel settore della litografia e dell&#39;elettronica. Per sottolineare l&#39;importanza della metrologia su nanoscala, specificamente a scale inferiori a 10 nm, si deve ricordare che una variazione nella dimensione del tratto solo 1 nm indica una variazione frazionaria almeno il 10%. Questa variazione può avere implicazioni significative per le prestazioni del dispositivo e carattere materiale 1,2 -. 4 Utilizzando metodi di sintesi, le caratteristiche individuali costituite in modo molto preciso, quali punti quantici o altre molecole complesse possono essere fabbricati, 2,5,6 ma generalmente manca la stessa precisione in funzione posizionamento e orientamento, nonostante il lavoro verso il miglioramento dimensioni e la posizione di controllo. Questo documento dimostra un approccio per la fabbricazione di nanostrutture con precisione vicino a dimensioni atomiche e precisione atomica in funzione di collocamento, così comecon la metrologia atomico in funzione posizionamento. Utilizzando la precisione atomica di effetto tunnel Microscope (STM) di idrogeno indotto depassivazione Lithography (HDL), i modelli atomicamente precisi con contrasto chimicamente sensibile sono formati su una superficie. Selective Deposition Atomic Layer (ALD) applica quindi un materiale ossido duro nelle zone fantasia, con Reactive Ion Etching (RIE) infine trasferire i pattern nel materiale sfuso, come mostrato schematicamente in figura 1. Combinando il processo HDL altamente preciso con lo standard ALD e RIE elabora i risultati in un metodo flessibile per produrre nanostrutture su una superficie di forma arbitraria e posizionamento. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig1.jpg" /> Figura 1. primario di nanofabbricazione Fasi del processo. Come esempio, un 200 nm x 200 nm quadrata è mostrato. Ogni freccia cerchiato indica una fase di esposizione atmosferica e tRASPORTI tra i siti. Dopo la preparazione del campione UHV, il campione è modellato utilizzando UHV HDL seguito da STM metrologia (in alto a sinistra). ALD viene quindi eseguita, seguita da AFM metrologia (a destra). RIE trasferisce i modelli in Si (100), seguita da SEM metrologia (in basso a sinistra). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> La litografia più preciso per la data di solito comporta tecniche sonda digitalizzate, patterning particolare a base di STM in cui è stata dimostrata risoluzione atomica patterning e funzionalizzazione per molte applicazioni. 7 nanostrutture In precedenza, la manipolazione atomo ha prodotto con la massima precisione utilizzando singoli atomi come mattoni, 8 , 9,10 ma le nanostrutture necessarie condizioni criogeniche e dunque mancava termine-lungo robustezza. RT manipolazione atomo rimozione di atomi di idrogeno dalla superficie è stato dimostrato, specifically HDL. 11,12,13 HDL promette di attivare nuove classi di elettronica e di altri dispositivi basati sulla localizzazione spaziale di contrasto di superficie. Utilizzando HDL senza ulteriore elaborazione, varie architetture di dispositivo sono possibili compreso penzoloni fili di collegamento o dispositivi logici. 14,15,16 Oltre a fornire contrasto elettrica, HDL può introdurre contrasto chimico della superficie dove lo strato passivante H è stato rimosso, in effetti creazione di un modello per l&#39;ulteriore modificazione chimica. Questa modificazione chimica è stata dimostrata su silicio e altre superfici, mostrando selettività per la deposizione di metalli, 17, 18 isolanti e semiconduttori persino. 16,19 Ciascuno di questi esempi produce due strutture tridimensionali, così altre fasi di trattamento deve essere utilizzato per produrre vera tre strutture tridimensionali con il controllo atomico deliberato promesso da HDL. In precedenza, questo ha richiesto patterning ripetuto, 19,20,21 ricottura, 22 </sup&gt; o meno ben risolto processi come l&#39;e-beam punta a base di deposizione indotta. 23 Simile a litografia a fascio elettronico, HDL utilizza un flusso localizzata di elettroni per esporre un resistere. Esistono ad esempio diverse analogie come la capacità di eseguire multi-mode litografia con dimensioni dello spot variabile e l&#39;efficienza patterning. 24 Tuttavia, il vero potere di HDL nasce da come si differenzia da litografia a fascio elettronico. Innanzitutto, il resist in HDL è un monostrato di idrogeno atomico modo che resistono esposizione diventa un processo digitale; resist atomo è o non è presente. 25 Poiché il posizionamento H atomo corrisponde Si sottostante (100) reticolare il processo HDL può essere un processo atomicamente preciso, anche se va notato che in questo documento HDL ha precisione nanometrica come contrario di avere perfezione atomico e quindi non è digitale in questo caso. Poiché la sorgente di elettroni in HDL è locale alla superficie, i vari modi di funzionamento STM facilitano siaottimizzazione del throughput, così come il controllo degli errori. Al pregiudizi punta-campione sotto ~ 4,5 V, la litografia può essere eseguita a livello di atomo singolo con precisione atomica, nota come modalità Precise Atomicamente (modalità AP). Al contrario, a pregiudizi sopra ~ 7 V, gli elettroni sono emessi direttamente dalla punta al campione con linewidths ampi ed efficienze alto depassivazione, conosciuto qui come modalità Field Emission (modalità FE). Throughput HDL possono essere ottimizzate da una attenta combinazione di questi due modi, anche se i throughput complessivi rimangono piccoli rispetto a e-litografia a fascio di patterning fino a 1 micron 2 / minuto possibile. Quando la polarizzazione viene invertita in modo che il campione viene tenuto a ~ -2.25 V, elettroni tunnel dal campione alla punta a bassissima efficienza depassivazione, permettendo così l&#39;ispezione della struttura atomica della superficie sia per la correzione degli errori e per la metrologia scala atomica . Questo processo di fabbricazione di nanostrutture mostrato nella Figura 1 </strong&gt; inizia con una fase UHV-HDL, come descritto sopra. Dopo HDL, il campione viene scaricato all&#39;atmosfera, momento in cui le aree modellate diventano saturi con acqua, formando un sottile (cioè, ~ 1 monostrato) SiO 2 strati. 26 Dopo il trasporto, il campione viene inserito in una camera di ALD per la deposizione di titania (TiO 2), con spessori circa 2-3 nm depositato qui, misurata mediante AFM e XPS. 27 Poiché la reazione titania dipende da una saturazione d&#39;acqua della superficie, questo processo è possibile nonostante l&#39;esposizione atmosfera che satura la superficie con acqua . Successivamente, per trasferire il modello di maschera ALD nel bulk del campione è stato inciso con RIE modo che 20 nm di Si è rimosso, con la profondità di incisione determinata mediante AFM e SEM. Per facilitare passi metrologia, un Si (100) wafer è modellato con una griglia di linee che sono progettati per essere visibile dopo UHV preparazione di una distanza microscopio ottico lungo lavoro, AFM plan view imaging ottico, ebasso ingrandimento piano-view SEM imaging. Per facilitare l&#39;identificazione delle strutture a nanoscala, modelli di 1 micron 2 serpentino (SERP) sono modellati sui campioni con i nanopatterns più isolate situate in posizioni fisse relative al SERP. Questa combinazione di HDL, ALD selettiva, e RIE può essere un processo importante per nanostrutture, e comprende un metrologia scala atomica come sottoprodotto naturale del processo. Di seguito, includiamo una descrizione dettagliata delle fasi per fabbricare sub-10 nm nanostrutture a Si (100) utilizzando HDL, ALD selettiva, e RIE. Si presume che si è specializzata in ognuno di questi processi, ma le informazioni saranno incluse correlate come integrare i vari processi. Particolare enfasi sarà data alle difficoltà impreviste incontrate dagli autori al fine di evitare che le stesse difficoltà, soprattutto in relazione ai trasporti e metrologia.

<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.

Nei casi descritti, HDL viene eseguita utilizzando multi-mode litografia. 24 In modalità FE, eseguita con 8 V polarizzazione del campione, 1 nA, e 0,2 mc / cm (equivalente a 50 nm / sec di velocità di punta), la punta si muove sopra la superficie parallelamente o perpendicolarmente al reticolo Si, producendo linee di depassivazione. Mentre questa forma di riga è molto punta dipendente, nel caso di specie, la porzione completamente depassivata delle linee è di circa 6 nm di larghezza, con code di depassivazione parziale estendere un&#39;altra 2 nm su entrambi i lati della linea. Quando i modelli di alta precisione sono desiderati, modalità AP litografia viene eseguita utilizzando 4 V di polarizzazione del campione, 4 nA, e 4 mc / cm (equivalente a 10 nm / sec di velocità di punta). L&#39;entità della componente modalità AP di ogni modello dipende dalla larghezza dei modelli parzialmente depassivata prodotte utilizzando la modalità FE. Vedere Figura 2 per gli esempi di immagini STM di modelli su Si (100) -H per i vari modi di HDL. Figura 2A mostra un piccolo pattern prodotta utilizzando unicamente il modo AP HDL. Figura 2B è un esempio di un modello scritto usando multimodale litografia, dove le linee modalità FE erano larghi circa 6 nm, ma sono stati scritti su un campo 10 nm, con circa 2 nm di ciascun bordo scritto utilizzando la modalità AP HDL. Le porzioni modalità FE nell&#39;interno del modello sono stati scritti su un campo di 10 nm, quindi non ci sono regioni stretti all&#39;interno del modello dove HDL era incompleta. Per grandi, modelli imprecisi modalità FE può essere usato da solo, come in Figura 2C in cui un modello di circa 1 micron 2 serp era scritto su un passo di 20 nm. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig2.jpg" /> Figura 2. modelli Rappresentante HDL. (A) Immagine STM di un modello di HDL scritto con modalità AP litografia 4V, 4 nA, e 4 mc / cm (10 nm / sec). (B) Immagine STM di un multi-mode HDL modello scritto utilizzando una combinazione di modalità AP e modo FE (8V, 1 nA, 0,2 mc / cm). La linea modalità passo FE è stato scelto per essere leggermente più grande della larghezza di riga scritta per migliorare la visibilità dei vettori utilizzati per iscritto. Modalità (C) FE litografia di un grande localizzatore SERP scritta su un campo di 20 nm. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig2large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Al fine di ottenere la migliore produzione maschera utilizzando modelli HDL atomicamente precisi, un elevato grado di selettività deve essere possibile. In precedenza, la selettività ALD è stato studiato per XPS e altri metodi a confronto deposizione su nanostrutturata Si (100) -H e Si (100) -SiO x superfici come analoghi per le aree nanostrutturata e fantasia, rispettivamente. 27,31 Uso forza atomica microscopia (AFM), osserviamo risultati simili, come mostrato in figura 3 </strong&gt;. 200 nm x 200 nm piazze erano modellati su Si (100) -H con&gt; 90% dell&#39;idrogeno rimosso entro i modelli, e quindi titania è stato depositato sui modelli. Analisi AFM dei modelli rispetto allo sfondo mostrato che vi era un livello più alto di crescita su-pattern rispetto all&#39;altezza di un difetto più alto sullo sfondo. L&#39;estrapolazione delle curve di crescita per l&#39;on-pattern and background deposizione indica un tasso di crescita identico, ma con una incubazione di 20 cicli per la più alta crescita sfondo. Vale la pena di ribadire qui che la maggior parte della crescita sfondo avviene con un tempo di incubazione molto più lungo. Come descritto sopra, la fase di spurgo Ar è di grande importanza per ottenere selettività perché aiuta a rimuovere precursori physisorbed. I risultati preliminari con altri precursori di titanio, come tetrakis (dimetilammino) titanio, mostrano più di fondo reattività, presumibilmente perché i precursori physisorb troppo forte per il Si (100) di superficie -H. Per prevenire sfondo adsorption, attenzione alla chimica precursore è di grande importanza. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig3.jpg" /> Figura 3. Selettività di deposizione. Immagine (A) AFM campione mostra TiO2 deposizione sulle aree a motivi geometrici e di sfondo. Deposizione è stata effettuata a 100 ° C. profondità (B) deposizione per vari numeri di cicli. Le croci rappresentano l&#39;altezza misurata mediante AFM della crescita &quot;a pattern&quot; rispetto allo sfondo. I cerchi aperti indicano l&#39;altezza misurata dal AFM delle più alte sfondo deposito in uno spazio di 200 nm x 200 nm nei pressi di una zona modellata. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig3large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Dato che è possibile depositare sul HDL patterns, ricerca di limiti di funzioni di ripetizione dovrebbe essere esaminato. Mentre è già stato dimostrato che l&#39;ALD produce ampliato schemi relativi ai modelli HDL, e che le strutture incise sono leggermente ridotto rispetto alle maschere, l&#39;effetto di produrre schiere ad alta densità rimane ancora piuttosto irrisolto. La Figura 4 mostra la HDL, titania maschera, e le strutture incise per una serie di quadrati fabbricati con modalità FE linee HDL scritte con un passo di 15 nm. Nella Figura 4A, il modello HDL mostra due serps -one ruotato di 90 gradi rispetto all&#39;altro, scritto con una polarizzazione 8 V punta-campione, 1 corrente nA, e 0,2 mC cm dosi / (o 50 nm / sec di velocità di punta) . Ci sono chiaramente aperture nel modello di varie dimensioni. All&#39;interno delle aperture stesse, alcune HDL è verificato, ma rimane bassa dell&#39;ordine di rimozione 20% H. La figura 4B mostra un&#39;immagine AFM dello stesso modello dopo maschera deposizione. Grazie alla punta convolueffetti zione, le aperture nel modello sono difficili da risolvere. Tuttavia, un ordine chiaro è osservabile. Figura 4C è un&#39;immagine SEM dello stesso modello dopo RIE. Circa il 60% delle aperture desiderati sono stati effettivamente trasferiti nel substrato, indicando che queste dimensioni modello e la densità è di circa il limite per la fabbricazione di nanostrutture efficace utilizzando la modalità FE HDL. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig4.jpg" /> Figura 4. Array di aperture. (A) STM di HDL con righe scritte utilizzando la modalità FE. Due reticoli serpentina, ruotato di 90 gradi rispetto all&#39;altro, sono scritti con un passo di 10 nm. (B) AFM immagine dopo 2,8 nm di ALD di TiO 2 dello stesso modello. (C) SEM di &quot;buco&quot; matrice dopo RIE per rimuovere 20 nm di Si. Si noti che alcuni &quot;buchi&quot; non sono riusciti a incidere.<a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa 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.

Atomicamente tracciabile nanostrutture

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 Views.  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. 

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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.

Fabbricazione di Microrisonatori silice Ultra High Quality 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 ...

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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.

Simulazione, fabbricazione e caratterizzazione di THz Assorbitori metamateriale

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.

Fabbricazione di ossidi complessi spazialmente confinati

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.

Fabbricazione di VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Air Cells per Elettrochimica Testing

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.

Fabbricazione e la sperimentazione di microfluidici optomechanical Oscillatori

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.

Patterning via ottici saturabili Transitions - fabbricazione e la caratterizzazione

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.

Fabbricazione e caratterizzazione di superconduttori risonatori

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.

Fabbricazione di sistemi microelettromeccanici a carbonio 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.

Fabbricazione di matrici Nanocup oro periodica mediante Litografia colloidale

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.

Fabbricazione di superfici superidrofobiche metalliche per applicazioni Anti-Icing

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 ...