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>

<ol>
	<li>Yoffe, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-dimensional+systems:+quantum+size+effects+and+electronic+properties+of+semiconductor+microcrystallites+(zero-dimensional+systems)+and+some+quasi-two-dimensional+systems.">Low-dimensional systems: quantum size effects and electronic properties of semiconductor microcrystallites (zero-dimensional systems) and some quasi-two-dimensional systems.</a> Adv. in Phy. 42 (2), 173-262 (1993).</li><li>Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Semiconductor+Clusters,+Nanocrystals,+and+Quantum+Dots.">Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots.</a> Science. 271 (5251), 933-937 (1996).</li><li>Craighead, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoelectromechanical+Systems.">Nanoelectromechanical Systems.</a> Science. 290 (5496), 1532-1535 (2000).</li><li>Dai, M. D., Kim, C. -. W., Eom, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finite+size+effect+on+nanomechanical+mass+detection:+the+role+of+surface+elasticity.">Finite size effect on nanomechanical mass detection: the role of surface elasticity.</a> Nanotechnology. 22 (26), 265502 (2011).</li><li>Personick, M., Mirkin, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Making+sense+of+the+mayhem+behind+shape+control+in+the+synthesis+of+gold+nanoparticles.">Making sense of the mayhem behind shape control in the synthesis of gold nanoparticles.</a> J. Am. Chem. Soc. 135 (C), 18238-18247 (2013).</li><li>Rothemund, P. W. K., Ekani-Nkodo, A., 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=Design+and+Characterization+of+Programmable+DNA.">Design and Characterization of Programmable DNA.</a> Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 26, 16344-16353 (2004).</li><li>Hersam, M. C., Guisinger, N. P., Lyding, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon-based+molecular+nanotechnology.">Silicon-based molecular nanotechnology.</a> Nanotechnology. 11 (2), 70-76 (2000).</li><li>Eigler, D. M., Schweizer, E. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Positioning+single+atoms+with+a+scanning+tunnelling+microscope.">Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope.</a> Nature. 344, 524-526 (1990).</li><li>Heinrich, A. J., Lutz, C. P., Gupta, J. A., Eigler, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+cascades.">Molecular cascades.</a> Science. 298, 1381-1387 (2002).</li><li>Crommie, M. F., Lutz, C. P., Eigler, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Confinement+of+Electrons+to+Quantum+Corrals+on+a+Metal+Surface.">Confinement of Electrons to Quantum Corrals on a Metal Surface.</a> Science. 262 (5131), 218-220 (1993).</li><li>Shen, T. -. C., Wang, C., 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=Atomic-Scale+Desorption+Through+Electronic+and+Vibrational+Excitation+Mechanisms.">Atomic-Scale Desorption Through Electronic and Vibrational Excitation Mechanisms.</a> Science. 268, 1590-1592 (1995).</li><li>Randall, J. N., Lyding, J. 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=Atomic+precision+lithography+on+Si.">Atomic precision lithography on Si.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 27 (6), 2764-2768 (2009).</li><li>Tong, X., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron-induced+H+atom+desorption+patterns+created+with+a+scanning+tunneling+microscope:+Implications+for+controlled+atomic-scale+patterning+on+H-Si(100).">Electron-induced H atom desorption patterns created with a scanning tunneling microscope: Implications for controlled atomic-scale patterning on H-Si(100).</a> Surf. Sci. 600 (16), L199-L203 (2006).</li><li>Hitosugi, T., Hashizume, T., 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=Scanning+Tunneling+Spectroscopy+of+Dangling-Bond+Wires+Fabricated+on+the+Si(100)-2x1-H+Surface.">Scanning Tunneling Spectroscopy of Dangling-Bond Wires Fabricated on the Si(100)-2x1-H Surface.</a> Jap. J. App. Phys, Pt 2 2. 36 (3B), L361-L364 (1997).</li><li>Bird, C. F., Fisher, A. J., Bowler, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soliton+effects+in+dangling-bond+wires+on+Si(001).">Soliton effects in dangling-bond wires on Si(001).</a> Phys. Rev B. 68, 115318 (2003).</li><li>Wolkow, R. A., Livadaru, 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=.">.</a> Beyond-CMOS Electronics. , 1-28 (2013).</li><li>Lyding, J. W., Shen, T. -. C., Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+patterning+and+oxidation+of+H-passivated+Si(100)-2&#215;1+surfaces+with+an+ultrahigh+vacuum+scanning+tunneling+microscope.">Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2&#215;1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope.</a> App. Phys. Lett. 64 (15), 2010-2012 (1994).</li><li>Lyding, J. W., Shen, T. -. C., Abeln, G. C., Wang, C., Tucker, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+patterning+and+selective+chemistry+of+silicon+surfaces+by+ultrahigh-vacuum+scanning+tunneling+microscopy.">Nanoscale patterning and selective chemistry of silicon surfaces by ultrahigh-vacuum scanning tunneling microscopy.</a> Nanotechnology. 7, 128-133 (1996).</li><li>Owen, J. H. G., Ballard, J., Randall, J. N., Alexander, J., Von Ehr, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patterned+Atomic+Layer+Epitaxy+of+Si+/+Si(001):H.">Patterned Atomic Layer Epitaxy of Si / Si(001):H.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (6), 06F201 (2011).</li><li>Goh, K. E. J., Chen, S., Xu, H., Ballard, J., Randall, J. N., Ehr, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Von+Using+patterned+H-resist+for+controlled+three-dimensional+growth+of+nanostructures.">Von Using patterned H-resist for controlled three-dimensional growth of nanostructures.</a> App. Phys. Lett. 98 (16), 163102 (2011).</li><li>Ye, W., Pe&#241;a Martin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+writing+of+sub-5+nm+hafnium+diboride+metallic+nanostructures.">Direct writing of sub-5 nm hafnium diboride metallic nanostructures.</a> ACS Nano. 4 (11), 6818-6824 (2010).</li><li>Brien, J. L., Schofield, S. R., 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=Scanning+tunnelling+microscope+fabrication+of+arrays+of+phosphorus+atom+qubits+for+a+silicon+quantum+computer.">Scanning tunnelling microscope fabrication of arrays of phosphorus atom qubits for a silicon quantum computer.</a> Smart. 11 (5), 741-748 (2002).</li><li>Van Oven, J. C., Berwald, F., Berggren, K. K., Kruit, P., Hagen, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron-beam-induced+deposition+of+3-nm-half-pitch+patterns+on+bulk+Si.">Electron-beam-induced deposition of 3-nm-half-pitch patterns on bulk Si.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (6), 06F305 (2011).</li><li>Ballard, J. B., Sisson, T. 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=Multimode+hydrogen+depassivation+lithography:+A+method+for+optimizing+atomically+precise+write+times.">Multimode hydrogen depassivation lithography: A method for optimizing atomically precise write times.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 31 (6), 06FC01 (2013).</li><li>Randall, J. N., Ballard, J. B., 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=Atomic+precision+patterning+on+Si:+An+opportunity+for+a+digitized+process.">Atomic precision patterning on Si: An opportunity for a digitized process.</a> Microelec. Eng. 87 (5-8), 955-958 (2010).</li><li>Perrine, K. A., Teplyakov, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactivity+of+selectively+terminated+single+crystal+silicon+surfaces.">Reactivity of selectively terminated single crystal silicon surfaces.</a> Chem. Soc. Rev. 39 (8), 3256-3274 (2010).</li><li>McDonnell, S., Longo, R. C., 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=Controlling+the+Atomic+Layer+Deposition+of+Titanium+Dioxide+on+Silicon:+Dependence+on+Surface+Termination.">Controlling the Atomic Layer Deposition of Titanium Dioxide on Silicon: Dependence on Surface Termination.</a> The J. Phys. Chem. C. 117 (39), 20250-20259 (2013).</li><li>Kane, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+cleaning+of+metal+surfaces.">Plasma cleaning of metal surfaces.</a> J. Vac. Sci. Tech. 11 (3), 567 (1974).</li><li>Hersam, M. C., Guisinger, N. P., Lyding, J. W., Thompson, D. S., Moore, J. 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.

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 <s...

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/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 depassiva...

Watch this Scientific Journal Video about Atomically Traceable Nanostructure Fabrication at JoVE.com

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

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. 