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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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...

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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

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 And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

Fabbricazione e caratterizzazione di guide d&#39;onda fotoniche di cristallo di luce lenta e cavità

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

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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 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 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 ...

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending deformation and low input. However, their monotonous bending motion form in two-dimensional (2-D) space keeps them away from wide applications. This paper presents a detailed fabrication method of soft pneumatic network actuators with oblique chambers, to explore their motions in three-dimensional (3-D) space. The design of oblique chambers enables actuators with tunable coupled bending and twisting capabilities, which gives them the possibility to move dexterously in flexible manipulators, to become biologically inspired robots and medical devices. The fabrication process is based on the molding method, including the silicone elastomer preparation, chamber and base parts fabrication, actuator assembly, tubing connections, checks for leaks, and actuator repair. The fabrication method guarantees the rapid manufacturing of a series of actuators with only a few modifications in the molds. The test results show the high quality of the actuators and their prominent bending and twisting capabilities. Experiments of the gripper demonstrate the advantages of the development in adapting to objects with different diameters and providing sufficient friction.

Here we present a fabrication method of soft pneumatic network actuators with oblique chambers. The actuators are capable of generating coupled bending and twisting motions, which broadens their application in soft robotics.

Fabbricazione di morbida rete pneumatica attuatori con obliquo Chambers

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. This wetting phenomenon is important in many technical fields ranging from physiology to aerospace engineering. Currently, several different techniques exist for fabricating hemiwicking structures. These conventional methods, however, are often time consuming and are difficult to scale-up for large areas or are difficult to customize for specific, nonhomogeneous patterning geometries. The presented protocol provides researchers with a simple, scalable, and cost-effective method for fabricating micro-patterned hemiwicking surfaces. The method fabricates wicking structures through the use of stamp printing, polydimethylsiloxane (PDMS) molding, and thin-film surface coatings. The protocol is demonstrated for hemiwicking with ethanol on PDMS micropillar arrays coated with a 70 nm thick aluminum thin-film.

A simple protocol is provided for the fabrication of hemiwicking structures of varying sizes, shapes, and materials. The protocol uses a combination of physical stamping, PDMS molding, and thin-film surface modifications via common materials deposition techniques.

Stampa timbro scalabile e fabbricazione delle superfici Hemiwicking

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

Fabrication and Design of Wood-Based High-Performance Composites

Delignified densified wood is a new promising and sustainable material that possesses the potential to replace synthetic materials, such as glass fiber reinforced composites, due to its excellent mechanical properties. Delignified wood, however, is rather fragile in a wet state, which makes handling and shaping challenging. Here we present two fabrication processes, closed-mold densification and vacuum densification, to produce high-performance cellulose composites based on delignified wood, including an assessment of their advantages and limitations. Further, we suggest strategies for how the composites can be re-used or decomposed at the end-of-life cycle. Closed-mold densification has the advantage that no elaborate lab equipment is needed. Simple screw clamps or a press can be used for densification. We recommend this method for small parts with simple geometries and large radii of curvature. Vacuum densification in an open-mold process is suitable for larger objects and complex geometries, including small radii of curvature. Compared to the closed-mold process, the open-mold vacuum approach only needs the manufacture of a single mold cavity.

Delignified densified wood represents a new promising lightweight, high-performance and bio-based material with great potential to partially substitute natural fiber reinforced- or glass fiber reinforced composites in the future. We here present two versatile fabrication routes and demonstrate the possibility to create complex composite parts.

Fabbricazione e progettazione di compositi ad alte prestazioni basati sul legno

Delignified densified wood is a new promising and sustainable material that possesses the potential to replace synthetic materials, such as glass fiber ...