Este trabalho foi apoiado por um contrato de DARPA (N66001-08-C-2040) e por uma subvenção do Fundo de Tecnologia Emergente do Estado do Texas. Os autores gostariam de agradecer Jiyoung Kim, Greg Mordi, Angela Azcatl, e Tom Scharf por suas contribuições relacionadas com a camada de deposição selectiva atômica, assim como Wallace e Martin Gordon Pollock para o processamento da amostra ex-situ.

1. Ex-Situ Preparação de Amostras <ol><li> Prepare fichas <ol><li> Projete máscara etch apropriado para colocar identificar marcadores no Si (100) wafer. Usando litografia óptica padrão e RIE, gravar uma grade de linhas como pontos de referência para a bolacha a partir do qual serão colhidas amostras MCT. As linhas deve ser de 10 m de largura, profundidade de 1 um, e no campo de 500 um. Após o ataque, faixa restante photoresist de amostra. Nota: Os pontos de referência devem ser identificáveis ​​in-situ para a localização da ponta na amostra, bem como na AFM e SEM durante metrologia. </li><li> Proteger a superfície da bolacha aplicando aderência padrão fita azul corte em cubos, o lado brega para baixo. </li><li> Wafers dados em chips usando uma ponta de diamante em cubos de cerâmica viu em tamanhos adequados para a ferramenta UHV-STM específico que está sendo usado para executar HDL. Aqui, as amostras foram de 8,1 mm x 8,1 milímetros quadrados. </li></ol></li><li> Depois de cortar, preparar chip para inserção na ferramenta de padronização UHV-STM delicadamentedescascando para trás a fita para corte, tendo o cuidado para não tocar chip com todas as ferramentas que contém níquel que irá induzir uma reconstrução da superfície desfavorável após UHV prep na seção 2 abaixo. <ol><li> Limpo chips por lavagem da face frontal por 10 s cada, com fluxos de acetona, álcool isopropílico, metanol, e água desionizada, respectivamente, enquanto segurando os lados da amostra com politetrafluoretileno (PTFE) pinças. Por fim, seque com ultrapura N 2 ou Ar, ainda segurando com uma pinça de teflon. </li><li> Chip de amostra no suporte de amostras de montagem STM utilizando métodos adequados para a ferramenta de UHV-STM específico a ser utilizado para o HDL. <ol><li> Se a montagem em um suporte de amostras que contém níquel, tântalo cortar tiras de barreira folha (aprox. 4 milímetros por altura da amostra), utilizando uma tesoura de titânio. Tiras de folhas delgadas sonicar durante 5 min cada em acetona ultrapura, álcool isopropílico, metanol, e água Dl, respectivamente. Seque com ultrapura N 2 gás, cobrindo parcialmente um copo com folha de alumínio e injectaring uma N2 bico na abertura. Fluxo de gás até que todo o líquido tenha evaporado. Usando pinças de níquel livre, forma de folha em torno acaba de amostra, em seguida, apertar no porta-amostras para isolar os lados da frente e de trás de amostra de suporte de amostras. </li></ol></li><li> 28 Após a montagem, plasma amostra limpa e suporte de amostras em plasma de oxigênio para eliminar a contaminação de carbono. </li></ol></li></ol> 2. UHV Preparação de Amostras <ol><li> Introduzir amostra em sistema de UHV via load-lock ou outro método UHV-safe preferido para que o processamento UHV e HDL normalmente pode permanecer abaixo de 1.3 x 10 -9 mbar (exceto para a etapa 2.5.1.1 abaixo). </li><li> Degas O / N a 650 ° C, a monitorização da temperatura com um pirômetro. Assegure-se que a pressão da câmara é dentro de 25% do fundo. No caso aqui descrito, as pressões fundo típicos são cerca de 4,5 x 10 -10 mbar. </li><li> Desgaseifica hidrogénio tungsténio craqueamento filamento em 1500 ° C durante 5 min.Ativar bombas de sublimação de titânio, se possível. </li><li> Execute amostra ciclo &quot;Flash&quot;. <ol><li> Flash amostra por aquecimento a 1250 ° C durante 20 seg, com monitorização T e usando um pirómetro / seg gradiente de aquecimento de 10 ° C. Não exceda a pressão máxima de 7 x 10 -9 mbar. Fresco por remoção corrente de aquecimento em menos de 5 segundos. </li><li> Resto amostra a 350 ° C durante 5 min. para permitir que a pressão para recuperar a linha de base. 3x. </li></ol></li><li> Execute amostra passivation. <ol><li> Definir a temperatura da amostra a 350 ° C, usando um pirómetro para monitorar a temperatura. Introduzir 1,3 x 10 -6 mbar ultra-pura H 2 na câmara de prep usando válvula de escape. <ol><li> Coloque uma câmara de frio na linha H 2 muito perto de uma válvula de escape no sistema, a fim de purificar ainda mais H 2. </li><li> Se possível, o sistema de turbo-bomba com alta velocidade, em vez de uma bomba de iões de bombear. Isto é de modo que a bomba de iões não contaminar a amostra de ser exposed aos altos contaminantes pressionados e ejetar. As bombas são colocadas de volta no estado normal depois que a maioria do hidrogénio foi removido e a amostra ainda está quente (350 ° C). </li></ol></li><li> Ligue hidrogênio rachando tungstênio filamento a uma temperatura de 1.400 ° C durante 12 min, em seguida, desligue o filamento e H 2 fluxo de gás. Arrefecer até à TA amostra. </li></ol></li></ol> 3. Scanning Tunneling Microscopy e Litografia <ol><li> Transferir a amostra para STM, e trazer amostras e STM ponta na faixa de tunelamento. Usando uma câmera com resolução de potência de melhor do que um tamanho de ponto de 20 um, dê alta resolução de imagem óptico de junção ponta-amostra. Deskew e redimensionar a imagem óptico para que ele representa uma reprodução sem distorções dos pontos de referência. </li><li> Remova qualquer iluminação para reduzir instabilidades térmicas do sistema. Determine a qualidade da superfície. <ol><li> Usando técnicas convencionais MCT com viés de amostra de -2,25 V e 200 pA, identificar o entorpecidoer de defeitos na superfície. </li><li> Se os defeitos de superfície estão abaixo dos níveis aceitáveis, mover para a próxima etapa. Níveis máximos aceitáveis ​​de defeito são os seguintes: ligações pendentes de 1%; Si vagas de 3%; contaminantes de 1%. </li></ol></li><li> Padrões de projeto de HDL para ser produzido, incluindo ambos os padrões experimentais e grandes (1 mícron x 1 mm) padrões de identificação SERP. Os padrões SERP deve ser desenhado com um longo eixo de vetores perpendiculares ao esperado eixo varredura AFM rápido, usando um tom de 15-20 nm. Fratura padrão geral em formas fundamentais para definir o caminho seguido pela ponta ao aplicar condições de HDL 24. </li><li> Usando saídas do vetor da etapa anterior, execute HDL usando o modo FE litografia para grandes áreas com viés de amostra de 7-9 V, corrente de 1 nA, e 0,2 mC / cm e AP litografia modo para áreas pequenas ou aquelas áreas que exigem bordas de precisão atômica . 24 <ol><li> Determinar óptimas condições AP modo de litografia por performing HDL com uma variedade de condições de polarização com amostra de 3,5 a 4.5 V, corrente variando de 2 a 4 nA, e linha de dosagens que variam de 2 a 4 mC / cm. Escolha condições que produzem a mais estreita linha completamente depassivated. </li></ol></li><li> Execute STM metrologia em áreas de HDL modelado desejadas pela imagem latente em -2,25 viés amostra V e 0,2 nA corrente de tunelamento. <ol><li> [Opcional] Execute correção de erros. Depois STM metrologia, compare padrão despassivação nas imagens MCT com o padrão desejado a partir do passo 3.5. Se todas as áreas mostram a formação de ligações de oscilação insuficiente, repita o ciclo de litografia nessas áreas. </li></ol></li><li> Depois de completar STM HDL, desengatar dica de amostra, e mover amostra para carregar bloqueio. </li><li> Desabafar e remover amostra. Durante ventilação com ultrapura N 2, proteger amostra por contacto com inerte, substrato plano, como safira limpa. 29 Depois de proteção de superfície, fechar as válvulas para qualquer bombas em seguida, introduzir desabafar gás como quicKLY possível. Retirar da amostra a partir do sistema. </li></ol> Transportes 4. Amostra <ol><li> Remover amostra de bloqueio de carga. Solte amostra de suporte de amostras, incluindo a remoção dos pedaços de barreira folha, se possível. Usando PTFE (Ti) ou pinças, mover a amostra transportador, mantendo-se o lado da frente da amostra protegida, na tentativa de manter a exposição do ambiente para menos de 10 min. </li><li> Instale a tampa sobre a amostra e vagamente montar um transportador de amostras pressurizado. Lavar com Ar ultrapura durante 1 min. Não evacuar sistema em qualquer ponto, ou dano na superfície pode ocorrer. 29 Finalmente, transportador de amostras de vedação com uma pequena pressão positiva (~ 50-100 mbar) de Ar de modo a que a amostra permanece estável durante a um mês. </li></ol> 5. A deposição de camada atômica <ol><li> Assegurar o ALD está na temperatura adequada deposição (100 ° C). Lentamente, aumente a pressão de árgon na câmara ALD até que seja atingida a pressão atmosférica. </li><li> Abrir câmara de ALD. </li><li> Abrir transportador de amostras e rápida transferência para a câmara ALD usando um par de pinças de PTFE agarrando a amostra na borda, em seguida, fechar a câmara de ALD e limpar usando um fluxo de árgon a uma pressão de &lt;2 × 10 -1 mbar durante 1 h para os degas amostra. Definir um processo para realizar 80 ciclos repetidos de ALD a crescer 2,8 nm de óxido de titânio amorfo. <ol><li> Usando um sistema de ALD comercial não modificado a uma temperatura de amostra de 100-150 ° C, com tetracloreto de titânio (TiCl4) e água (H2O) como precursores realizar a deposição com reagentes a pressões de 0,3 mbar e 0,8 mbar, com tempos de pulso de 0,1 seg e 0,05 segundo, respectivamente. 27 </li><li> Após cada pulso gás, purgar o reactor com Ar durante 60 segundos a 0,2 mbar para garantir o mínimo de fundo devido à deposição de reagentes physisorbed. Para as máscaras neste trabalho, 80 ciclos ALD são usadas para crescer cerca de 2,8 nm de óxido de titânio amorfo a 100 ° C. </li></ol&gt; </li><li> Lentamente desabafar ALD câmara com gás Ar e aberto. Repita os passos 4.1 e 4.2 para o transporte da amostra. </li></ol> 6. Microscopia de Força Atômica (AFM) <ol><li> Garantir a calibração correcta do AFM de acordo com o protocolo do fabricante. Abrir transportador de amostras e remova cuidadosamente amostra usando uma pinça. </li><li> Após a remoção do transportador, instale firmemente a amostra para a AFM utilizando um método de montagem mecânica, tais como um sistema de fixação, se possível. Concentre a câmara AFM sobre a amostra, e localizar as marcas fiduciais na superfície da amostra para alinhar a ponta de AFM para o padrão de base sobre a metrologia óptica no passo 3.2. </li><li> Verifique se as configurações de AFM vai mostrar tanto a informação de altura e fase e definir o tamanho da digitalização para ser entre 20 e 40 m de largura. Envolver-se a ponta do AFM sobre a amostra. </li><li> Usando a altura ea fase de informação na mais alta resolução, digitalizar até a região de padrões de localizador são identificados. Ampliar a re modeladogião e localizar a região em que uma imagem é desejado. </li><li> Tome uma imagem das regiões desejadas usando a qualidade de imagem e resolução adequados (normalmente o mais alto possível). Uma vez que todas as regiões desejadas terem sido digitalizadas, desengatar a ponta da amostra. Descarregar a amostra. Repita os passos 4.1 e 4.2 para o transporte da amostra. </li></ol> 7. Reactive Ion Etching <ol><li> Refrigere acoplado capacitivamente reator RIE a -110 ° C, em seguida, coloque a amostra em sua câmara de introdução e bombear até 7,5 x 10 -6 mbar. <ol><li> Estabilizar a temperatura durante 3 min. Em seguida, vire o gás com taxas de fluxo de O 2 a 8 sccm (centímetros cúbicos padrão por minuto), Ar a 40 sccm, e SF 6 a 20 sccm. </li><li> Plasma greve usando uma descarga RF 150 W, em seguida, modificar o fluxo de gás para gravar durante 1 min usando SF 6 a 52 sccm e O 2 a 8 sccm. A interacção destes gases com Si etch a uma taxa de cerca de 20 nm / min 30. </sup&gt; </li><li> Bomba de vácuo para 7,5 x 10 -6 mbar. Desabafar sistema RIE. Repita os passos 4.1 e 4.2 para o transporte da amostra. </li></ol></li></ol> 8. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) <ol><li> SEM Amostra de montagem e introdução de amostra para o sistema. <ol><li> Colocar a amostra não-adesivo de montagem para uma localização conveniente, para facilitar a montagem da amostra. </li><li> Abrir transportador de amostras e remova cuidadosamente amostra usando uma pinça para agarrar a amostra pelas bordas e com segurança instalar em SEM montagem, em seguida, introduzir a montagem de amostra para SEM. </li><li> Desabafar e aberto câmara SEM. Firmemente instale o conjunto de exemplo para o estágio da amostra SEM. Pump down SEM câmara. </li></ol></li><li> Localize os fiducials. <ol><li> Traga a ampliação para o menor valor possível. Selecione as configurações atuais de tensão e de feixe de aceleração que dariam boa resolução. Comece com configurações mais baixas aceitáveis. Sobe conforme necessário. </li><li> Ligue o feixe de elétrons. Traga a região geralde interesse para distância de trabalho recomendado e altura eucentric. </li><li> Localize e focar fiducials descritos no ponto 1.1. Ajuste a distância funcionando conforme necessário. Otimizar o foco, brilho e contraste. </li></ol></li><li> Localize e os padrões de imagem. <ol><li> Em relação aos fiducials, localize os padrões baseados na metrologia óptica da secção 3.2 e AFM metrologia da secção 6. Para minimizar a deposição de carbono sobre os padrões, otimizar o foco usando recursos não essenciais nas proximidades. Uma vez otimizado, mover-se para os padrões e adquirir planos de visualização de imagens e medições. </li><li> Se necessário, incline a amostra para imagens 3D e medidas de altura padrão. Para outros padrões, repetir de 8,3, conforme necessário. </li></ol></li><li> Execute SEM rotina de fechamento do sistema e desmontar amostra / s, como prescrito pelo fabricante SEM. Fixe a amostra de volta para o transportador. </li><li> Repita os passos 4.3 e 4.4 para o transporte e armazenamento de amostras. Neste ponto, as amostras são robustos e podeser armazenado por um período indeterminado de tempo. Realizar pós-imaging analisa se necessário. </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.

Execução de metrologia nas nanoestruturas descritos acima requer a capacidade de construir uma ponte sobre o posicionamento da ponta durante HDL e padrão local usando outras ferramentas, como AFM e SEM. Em contraste com outras ferramentas de modelação bem desenvolvidas com posição alta-resolução de codificação, tal como a litografia por feixe de elétrons, a HDL realizadas aqui foi realizada com um STM sem posicionamento grosseiro bem controladas, de modo que foram utilizados protocolos de identificação de ...

Como a nanotecnologia se torna mais importante em uma ampla variedade de arenas, entendendo as estruturas sendo formado ganha importância, especialmente em domínios da litografia e eletrônica. Para enfatizar a importância da metrologia em nanoescala, especificamente em escalas inferiores a 10 nm, deve salientar-se que uma variação em termos de tamanho de apenas 1 nm indica uma variação fracionária, pelo menos, 10%. Essa variação pode ter implicações significativas para o desempenho do dispositivo e de caráter material de 1,2 -. 4 Utilizando métodos de síntese, características individuais muito precisamente formados, tais como pontos quânticos ou outras moléculas complexas podem ser fabricadas, 2,5,6, mas geralmente falta a mesma precisão na colocação de recursos e orientação, apesar do trabalho para melhorar o tamanho ea colocação de controle. Este artigo demonstra uma abordagem para a fabricação de nanoestruturas com perto de precisão do tamanho atômico e precisão atômica na colocação de recurso, bem comocom metrologia atômica na colocação recurso. Usando a precisão atômica de Scanning Tunneling Microscope (STM) Hydrogen induzida despassivação Litografia (HDL), padrões atomicamente precisas com contraste quimicamente sensíveis são formados sobre uma superfície. A deposição selectiva Atomic Layer (ALD), em seguida, aplica-se um material de óxido duro nas áreas modelado, com corrosão por íons reativos (RIE) em última análise, a transferência dos padrões para o material a granel, como se mostra esquematicamente na Figura 1. Combinando o processo de HDL altamente preciso com a norma ALD e RIE processa resulta em um método para a produção de nanoestruturas flexível sobre uma superfície com forma e posicionamento arbitrário. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig1.jpg" /> Figura 1. Primária Nanofabricação Etapas do processo. Como um exemplo, um de 200 nm x 200 nm quadrado é mostrado. Cada seta indica circulada um passo de exposição atmosférica e tRANSPORTES entre sites. Depois de UHV amostra preparação, a amostra é modelado usando UHV HDL seguido por STM metrologia (superior esquerdo). ALD é então executado, seguido por AFM metrologia (à direita). RIE transfere os padrões em Si (100), seguido por SEM metrologia (canto inferior esquerdo). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52900/52900fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> A litografia mais preciso até o momento geralmente envolve técnicas de sondas digitalizadas, padronização especificamente baseado no STM, onde foi demonstrada resolução atômica padronização e funcionalização para muitas aplicações. 7 nanoestruturas Anteriormente, manipulação átomo produziu com a máxima precisão, utilizando átomos individuais como blocos de construção, 8 , 9,10 mas as nanoestruturas necessárias condições criogênicas e, assim, faltava a longo prazo robustez. RT átomo de manipulação por remoção de átomos de hidrogénio a partir da superfície tem sido mostrado, especifily HDL. 11,12,13 HDL promete permitir novas classes de dispositivos eletrônicos e outros com base na localização espacial de contraste superfície. Usando HDL inalterado, várias arquiteturas de dispositivo são possíveis, incluindo pendurado fios de ligação ou dispositivos lógicos. 14,15,16 Além de proporcionar contraste elétrico, HDL pode introduzir contraste química na superfície onde a camada passivante H foi removido, com efeito a criação de um modelo para outras modificações químicas. Esta modificação química tem sido demonstrada em silício e em outras superfícies, mostrando selectividade para a deposição de metais, isoladores 17, 18 e mesmo semicondutores. 16,19 Cada um destes exemplos produz dois estruturas tridimensionais, para que outras etapas de processamento deve ser usado para produzir o verdadeiro três estruturas tridimensionais com o controle atomicamente resolvidas prometido pela HDL. Padronização repetida Anteriormente, este tem exigido, 19,20,21 recozimento, 22 </sup&gt; ou menos bem resolvido processos tais como a deposição induzida feixe electrónico baseada em ponta 23. Semelhante a litografia de feixe, HDL utiliza um fluxo localizada de electrões para expor um resistir. Várias semelhanças existem, tais como a capacidade de executar multi-modo de litografia com tamanho de ponto variável e eficiência padronização. 24 No entanto, o verdadeiro poder do HDL surge como ela difere da litografia por feixe de elétrons. Primeiro, a proteco do HDL é uma monocamada de hidrogénio atómico, de modo que resistir a exposição torna-se um processo digital; o átomo de resistir é ou não está presente. 25 Uma vez que a colocação átomo de H corresponde ao Si subjacente (100) látice o processo de HDL pode ser um processo preciso atomicamente, embora deva notar-se que neste documento a HDL tem como precisão nanométrica oposição a ter perfeição atômica e, portanto, não é digital neste caso. Desde que a fonte de elétrons em HDL é local para a superfície, os vários modos de operação STM facilitar tantootimização de taxa de transferência, bem como a verificação de erros. No preconceitos ponta-de exemplo abaixo ~ 4,5 V, litografia pode ser realizada a nível único átomo com precisão atômica, conhecido como modo preciso (modo AP) atomicamente. Em contraste, a vieses acima ~ 7 V, os elétrons são emitidos diretamente a partir da ponta para a amostra com linewidths largas e altas eficiências despassivação, conhecido aqui como modo de Field Emission (modo FE). Débitos de HDL pode ser otimizado por cuidadosa combinação destes dois modos, embora os débitos totais permanecem pequenas em relação ao e-litografia por feixe com padronização de até 1 mm 2 / minuto possível. Quando o viés é revertida para que a amostra é mantida a -2,25 V ~, os elétrons do túnel a partir da amostra para a ponta com baixíssima eficiência despassivação, permitindo assim a inspeção da estrutura atômica da superfície tanto para a correção de erros e para a metrologia escala atômica . Este processo de fabricação de nanoestrutura mostrado na Figura 1 </strong&gt; é iniciado com um passo de UHV-HDL, conforme descrito acima. Seguindo o HDL, da amostra é ventilado para a atmosfera, altura em que as áreas modelado ficam saturados com água, formando uma fina (isto é, ~ 1 monocamada) SiO2 26 Depois de camada de transporte., A amostra é introduzida numa câmara de deposição de ALD titânia (TiO 2), com espessuras de cerca de 2-3 nm depositada aqui, tal como medido por AFM e XPS. 27 Uma vez que a reacção de óxido de titânio depende de uma saturação de água da superfície, este processo é possível, apesar da exposição ambiente que satura a superfície com água . Em seguida, para transferir o padrão de máscara de ALD para a maior parte da amostra foi gravada usando RIE de modo a que 20 nm de Si é removido, com a profundidade determinada etch por AFM e SEM. A fim de facilitar passos de metrologia, um Si (100) wafer é padronizado com uma grade de linhas que são projetados para ser visível após a preparação UHV por um microscópio óptico longa distância de trabalho, plano de AFM-view imageamento óptico, ebaixa ampliação plano-view SEM imaging. Para ajudar a identificar as estruturas em nanoescala, os padrões de 1 um 2 serpentina (SERPs) são padronizados para as amostras com os nanopatterns mais isoladas situadas em locais fixos relativos ao SERPs. Esta combinação de HDL, ALD selectiva, e RIE pode ser um processo importante para a fabricação de nanoestrutura, e que inclui uma metrologia escala atómica como um subproduto natural do processo. Abaixo, vamos incluir uma descrição detalhada das etapas envolvidas para fabricar sub-10 nm nanoestruturas em Si (100) usando HDL, ALD seletiva, e RIE. Supõe-se que é um especialista em cada um destes processos, mas a informação será incluída relacionado com a forma de integrar os vários processos. Ênfase especial será dada a essas dificuldades inesperadas experimentados pelos autores, a fim de evitar que as mesmas dificuldades, especialmente relacionados com o transporte 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.

Nos casos descritos aqui, HDL é realizada utilizando multi-modo de litografia. 24 No modo FE, realizada com 8 V viés da amostra, 1 nA, e 0,2 mC / cm (equivalente a 50 nm / seg velocidade de ponta), a ponta se move sobre a superfície paralela ou perpendicular à estrutura de Si, a produção de linhas de despassivação. Enquanto este LineShape é muito dependente da ponta, no caso aqui, a porção completamente depassivated das linhas era de aproximadamente 6 nm de largura, com as caudas de despassivação...

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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 rastreável Fabrication Nanostructure

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 visualizações.  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).

Fabricação e caracterização de guias de onda de luz de cristal fotônico lentas e cavidades

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 ...

Engenharia

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.

Fabricação de óxidos complexos espacialmente confinados

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.

Fabricação e Teste de microfluídicos optomechanical osciladores

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

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

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

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

Patterning via ópticos de saturação Transitions - Fabricação e caracterização

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.

Fabricação e caracterização de supercondutores Resonators

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.

Fabricação de matrizes de periódicos Nanocup ouro usando litografia coloidal

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

Fabrication of Superhydrophobic Metal Surfaces for Anti-Icing Applications

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

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

Fabricação de superfícies de Metal Superhydrophobic para aplicações antigelo

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.

Fabricação de atuadores de rede pneumática macio com câmaras oblíquas

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.

Impressão do selo escalável e fabricação de superfícies de 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.

Fabricação e design de compósitos de alto desempenho baseados em madeira

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