原子级可追溯纳米结构制备

以下实验的总体目标是利用直接金属氧化物刻蚀掩模生长和反应离子刻蚀技术，在硅芯片上制备可追溯至原子晶格的硅纳米结构。该工艺的最终精度包括两个步骤：第一步，使用扫描隧道显微镜针尖精确去除硅芯片上氢钝化层的特定区域；第二步，通过原子层沉积工艺在图案化表面选择性地沉积二氧化钛，形成抗反应离子刻蚀的掩模。随后进行反应离子刻蚀，以去除除先前已图案化区域以外的所有表面区域的硅材料。

结果表明，该方法能够制备高达20纳米的结构，其关键尺寸远低于10纳米。与电子束或光学光刻等传统方法相比，该技术的主要优势在于扫描隧道显微镜（STM）中的初始计量步骤可提供原子尺度的信息。该方法有助于回答纳米技术中的关键问题，例如，当纳米结构被精确置于彼此之间位置高度明确的条件下时，它们之间的相互作用究竟是什么？

通常，初次接触该方法的研究人员会遇到困难，因为步骤繁多，且存在诸多可能损伤样品的环节。此前，我们尝试在硅基底上利用原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）针尖在氧化性气氛中制备二氧化硅刻蚀掩模，并希望最大化其厚度，正是在此过程中首次提出了该方法。然而，通过将氢化物光刻技术与原子层沉积相结合，我们不仅实现了类似的平面控制，还在生长方向上获得了更大的自由度。

该方法的可视化演示至关重要，因为转移和图案定位步骤难以掌握，每个操作者都必须准确执行各自的操作步骤，并能够理解位置定位的指导说明。首先，准备一块带有基准标记的硅（1 0 0）芯片，并将其安装在扫描隧道显微镜的样品台中，然后按照随附的文字版实验方案进行闪蒸循环和钝化处理。接着，将样品转移至扫描隧道显微镜中，使样品与探针进入隧道电流范围。

使用分辨能力优于20微米点尺寸的相机，对针尖样品结进行高分辨率光学成像，以消除倾斜并调整光学图像大小，使其能够无失真地再现观测到的针尖位置对应的基准标记。接下来，设计将要生成的HDL图案，包括实验图案和蛇形识别图案。将整体图案分解为基本几何形状，以确定针尖将遵循的基本矢量路径。

在应用AP模式和FE模式的HDL条件时，需利用硅表面的晶格信息。为确定最终的针尖路径，对于需要原子级精度边缘的小面积区域，应使用原子级精确的HDL，即AP模式光刻，并结合前一步骤的矢量输出结果。对于大面积区域，采用场发射模式光刻进行HDL操作，样品偏压为7至9伏特，电流为1纳安，扫描密度为0.2毫千勒克斯每厘米。

接下来，通过施加 -2.25 伏的样品偏压和 0.2 纳安的隧道电流，对目标 HDL 图案区域进行扫描隧道显微镜形貌测量。然后将探针从样品表面撤回，并将样品移回负载锁。使用惰性平面基底（如洁净的蓝宝石）接触样品以保护其表面；保护完成后，关闭所有泵的阀门，并尽快向腔室中通入氮气。

当腔室放气后，将样品从系统中取出。此处显示的是使用聚四氟乙烯或钛制镊子夹取样品屏蔽组件的特写。迅速将样品转移至转运装置，并保持样品正面受到保护。

将盖子安装在样品上方，并松散地组装加压样品转运装置。用超纯氩气冲洗转运装置一分钟，然后在保持微正压氩气的条件下密封样品转运装置。在此条件下，需执行这些步骤以在工艺各步骤之间保护样品。

样品可保持稳定长达一个月。将原子层沉积腔预热至100摄氏度。然后打开样品传输器，使用不锈钢无尘镊子迅速将样品转移至沉积腔中。

记录样品和对照芯片的位置与方向。关闭腔室后，使用低于0.2毫巴的氩气流吹扫腔室一小时。随后，按照随附文本方案中描述的工艺流程，进行80次重复的原子层沉积循环，在样品上生长一层2.8纳米厚的非晶态二氧化钛薄膜。

完成后，迅速将样品移回转运装置中，并用氩气吹扫。从转运装置中安全取出样品后，使用机械安装方法（如夹紧系统或真空吸盘）将其安装到原子力显微镜（AFM）系统中。将AFM相机对准样品，定位样品表面的基准标记，以使AFM探针对准预期存在纳米图案的区域。

利用最高分辨率下的高度和相位信息，扫描样品直至识别出定位图案区域。然后使用可达到的最高图像质量和分辨率，对目标区域进行成像。完成感兴趣区域的成像后，取出样品并将其在氩气环境下重新放回转运装置中。

在准备进行反应离子刻蚀时，将电容耦合型反应离子刻蚀反应腔冷却至零下110摄氏度。随后将样品从传输器中取出，并将样品及任何对照芯片装入其感应腔室中。使用导电胶固定样品，并将腔室抽真空至7.5×10⁻⁶毫巴。

使系统稳定三分钟，然后以每分钟8标准立方厘米的流速通入氧气，同时以每分钟40标准立方厘米的流速通入氩气，以及以每分钟20标准立方厘米的流速通入六氟化硫。使用150瓦射频放电引发等离子体。

然后调节气体流量，使用六氟化硫52标准立方厘米每分钟、氧气8标准立方厘米每分钟的流速进行反应离子刻蚀，刻蚀时间为一分钟。将样品重新放入氩气环境下的转运装置中。打开样品转运装置，将样品牢固安装至扫描电镜样品台。

然后将样品组件放入扫描电镜（SEM）中，抽真空至腔室达到所需真空度，接着定位并聚焦于基准标记。根据需要调整工作距离，并优化聚焦、亮度和对比度，以尽量减少图案上的碳沉积。使用附近非关键结构特征来优化聚焦。

优化完成后，在样品上确定图案的大致位置。然后移动至图案区域，获取平面视图图像和测量数据。接着按照扫描电镜（SEM）制造商规定的操作流程，执行典型的SEM系统关闭程序，并卸下样品。

在氩气环境下将样品重新固定到转运装置中。此时，样品已具有良好的稳定性，可长期保存。图中显示的是仅使用AP模式制备的HDL图案的代表性扫描隧道显微镜图像。

采用大气压（AP）模式与场发射模式相结合的方式，其中使用 AP 模式书写每个边缘，单独使用场发射模式以实现最佳的掩模制备。利用 AP HDL 图案，通过原子力显微镜应可实现高度的选择性。比较了在图案区域沉积的二氧化钛高度与在背景区域沉积的高度。

该样品显示出最高背景生长约经过20个循环的孵育。在此，使用FE模式HDL以10纳米的节距写入了两条蛇形图案。通过将图案相互旋转90度，形成了一种网格结构。

此处使用 FM 显示了相同的图案，该图案是在沉积 2.8 纳米厚的氧化钛掩模后获得的。由于针尖卷积效应，图案中的开口难以分辨。经过反应离子刻蚀后，约有 60% 的预期开口被成功转移到基底上，这表明该图案的尺寸和密度已接近仅使用 FE 模式 HDL 技术进行高效纳米结构制备的极限。

如果操作得当，该技术可在大约三天内完成，其中大部分时间用于超高真空样品的制备，以及必要时在不同地点之间的样品转移。在进行此操作过程中，保持样品清洁并保护实验背景环境至关重要。在此过程结束后，还可结合纳米压印光刻等其他技术，以提升该技术的纳米制造量产能力。

观看本视频后，您应充分了解如何谨慎处理样品以制备单纳米尺度结构。进行此操作时，应始终采取预防措施，例如气体稀释。否则，可能导致LD泵浦系统损坏。