Осаждение, индуцированное электронным пучком - Electron beam-induced deposition

Осаждение, индуцированное электронным пучком (EBID) представляет собой процесс разложения газообразных молекул электронным лучом, приводящий к осаждению нелетучих фрагментов на близлежащую подложку. Электронный пучок обычно обеспечивается растровый электронный микроскоп, что приводит к высокой пространственной точности (потенциально ниже одного нанометра) и возможности создания отдельно стоящих трехмерных структур.

Процесс

Схема процесса EBID
Настройка EBID

Сфокусированный электронный пучок растровый электронный микроскоп (SEM) или растровый просвечивающий электронный микроскоп (STEM) обычно используется. Другой метод - ионно-лучевое осаждение (IBID), где сфокусированный ионный пучок вместо этого применяется. Материалы-предшественники обычно являются жидкими или твердыми и газифицируются перед осаждением, обычно путем испарения или сублимация, и вводился с точно контролируемой скоростью в камеру высокого вакуума электронного микроскопа. В качестве альтернативы твердые прекурсоры могут быть сублимированы самим электронным пучком.

Когда осаждение происходит при высокой температуре или с участием агрессивных газов, используется специально разработанная камера для осаждения;[1] он изолируется от микроскопа, и луч вводится в него через отверстие микрометрового размера. Небольшой размер отверстия поддерживает дифференциальное давление в микроскопе (вакуум) и камере осаждения (без вакуума). Такой режим осаждения использовался для EBID алмаза.[1][2]

В присутствии газа-прекурсора электронный луч сканируется по подложке, что приводит к осаждению материала. Сканирование обычно контролируется компьютером. Скорость осаждения зависит от множества параметров обработки, таких как парциальное давление прекурсора, температура подложки, параметры электронного пучка, приложенная плотность тока и т. Д. Обычно она составляет порядка 10 нм / с.[3]

Механизм осаждения

Энергия первичных электронов в SEM или STEM обычно составляет от 10 до 300 кэВ, где реакции, вызванные электронным ударом, то есть диссоциация прекурсора, имеют относительно низкое поперечное сечение. Большая часть разложения происходит за счет удара электронов с низкой энергией: либо вторичными электронами с низкой энергией, которые пересекают границу раздела подложка-вакуум и вносят вклад в общую плотность тока, либо неупруго рассеянными (обратно рассеянными) электронами.[3][4][5]

Пространственное разрешение

Первичные S (T) ЭМ электроны могут фокусироваться в пятна размером ~ 0,045 нм.[6] В то время как самые маленькие структуры, нанесенные до сих пор с помощью EBID, представляют собой точечные отложения диаметром ~ 0,7 нм.,[7] отложения обычно имеют больший поперечный размер, чем размер пятна луча. Причина кроется в так называемых эффектах близости, означающих, что вторичные, обратные и прямые (если луч остается на уже осажденном материале) электроны вносят свой вклад в осаждение. Поскольку эти электроны могут покидать подложку на расстоянии до нескольких микрон от точки попадания электронного луча (в зависимости от его энергии), осаждение материала не обязательно ограничивается облучаемым пятном. Для преодоления этой проблемы могут применяться алгоритмы компенсации, типичные для электронно-лучевой литографии.

Материалы и прекурсоры

По состоянию на 2008 г. диапазон материалов, нанесенных EBID, включал Al, Au, аморфный углерод, алмаз, Co, Cr, Cu, Fe, GaAs, GaN, Ge, Mo, Nb, Ni, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Re, Si, Si3N4, SiOИкс, TiOИкс, Вт,[3] и расширялся. Ограничивающим фактором является наличие подходящих прекурсоров, газообразных или имеющих низкую температуру сублимации.

Самыми популярными прекурсорами для осаждения элементарных твердых частиц являются карбонилы металлов из меня (CO)Икс структура или металлоцены. Они легко доступны, однако из-за включения атомов углерода лигандов CO отложения часто имеют низкое содержание металлов.[3][8] Металлогалогенные комплексы (WF6 и т. д.) приводят к более чистым отложениям, но с ними труднее обращаться, поскольку они токсичны и вызывают коррозию.[3] Составные материалы осаждаются из специально созданных экзотических газов, например D2GaN3 для GaN.[3]

Преимущества

  • Очень гибкий в отношении формы и состава отложений; электронный луч управляется литографически, и доступно множество потенциальных прекурсоров
  • Боковой размер изготавливаемых конструкций и точность наплавки беспрецедентны.
  • Осажденный материал можно охарактеризовать методами электронной микроскопии (ТЕМ, УГРЕЙ, EDS, электронная дифракция ) во время или сразу после осаждения. Также возможно определение электрических и оптических характеристик на месте.

Недостатки

  • Последовательное осаждение материала и низкие скорости осаждения в целом ограничивают производительность и, следовательно, массовое производство
  • Контроль элементного или химического состава отложений по-прежнему является серьезной проблемой, поскольку пути разложения прекурсора в основном неизвестны.
  • Эффекты близости могут привести к непреднамеренному расширению конструкции.

Осаждение, индуцированное ионным пучком

Осаждение, индуцированное ионным пучком (IBID), очень похоже на EBID с тем главным отличием, что сфокусированный ионный пучок, обычно 30 кэВ Ga+, используется вместо электронного пучка. В обоих методах осаждение вызывает не первичный пучок, а вторичные электроны. IBID имеет следующие недостатки по сравнению с EBID:

  • Угловой разброс вторичных электронов больше в IBID, что приводит к более низкому пространственному разрешению.
  • Ga+ ионы вносят дополнительное загрязнение и радиационные повреждения в осаждаемую структуру, что важно для электронных приложений.[8]
  • Осаждение происходит в сфокусированный ионный пучок (FIB) установка, которая сильно ограничивает характеристики отложения во время или сразу после осаждения. Возможно только получение изображений, подобных SEM, с использованием вторичных электронов, и даже такое отображение ограничено короткими наблюдениями из-за повреждения образца Ga+ луч. Использование двухлучевого прибора, сочетающего в себе FIB и SEM, позволяет обойти это ограничение.

Преимущества IBID:

  • Намного более высокая скорость наплавки
  • Более высокая чистота

Формы

Наноструктуры практически любой трехмерной формы могут быть нанесены с помощью компьютерного сканирования электронного луча. К основанию необходимо прикрепить только начальную точку, остальная часть конструкции может стоять отдельно. Полученные формы и приспособления замечательны:

  • Самый маленький магнит в мире[4]
  • Фрактальные нанодеревья[4]
  • Nanoloops (потенциал наноКАЛЬМАР устройство)[4]
  • Сверхпроводящие нанопроволоки[8]

  • Снимки выращивания кукольной наноструктуры от IBID

  • Модель бактериофаг выращено IBID

  • Модель Пизанская башня выращено IBID

  • Буква Φ, выращенная EBID

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Киёхара, Шуджи; Такамацу, Хидеаки; Мори, Кацуми (2002). «Микрофабрикация алмазных пленок методом локализованного электронно-лучевого химического осаждения из газовой фазы». Полупроводниковая наука и технологии. 17 (10): 1096. Bibcode:2002SeScT..17.1096K. Дои:10.1088/0268-1242/17/10/311.
  2. ^ Nayak, A .; Банерджи, Х. Д. (1995). «Активированное электронным пучком плазмохимическое осаждение из газовой фазы поликристаллических алмазных пленок». Physica Status Solidi A. 151 (1): 107–112. Bibcode:1995PSSAR.151..107N. Дои:10.1002 / pssa.2211510112.
  3. ^ а б c d е ж Randolph, S .; Fowlkes, J .; Стойка, П. (2006). «Сфокусированное наномасштабное осаждение и травление под действием электронного луча». Критические обзоры твердого тела и материаловедения. 31 (3): 55. Bibcode:2006CRSSM..31 ... 55R. Дои:10.1080/10408430600930438. S2CID  93769658.
  4. ^ а б c d К. Фуруя (2008). «Нанофабрикация с помощью современной электронной микроскопии с использованием интенсивного сфокусированного луча». Sci. Technol. Adv. Матер. 9 (1): 014110. Bibcode:2008STAdM ... 9a4110F. Дои:10.1088/1468-6996/9/1/014110. ЧВК  5099805. PMID  27877936.
  5. ^ М. Сонг и К. Фуруя (2008). «Изготовление и определение характеристик наноструктур на подложках изоляторов методом электронно-лучевого осаждения». Sci. Technol. Adv. Матер. 9 (2): 023002. Bibcode:2008STAdM ... 9b3002S. Дои:10.1088/1468-6996/9/2/023002. ЧВК  5099707. PMID  27877950.
  6. ^ Эрни, Рольф; Росселл, доктор медицины; Киселёвский, C; Дахмен, У (2009). "Получение изображений с атомным разрешением с помощью электронного зонда с диаметром менее 50 мкм". Письма с физическими проверками. 102 (9): 096101. Bibcode:2009PhRvL.102i6101E. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.096101. PMID  19392535.
  7. ^ Ван Дорп, Виллем Ф. (2005). "Приближение к пределу разрешения нанометрового размера электронно-лучевого осаждения". Нано буквы. 5 (7): 1303–7. Bibcode:2005NanoL ... 5,1303 В. Дои:10.1021 / nl050522i. PMID  16178228.
  8. ^ а б c Люксмур, я; Росс, я; Куллис, А; Фрай, П; Орр, Дж; Пряжка, P; Джефферсон, Дж (2007). «Низкотемпературные электрические характеристики вольфрамовых нанопроволок, изготовленных методом химического осаждения из паровой фазы, индуцированного электронным и ионным пучком». Тонкие твердые пленки. 515 (17): 6791. Bibcode:2007TSF ... 515.6791L. Дои:10.1016 / j.tsf.2007.02.029.

внешняя ссылка