Электронно-лучевое осаждение

Электронно-лучевое осаждение (EBID) — это процесс разложения газообразных молекул электронным лучом, приводящий к осаждению нелетучих фрагментов на близлежащую подложку. Электронный луч обычно создается сканирующим электронным микроскопом , что обеспечивает высокую пространственную точность (потенциально ниже одного нанометра) и возможность создавать отдельно стоящие трехмерные структуры. ^{[ 1 ]}

Процесс

сфокусированный электронный луч сканирующего электронного микроскопа (SEM) или сканирующего просвечивающего электронного микроскопа Обычно используется (STEM). Другой метод — осаждение ионным лучом (IBID), при котором сфокусированный ионный луч вместо этого применяется . Материалы-прекурсоры обычно являются жидкими или твердыми и газифицируются перед осаждением, обычно путем испарения или сублимации , и вводятся с точно контролируемой скоростью в камеру высокого вакуума электронного микроскопа. Альтернативно, твердые предшественники могут быть сублимированы самим электронным лучом. ^{[ 2 ]}

Если осаждение происходит при высокой температуре или с участием агрессивных газов, используется специально разработанная камера осаждения; ^{[ 3 ]} он изолирован от микроскопа, и луч вводится в него через отверстие микрометрового размера. Небольшой размер отверстия поддерживает перепад давления в микроскопе (вакуум) и камере осаждения (без вакуума). Такой режим осаждения был использован для EBID алмаза. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

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 луча, плотность приложенного тока и т. д. Обычно она составляет порядка 10 нм/с. ^{[ 5 ]}

Механизм осаждения

Энергия первичных электронов в SEM или STEM обычно составляет от 10 до 300 кэВ, где реакции, вызванные электронным ударом, то есть диссоциация предшественника, имеют относительно низкое сечение. Большая часть разложения происходит за счет удара электронов низкой энергии: либо вторичных электронов низкой энергии, которые пересекают границу раздела подложка-вакуум и вносят вклад в общую плотность тока, либо неупруго рассеянных (обратно рассеянных) электронов. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Пространственное разрешение

Первичные электроны S(T)EM могут фокусироваться в пятна размером ~0,045 нм. ^{[ 8 ]} Хотя наименьшие структуры, нанесенные на данный момент с помощью EBID, представляют собой точечные покрытия диаметром ~0,7 нм, ^{[ 9 ]} Отложения обычно имеют больший латеральный размер, чем размер пятна луча. Причиной являются так называемые эффекты близости, означающие, что осаждению способствуют вторичные, обратно-рассеянные и вперед-рассеянные (если луч находится на уже осажденном материале) электроны. Поскольку эти электроны могут покидать подложку на расстоянии до нескольких микрон от точки воздействия электронного луча (в зависимости от его энергии), осаждение материала не обязательно ограничивается облученным пятном. Для решения этой проблемы можно применить алгоритмы компенсации, что характерно для электронно-лучевой литографии.

Материалы и прекурсоры

По состоянию на 2008 год в ассортимент материалов, осажденных EBID, входили Al, Au, аморфный углерод, алмаз, Co, Cr, Cu, Fe, GaAs, GaN, Ge, Mo, Nb, Ni, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Re, Si, Si ₃ N ₄ , SiO _x , TiO _x , W, ^{[ 5 ]} и расширялся. Ограничивающим фактором является наличие соответствующих прекурсоров, газообразных или имеющих низкую температуру сублимации.

Наиболее популярными прекурсорами для осаждения элементарных твердых веществ являются карбонилы металлов структуры Me(CO) _x или металлоцены . Они легко доступны, однако из-за включения атомов углерода из лигандов CO в отложениях часто наблюдается низкое содержание металлов. ^{[ 5 ]}^{[ 10 ]} Металлогалогенные комплексы ( WF ₆ и т. д.) приводят к более чистому осаждению, но с ними труднее обращаться, поскольку они токсичны и вызывают коррозию. ^{[ 5 ]} Композиционные материалы осаждаются из специально созданных экзотических газов, например, D ₂ GaN ₃ для GaN. ^{[ 5 ]}

Преимущества

Очень гибкий в отношении формы и состава депозитов; электронный луч контролируется литографически, и доступно множество потенциальных предшественников
Латеральный размер производимых структур и точность осаждения беспрецедентны.
Осажденный материал можно охарактеризовать с помощью методов электронной микроскопии ( ПЭМ , EELS , EDS , дифракция электронов ) во время или сразу после осаждения. Также возможно определение электрических и оптических характеристик на месте.

Недостатки

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

Ионно-индуцированное осаждение

Осаждение, индуцированное ионным лучом (IBID), очень похоже на EBID, с той основной разницей, что сфокусированный ионный луч обычно 30 кэВ Ga. ⁺, используется вместо электронного луча. В обоих методах осаждение вызывает не первичный луч, 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.
Здесь ⁺ ионы вносят дополнительное загрязнение и радиационное повреждение осаждаемой структуры, что важно для электронных приложений. ^{[ 10 ]}
Осаждение происходит в установке сфокусированного ионного пучка (FIB), что сильно ограничивает определение характеристик осадка во время или сразу после осаждения. Возможна только визуализация, подобная СЭМ, с использованием вторичных электронов, и даже эта визуализация ограничена короткими наблюдениями из-за повреждения образца Ga. ⁺ луч. Использование двухлучевого прибора, сочетающего в себе FIB и SEM, позволяет обойти это ограничение.

Преимущества ИБИД:

Гораздо более высокая скорость осаждения
Высшая чистота

Формы

Наноструктуры практически любой трехмерной формы можно нанести с помощью компьютерного сканирования электронного луча. К основанию необходимо прикрепить только начальную точку, остальная часть конструкции может стоять отдельно. Достигнутые формы и устройства замечательны:

Самый маленький магнит в мире ^{[ 6 ]}
Фрактальные нанодеревья ^{[ 6 ]}
Нанолупы (потенциальное нано- СКВИД- устройство) ^{[ 6 ]}
Сверхпроводящие нанопровода ^{[ 10 ]}

Снимки выращивания кукольной наноструктуры от IBID
Модель бактериофага, выращенная в ИБИД.
Модель Пизанской башни, выращенная IBID.
Буква Φ, выращенная EBID

См. также

Ссылки

^ Карден, Уилл Г.; Лу, Ханг; Спенсер, Джули А.; Фэйрбразер, Д. Ховард; МакЭлви-Уайт, Лиза (01 июня 2018 г.). «Механизм создания прекурсоров для фокусированного электронного осаждения» . МРС Коммуникации . 8 (2): 343–357. дои : 10.1557/mrc.2018.77 . ISSN 2159-6867 .
^ Мура, Франческо; Коньиньи, Флавио; Феррони, Маттео; Моранди, Витторио; Росси, Марко (24 августа 2023 г.). «Достижения в области сфокусированной ионно-лучевой томографии для трехмерной характеристики в материаловедении» . Материалы . 16 (17): 5808. Бибкод : 2023Mate...16.5808M . дои : 10.3390/ma16175808 . ISSN 1996-1944 гг . ПМЦ 10488958 . ПМИД 37687502 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Киёхара, Сюдзи; Такамацу, Хидеаки; Мори, Кацуми (2002). «Микропроизводство алмазных пленок методом локализованного электронно-лучевого химического осаждения из паровой фазы». Полупроводниковая наука и технология . 17 (10): 1096. Бибкод : 2002SeScT..17.1096K . дои : 10.1088/0268-1242/17/10/311 .
^ Наяк, А.; Банерджи, HD (1995). «Электронно-лучевое плазмохимическое осаждение из паровой фазы поликристаллических алмазных пленок». Физический статус Солиди А. 151 (1): 107–112. Бибкод : 1995PSSAR.151..107N . дои : 10.1002/pssa.2211510112 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Рэндольф, С.; Фаулкс, Дж.; Рак, П. (2006). «Фокусированное наномасштабное электронно-лучевое осаждение и травление». Критические обзоры наук о твердом теле и материаловедении . 31 (3): 55. Бибкод : 2006CRSSM..31...55R . дои : 10.1080/10408430600930438 . S2CID 93769658 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д К. Фуруя (2008). «Нанопроизводство с помощью современной электронной микроскопии с использованием интенсивного и сфокусированного луча» . наук. Технол. Адв. Мэтр . 9 (1): 014110. Бибкод : 2008STAdM...9a4110F . дои : 10.1088/1468-6996/9/1/014110 . ПМК 5099805 . ПМИД 27877936 .
^ М. Сонг и К. Фуруя (2008). «Изготовление и определение характеристик наноструктур на изоляционных подложках методом электронно-лучевого осаждения» . наук. Технол. Адв. Мэтр . 9 (2): 023002. Бибкод : 2008STAdM...9b3002S . дои : 10.1088/1468-6996/9/2/023002 . ПМК 5099707 . ПМИД 27877950 .
^ Эрни, Рольф; Росселл, доктор медицины; Киселовский, К; Дамен, Ю (2009). «Визуализация атомного разрешения с помощью электронного зонда с толщиной менее 50 мкм» . Письма о физических отзывах . 102 (9): 096101. Бибкод : 2009PhRvL.102i6101E . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.096101 . ПМИД 19392535 .
^ Ван Дорп, Виллем Ф. (2005). «Приближение к пределу разрешения электронно-лучевого осаждения нанометрового масштаба». Нано-буквы . 5 (7): 1303–7. Бибкод : 2005NanoL...5.1303V . дои : 10.1021/nl050522i . ПМИД 16178228 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Люксмур, я; Росс, я; Каллис, А; Фрай, П; Орр, Дж; Пряжка, П; Джефферсон, Дж (2007). «Низкотемпературные электрические характеристики вольфрамовых нанопроволок, изготовленных методом химического осаждения из паровой фазы, индуцированного электронным и ионным лучом». Тонкие твердые пленки . 515 (17): 6791. Бибкод : 2007TSF...515.6791L . дои : 10.1016/j.tsf.2007.02.029 .

Внешние ссылки

«Нанопроизводство: основы и приложения» Под ред.: Ампер А. Ценг, World Scientific Publishing Company (4 марта 2008 г.), ISBN 981-270-076-5 , ISBN 978-981-270-076-6
К. Молхаве: «Инструменты для манипуляций на месте и определения характеристик наноструктур», докторская диссертация, Технический университет Дании, 2004 г.

[1] Карден, Уилл Г.; Лу, Ханг; Спенсер, Джули А.; Фэйрбразер, Д. Ховард; МакЭлви-Уайт, Лиза (01 июня 2018 г.). «Механизм создания прекурсоров для фокусированного электронного осаждения» . МРС Коммуникации . 8 (2): 343–357. дои : 10.1557/mrc.2018.77 . ISSN 2159-6867 .

[2] Мура, Франческо; Коньиньи, Флавио; Феррони, Маттео; Моранди, Витторио; Росси, Марко (24 августа 2023 г.). «Достижения в области сфокусированной ионно-лучевой томографии для трехмерной характеристики в материаловедении» . Материалы . 16 (17): 5808. Бибкод : 2023Mate...16.5808M . дои : 10.3390/ma16175808 . ISSN 1996-1944 гг . ПМЦ 10488958 . ПМИД 37687502 .

[dia1-3] Перейти обратно: ^а ^б Киёхара, Сюдзи; Такамацу, Хидеаки; Мори, Кацуми (2002). «Микропроизводство алмазных пленок методом локализованного электронно-лучевого химического осаждения из паровой фазы». Полупроводниковая наука и технология . 17 (10): 1096. Бибкод : 2002SeScT..17.1096K . дои : 10.1088/0268-1242/17/10/311 .

[dia2-4] Наяк, А.; Банерджи, HD (1995). «Электронно-лучевое плазмохимическое осаждение из паровой фазы поликристаллических алмазных пленок». Физический статус Солиди А. 151 (1): 107–112. Бибкод : 1995PSSAR.151..107N . дои : 10.1002/pssa.2211510112 .

[r1-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Рэндольф, С.; Фаулкс, Дж.; Рак, П. (2006). «Фокусированное наномасштабное электронно-лучевое осаждение и травление». Критические обзоры наук о твердом теле и материаловедении . 31 (3): 55. Бибкод : 2006CRSSM..31...55R . дои : 10.1080/10408430600930438 . S2CID 93769658 .

[fr1-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д К. Фуруя (2008). «Нанопроизводство с помощью современной электронной микроскопии с использованием интенсивного и сфокусированного луча» . наук. Технол. Адв. Мэтр . 9 (1): 014110. Бибкод : 2008STAdM...9a4110F . дои : 10.1088/1468-6996/9/1/014110 . ПМК 5099805 . ПМИД 27877936 .

[7] М. Сонг и К. Фуруя (2008). «Изготовление и определение характеристик наноструктур на изоляционных подложках методом электронно-лучевого осаждения» . наук. Технол. Адв. Мэтр . 9 (2): 023002. Бибкод : 2008STAdM...9b3002S . дои : 10.1088/1468-6996/9/2/023002 . ПМК 5099707 . ПМИД 27877950 .

[8] Эрни, Рольф; Росселл, доктор медицины; Киселовский, К; Дамен, Ю (2009). «Визуализация атомного разрешения с помощью электронного зонда с толщиной менее 50 мкм» . Письма о физических отзывах . 102 (9): 096101. Бибкод : 2009PhRvL.102i6101E . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.096101 . ПМИД 19392535 .

[small-9] Ван Дорп, Виллем Ф. (2005). «Приближение к пределу разрешения электронно-лучевого осаждения нанометрового масштаба». Нано-буквы . 5 (7): 1303–7. Бибкод : 2005NanoL...5.1303V . дои : 10.1021/nl050522i . ПМИД 16178228 .

[super-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с Люксмур, я; Росс, я; Каллис, А; Фрай, П; Орр, Дж; Пряжка, П; Джефферсон, Дж (2007). «Низкотемпературные электрические характеристики вольфрамовых нанопроволок, изготовленных методом химического осаждения из паровой фазы, индуцированного электронным и ионным лучом». Тонкие твердые пленки . 515 (17): 6791. Бибкод : 2007TSF...515.6791L . дои : 10.1016/j.tsf.2007.02.029 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]