전자빔 유도 침적

Electron beam-induced deposition

전자빔 유도 침전(EBID)은 전자빔에 의해 기체 분자가 분해되어 비휘발성 파편이 인근 기질에 침전되는 과정이다.전자 빔은 보통 스캐닝 전자 현미경에 의해 제공되는데, 이는 높은 공간 정확도(잠재적으로 1나노미터 미만)와 독립된 3차원 구조를 생산할 수 있는 가능성을 낳는다.

과정

EBID 프로세스 개요
EBID 설정

스캐닝 전자현미경(SEM) 또는 스캐닝 전송 전자현미경(STEM)의 집중 전자빔이 일반적으로 사용된다.또 다른 방법은 초점 이온빔을 대신 적용하는 이온빔 유도 침전(IBID)이다.전구물질은 일반적으로 증착 전 액체 또는 고체, 기체화되며, 보통 기화 또는 승화를 통해 정확하게 제어되는 속도로 전자현미경의 고진공실에 도입된다.또는 고체 전구체는 전자 빔 자체에 의해 승화될 수 있다.

높은 온도에서 침적이 발생하거나 부식성 가스를 수반할 때는 특수하게 설계된 침전실을 사용하며, 현미경으로부터 격리되고, 빔은 마이크로미터 크기의 오리피스를 통해 그 안으로 유입된다.[1]작은 오리피스 크기는 현미경(진공)과 증착실(진공 없음)에서 차압을 유지한다.그러한 증착모드는 다이아몬드의 EBID에 사용되어 왔다.[1][2]

전구 가스가 있는 곳에서는 전자빔을 기판 위로 스캔하여 물질이 퇴적되는 결과를 초래한다.스캔은 보통 컴퓨터로 제어된다.증착률은 부분 전구압, 기판온도, 전자빔 매개변수, 적용 전류 밀도 등 다양한 처리 매개변수에 따라 달라진다.보통 10nm/s의 순서로 되어 있다.[3]

증착 메커니즘

SEM이나 STEM의 일차 전자 에너지는 보통 10~300 keV 사이인데, 여기서 전자 충격에 의해 유도된 반응, 즉 전구 분열이 상대적으로 낮은 단면을 가진다.분해의 대부분은 낮은 에너지 전자 충격을 통해 발생한다. 즉, 기질-진공 인터페이스를 통과하여 총 전류 밀도에 기여하는 낮은 에너지 2차 전자 또는 비탄력적으로 산란된(백스캐스팅된) 전자에 의해 발생한다.[3][4][5]

공간해상도

1차 S(T)EM 전자는 0.045 nm의 작은 점으로 집중될 수 있다.[6]지금까지 EBID에 의해 퇴적된 가장 작은 구조물은 직경 0.7nm의 점 퇴적물이지만, 퇴적물은 보통 빔 스폿 크기보다 측면 크기가 더 크다.[7]그 이유는 소위 근접 효과로, 즉 2차, 역스크래터, 전방 산란(빔이 이미 퇴적된 물질에 머무르는 경우) 전자가 퇴적하는 데 기여한다는 뜻이다.이러한 전자는 전자빔의 충격 지점(그 에너지에 따라 달라짐)에서 몇 미크론까지 기질을 떠날 수 있으므로 물질 침적이 반드시 조사된 지점에 국한되는 것은 아니다.이 문제를 극복하기 위해 전자 빔 석판술의 전형인 보상 알고리즘을 적용할 수 있다.

재료 및 전구체

As of 2008 the range of materials deposited by EBID included Al, Au, amorphous carbon, diamond, Co, Cr, Cu, Fe, GaAs, GaN, Ge, Mo, Nb, Ni, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Re, Si, Si3N4, SiOx, TiOx, W,[3] and was being expanded.제한 인자는 기체 또는 낮은 승화 온도를 가진 적절한 전구체의 가용성이다.

소자 고형물의 퇴적 전구체로는 Me(CO)x 구조의 금속 카보닐 또는 메탈로케인이 가장 많이 사용된다.그러나 CO 리간드의 탄소 원자가 결합되어 쉽게 구할 수 있으며, 침전물은 종종 낮은 금속 함량을 보인다.[3][8]금속할로겐 복합체(WF6 등)는 침적이 깨끗하지만 유독성과 부식성이 강해 취급이 더 어렵다.[3]복합 재료는 특수하게 조작된 이국적인 가스(예23: DGAN for GaN)로부터 침전된다.[3]

이점

  • 침전물 형태 및 구성과 관련하여 매우 유연함. 전자 빔은 석판학적으로 제어되며 다수의 잠재적 전구체를 사용할 수 있음
  • 생산한 구조물의 측면 크기와 증착 정확도는 전례 없는 수준이다.
  • 퇴적된 물질은 퇴적 중 또는 퇴적 직후 전자현미경 검사 기법(TEM, WEARGER, EDS, 전자 회절)을 사용하여 특성화할 수 있다.현장에서는 전기적, 광학적 특성화도 가능하다.

단점들

  • 일반 제한 처리량에서 직렬 재료의 증착 및 낮은 증착률로 대량 생산
  • 전구 분해 경로를 대부분 알 수 없기 때문에 소자 또는 화학적 퇴적물 구성을 제어하는 것은 여전히 주요 난제다.
  • 근접 효과는 의도하지 않은 구조 확대로 이어질 수 있음

이온빔 유도 침전

이온빔 유도 침전(IBID)은 전자빔 대신 보통 30 keV Ga인+ 초점 이온빔이 사용된다는 주요 차이점을 가진 EBID와 매우 유사하다.두 기법 모두 1차 빔이 아니라 2차 전자로 침적을 일으킨다.IBID는 EB에 비해 다음과 같은 단점이 있다.ID :

  • 2차 전자의 각도 확산은 IBID에서 더 크기 때문에 공간 분해능이 낮아진다.
  • 가+ 이온은 퇴적된 구조물에 추가적인 오염과 방사선 손상을 발생시키며, 이는 전자적 용도에 중요하다.[8]
  • 축적은 FIB(집중 이온 빔) 설정에서 발생하는데, 축전 중 또는 축전 직후의 축전 특성화를 강하게 제한한다.2차 전자를 이용한 SEM과 같은 영상만 가능하며, 그마저도 Ga+ 빔에 의한 샘플 손상으로 인해 짧은 관찰로 제한된다.FIB와 SEM을 하나로 결합한 이중 빔 계기를 사용하면 이러한 한계를 우회할 수 있다.

IBID의 장점은 다음과 같다.

  • 훨씬 높은 증착률
  • 고순도

모양들

거의 모든 3차원 형상의 나노 구조물은 전자빔의 컴퓨터 제어 스캐닝을 사용하여 축적될 수 있다.기질에 출발점만 부착하면 나머지 구조물은 자유롭게 서 있을 수 있다.달성된 모양과 장치는 주목할 만하다.

  • 세계에서 가장 작은 자석[4]
  • 프랙탈 나노트리[4]
  • 나노루프(잠재 나노SQ)UID 장치)[4]
  • 초전도 나노와이어[8]

  • IB에 의한 인형 같은 나노구조물 성장 스냅샷아이디

  • IB에 의해 성장한 박테리오파지의 모델아이디

  • IB가 성장한 피사의 사탑 모형아이디

  • EBID에 의해 성장한 Letter Ⅱ

참고 항목

참조

  1. ^ a b Kiyohara, Shuji; Takamatsu, Hideaki; Mori, Katsumi (2002). "Microfabrication of diamond films by localized electron beam chemical vapour deposition". Semiconductor Science and Technology. 17 (10): 1096. Bibcode:2002SeScT..17.1096K. doi:10.1088/0268-1242/17/10/311.
  2. ^ Nayak, A.; Banerjee, H. D. (1995). "Electron beam activated plasma chemical vapour deposition of polycrystalline diamond films". Physica Status Solidi A. 151 (1): 107–112. Bibcode:1995PSSAR.151..107N. doi:10.1002/pssa.2211510112.
  3. ^ a b c d e f Randolph, S.; Fowlkes, J.; Rack, P. (2006). "Focused, Nanoscale Electron-Beam-Induced Deposition and Etching". Critical Reviews of Solid State and Materials Sciences. 31 (3): 55. Bibcode:2006CRSSM..31...55R. doi:10.1080/10408430600930438. S2CID 93769658.
  4. ^ a b c d K. Furuya (2008). "Nanofabrication by advanced electron microscopy using intense and focused beam". Sci. Technol. Adv. Mater. 9 (1): 014110. Bibcode:2008STAdM...9a4110F. doi:10.1088/1468-6996/9/1/014110. PMC 5099805. PMID 27877936.
  5. ^ M. Song and K. Furuya (2008). "Fabrication and characterization of nanostructures on insulator substrates by electron-beam-induced deposition". Sci. Technol. Adv. Mater. 9 (2): 023002. Bibcode:2008STAdM...9b3002S. doi:10.1088/1468-6996/9/2/023002. PMC 5099707. PMID 27877950.
  6. ^ Erni, Rolf; Rossell, MD; Kisielowski, C; Dahmen, U (2009). "Atomic-Resolution Imaging with a Sub-50-pm Electron Probe". Physical Review Letters. 102 (9): 096101. Bibcode:2009PhRvL.102i6101E. doi:10.1103/PhysRevLett.102.096101. PMID 19392535.
  7. ^ Van Dorp, Willem F. (2005). "Approaching the Resolution Limit of Nanometer-Scale Electron Beam-Induced Deposition". Nano Letters. 5 (7): 1303–7. Bibcode:2005NanoL...5.1303V. doi:10.1021/nl050522i. PMID 16178228.
  8. ^ a b c Luxmoore, I; Ross, I; Cullis, A; Fry, P; Orr, J; Buckle, P; Jefferson, J (2007). "Low temperature electrical characterisation of tungsten nano-wires fabricated by electron and ion beam induced chemical vapour deposition". Thin Solid Films. 515 (17): 6791. Bibcode:2007TSF...515.6791L. doi:10.1016/j.tsf.2007.02.029.

외부 링크