Химическая технология. Шаблоны выемок на атомной шкале

Исследователи из Университета штата Пенсильвания и Юго-Западного университета Цзяотун и Университета Цинхуа в Китае разработали точный, без химикатов метод для травления наноразмерных объектов на кремниевых пластинах.

Один слой атомов кремния (черный) связывается с движущимся кремниевым наконечником сканирующего зондового микроскопа , (Image credit: Lei Chen / Southwest Jiaotong University)

В типичной литографии фоточувствительная пленка помещается на кремниевую пластину, и шаблон, известный как маска, используется для экспонирования некоторых участков пленки. Затем химические вещества, такие как раствор гидроксида калия, используются для травления образцов в кремнии. Для сглаживания грубой поверхности необходимы дополнительные шаги.

Ученые Университета штата Пенсильвания и Юго-Западного университета Цзяотун создали совершенно другой, химически и без масок, одноэтапный процесс. Они мягко протирали округлый кремнеземный наконечник прибора, известного как сканирующий зондовый микроскоп, через кремниевую подложку – материальную базу, обычно используемую для изготовления электронных устройств. При воздействии водяного пара на воздухе верхний слой кремния развивает связи с наконечником сканирующего зонда, и один слой атомов скользит, когда зонд проходит через кремний. Поскольку атомы ниже не присоединяются к химической реакции, они полностью не повреждены.

Это действительно уникальная идея. I t – так называемая трибохимическая реакция. В отличие от химических реакций, вызванных тепловыми, светлыми или электрическими полями, которые все широко изучены, механически стимулированные химические реакции менее понятны.

Сон Ким, профессор химической инженерии – штат Пенсильвания

Механизм удаления запускается, когда кремний подвергается воздействию воздуха, а верхний атомный слой атомов кремния реагирует с молекулами воды для создания связей кремний-кислород-водород. Затем поверхность оксида кремния наконечника развивает связь кремний-оксид-кремний с поверхностью подложки из-за поперечной силы движущегося наконечника. Это помогает удалению атома кремния с самой верхней поверхности подложки.

Люди, заинтересованные в нанообработке, которые пытаются уменьшить размер устройства до размеров атомного масштаба, могут найти этот метод полезным, считает Ким.

« Травление атомным слоем может обеспечить разрешение по глубине, которое люди хотели бы получить без использования жертвенных слоев и суровых химикатов», – сказал он.

Этот вид техники паттерна чрезвычайно медленный для микрообработки в настоящее время, признал Ким. Однако ученые могли использовать его для разработки платформы для тестирования электронных и микроэлектромеханических устройств со свойствами в Angstrom или одноатомном масштабе, намного меньших, чем текущие устройства. По крайней мере, одна компания IBM проверила несколько массивов зондов, которые могли бы проложить путь для крупномасштабного паттерна устройств.

Наш процесс может быть объединен с их процессом для расширения. Это начальная научная часть. Как только мы увидим науку, можно изучить множество возможностей. Например, мы считаем, что этот метод будет работать с другими материалами за пределами кремния.

Сон Ким, профессор химической инженерии – штат Пенсильвания

Ученые объясняют свой метод в Nature Communications в статье под названием «Нанопроизводство поверхности кремния с точностью одно атомного слоя с помощью механохимических реакций».

Первый и второй авторы, Лэй Чен и Джиалин Вэнь, посещали ученых в штате Пенн и продолжали работать с Кимом по трибохимическим реакциям, когда они возвращались в Китай. Долгосрочный сотрудник Кима, Линмао Цянь из Юго-Западного университета Цзяотун, является соавтором вместе с Ким.

Национальный научный фонд США, Национальный научный фонд Китая и Программа научных исследований Китая поддержали это исследование.

Source link