Osadzanie indukowane wiązką elektronów - Electron beam-induced deposition

Depozycja indukowana wiązką elektronów (EBID) to proces rozkładu cząsteczek gazowych przez wiązkę elektronów, prowadzący do osadzania się nielotnych fragmentów na pobliskim podłożu. Wiązka elektronów jest zwykle dostarczana przez skaningowy mikroskop elektronowy , co zapewnia dużą dokładność przestrzenną (potencjalnie poniżej jednego nanometra) oraz możliwość tworzenia wolno stojących, trójwymiarowych struktur.

Proces

Schemat procesu EBID

Konfiguracja EBID

Powszechnie stosuje się zogniskowaną wiązkę elektronów skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) lub skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego (STEM). Inną metodą jest osadzanie indukowane wiązką jonów (IBID), w którym zamiast tego stosowana jest zogniskowana wiązka jonów . Materiały prekursorowe są zazwyczaj ciekłe lub stałe i są zgazowywane przed osadzaniem, zwykle przez odparowanie lub sublimację , i wprowadzane z dokładnie kontrolowaną szybkością do komory wysokopróżniowej mikroskopu elektronowego. Alternatywnie stałe prekursory mogą być sublimowane przez samą wiązkę elektronów.

Kiedy osadzanie odbywa się w wysokiej temperaturze lub obejmuje gazy powodujące korozję, stosuje się specjalnie zaprojektowaną komorę do osadzania; jest izolowany od mikroskopu, a wiązka jest wprowadzana do niego przez otwór o rozmiarze mikrometra. Mały rozmiar dyszy utrzymuje różnicę ciśnień w mikroskopie (próżnia) i komorze osadzania (brak próżni). Taki tryb osadzania zastosowano dla EBID diamentu.

W obecności gazu prekursorowego wiązka elektronów jest skanowana nad podłożem, co powoduje osadzanie się materiału. Skanowanie jest zwykle sterowane komputerowo. Szybkość osadzania zależy od wielu parametrów przetwarzania, takich jak częściowe ciśnienie prekursora, temperatura podłoża, parametry wiązki elektronów, przyłożona gęstość prądu itp. Zwykle jest rzędu 10 nm / s.

Mechanizm osadzania

Energia elektronów pierwotnych w SEM lub STEM wynosi zwykle od 10 do 300 keV, gdzie reakcje indukowane uderzeniem elektronu, tj. Dysocjacja prekursora, mają stosunkowo mały przekrój. Większość rozkładu następuje poprzez zderzenie elektronów o niskiej energii: albo przez niskoenergetyczne elektrony wtórne, które przecinają granicę między substratem a próżnią i przyczyniają się do całkowitej gęstości prądu, albo przez nieelastycznie rozproszone (wstecznie rozproszone) elektrony.

Rozkład przestrzenny

Pierwotne elektrony S (T) EM mogą być skupione w plamkach tak małych jak ~ 0,045 nm. Podczas gdy najmniejsze struktury osadzone do tej pory przez EBID są osadami punktowymi o średnicy ~ 0,7 nm, osady mają zwykle większy rozmiar poprzeczny niż rozmiar plamki wiązki. Powodem są tak zwane efekty bliskości, co oznacza, że do osadzania przyczyniają się elektrony wtórne, wstecznie rozproszone i rozproszone do przodu (jeśli wiązka pozostaje na już osadzonym materiale). Ponieważ te elektrony mogą opuścić podłoże w odległości do kilku mikronów od punktu uderzenia wiązki elektronów (w zależności od jego energii), osadzanie materiału niekoniecznie jest ograniczone do napromieniowanego miejsca. Aby rozwiązać ten problem, można zastosować algorytmy kompensacji, co jest typowe dla litografii wiązką elektronów.

Materiały i prekursory

Od 2008 roku zakres materiałów zdeponowanych przez EBID obejmował Al, Au, węgiel amorficzny, diament, 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 i był rozszerzany. Czynnikiem ograniczającym jest dostępność odpowiednich prekursorów, gazowych lub o niskiej temperaturze sublimacji.

Najpopularniejszymi prekursorami osadzania elementarnych ciał stałych są karbonyle metali o strukturze Me (CO) _x lub metaloceny . Są łatwo dostępne, jednak ze względu na włączenie atomów węgla z ligandów CO, osady często wykazują niską zawartość metalu. Kompleksy metal-halogen ( WF ₆ , itp.) Powodują czystsze osadzanie się, ale są trudniejsze w obsłudze, ponieważ są toksyczne i żrące. Materiały złożone są osadzane ze specjalnie spreparowanych egzotycznych gazów, np. D ₂ GaN ₃ dla GaN.

Zalety

Bardzo elastyczny pod względem kształtu i składu złoża; wiązka elektronów jest kontrolowana litograficznie i dostępnych jest wiele potencjalnych prekursorów
Boczne rozmiary wytwarzanych struktur i dokładność osadzania są niespotykane
Osadzony materiał można scharakteryzować za pomocą technik mikroskopii elektronowej ( TEM , EELS , EDS , dyfrakcja elektronów ) w trakcie lub bezpośrednio po osadzeniu. Możliwa jest również charakterystyka elektryczna i optyczna in situ.

Niedogodności

Osadzanie seryjne materiału i niskie szybkości osadzania na ogół ograniczają przepustowość, a tym samym masową produkcję
Kontrolowanie składu złoża pierwiastkowego lub chemicznego nadal stanowi duże wyzwanie, ponieważ szlaki rozkładu prekursorów są w większości nieznane
Efekty bliskości mogą prowadzić do niezamierzonego poszerzenia struktury

Osadzanie indukowane wiązką jonów

Depozycja indukowana wiązką jonów (IBID) jest bardzo podobna do EBID z tą główną różnicą, że zamiast wiązki elektronów używana jest zogniskowana wiązka jonów , zwykle 30 keV Ga ⁺ . W obu technikach to nie wiązka pierwotna, ale elektrony wtórne powodują osadzanie. IBID ma następujące wady w porównaniu z EBID:

Rozrzut kątowy elektronów wtórnych jest większy w IBID, co skutkuje niższą rozdzielczością przestrzenną.
Jony Ga ⁺ wprowadzają dodatkowe zanieczyszczenia i uszkodzenia radiacyjne osadzonej struktury, co jest istotne w zastosowaniach elektronicznych.
Osadzanie następuje w konfiguracji zogniskowanej wiązki jonów (FIB), co silnie ogranicza charakterystykę osadu podczas lub bezpośrednio po osadzeniu. Możliwe jest tylko obrazowanie podobne do SEM przy użyciu elektronów wtórnych, a nawet to obrazowanie jest ograniczone do krótkich obserwacji z powodu uszkodzenia próbki przez wiązkę Ga ⁺ . Zastosowanie instrumentu dwuwiązkowego, który łączy FIB i SEM w jednym, omija to ograniczenie.

Zalety IBID to:

Znacznie wyższy współczynnik osadzania
Wyższa czystość

Kształty

Nanostruktury o praktycznie dowolnym trójwymiarowym kształcie można osadzać za pomocą sterowanego komputerowo skanowania wiązki elektronów. Jedynie punkt startowy musi być przymocowany do podłoża, reszta konstrukcji może być wolnostojąca. Uzyskane kształty i urządzenia są niezwykłe: