Helium-ion-beam nanofabricage: extreme processen en toepassingen

Helium ionenbundel (HIB) technologie speelt een belangrijke rol in de extreme gebieden van nanofabricage. Vanwege de hoge resolutie en gevoeligheid wordt HIB-nanofabricagetechnologie veel gebruikt om nanostructuren te modelleren in componenten, apparaten of systemen in geïntegreerde schakelingen, materiaalwetenschappen, nano-optica en biowetenschappelijke toepassingen. HIB-gebaseerde nanofabricage omvat direct-write-frezen, ionenbundel-geïnduceerde afzetting en direct-write lithografie zonder de noodzaak om hulp te weerstaan. Hun toepassingen op nanoschaal zijn ook geëvalueerd op het gebied van geïntegreerde schakelingen, materiaalwetenschappen, nano-optica en biologische wetenschappen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in de International Journal of Extreme Manufacturingheeft een team van onderzoekers, geleid door Dr. Deqiang Wang van Chongqing Key Laboratory of Multi-scale Manufacturing Technology, Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, PR China, de extreme processen en toepassingen van HIB-nanofabricage uitgebreid samengevat .

Het belangrijkste doel van deze beoordeling is om de nieuwste ontwikkelingen in HIB-technologie aan te pakken met hun extreme verwerkingsmogelijkheden en wijdverbreide toepassingen in nanofabricage. Op basis van de introductie van het HIM-systeem met GFIS zijn eerst de prestatiekenmerken en voordelen van HIB-technologie besproken. Daarna zijn bepaalde vragen over de extreme processen en toepassingen van HIB-nanofabricage aan de orde gesteld: Hoeveel extreme processen en toepassingen van HIB-technologie zijn er ontwikkeld in nanofabricage voor geïntegreerde schakelingen, materiaalwetenschappen, nano-optica en biowetenschappelijke toepassingen? Wat zijn de belangrijkste uitdagingen in de extreme nanofabricage met HIB-technologie voor toepassingen met hoge resolutie en gevoeligheid?

HIM heeft de voordelen van een hoge resolutie en gevoeligheid voor extreme fabricages van nanostructuren. HIB-gebaseerde nanofabricage omvat direct-write-frezen, ionenbundel-geïnduceerde afzetting en direct-write lithografie zonder de noodzaak om hulp te weerstaan. Hun toepassingen op nanoschaal zijn ook geëvalueerd op het gebied van geïntegreerde schakelingen, materiaalwetenschappen, nano-optica en biologische wetenschappen. Dit overzicht omvat hoofdzakelijk vier thematische toepassingen van HIB: 1) beeldvorming met heliumionmicroscopie (HIM) voor biologische monsters en halfgeleiders; 2) HIB frezen en zwellen voor 2D/3D nanoporiën fabricage; 3) HIB-geïnduceerde depositie voor nanopijlers, nanodraden en 3D-nanostructuren; 4) extra HIB direct schrijven voor resist, grafeen en plasmonische nanostructuren.

HIB-technologie wordt gebruikt voor beeldvorming met hoog contrast en hoge resolutie van geleidende, halfgeleider-, isolatiematerialen en biologische monsters. Hoewel de ionen botsen met het doelmonster, zal het beter zijn dan conventionele SEM-beeldvorming. De gerichte HIB-technologie heeft duidelijke voordelen in nanofabricage, waaronder freesprocessen voor lokale diktecontrole en fabricage van nanostructuren in vrijstaande membranen of bulkmaterialen. De amorfisatie en heliumimplantatie kunnen echter monsterbeschadiging veroorzaken tijdens HIB-frezen op bulksubstraten. Daarom is de optimalisatie van ionendosis, bundelenergie en HIB-dosissnelheid van cruciaal belang voor lokale diktemanipulatie en topografische nauwkeurigheidscontrole bij de fabricage van nanostructuren. Ionenbundel-geïnduceerde depositie is een belangrijke nanofabricagetechnologie, die de eigenschappen van materialen kan wijzigen op basis van de interactie tussen de ionenbundel en materialen. De ontwikkeling van HIB-geïnduceerde depositie is een redelijke, geschikte techniek voor deze specifieke nanofabricagetoepassingen vanwege de lichte massa van heliumionen en de verschillende elektrische eigenschappen tussen inert helium en elektroactief gallium. Vanwege de sub-nanometer spotgrootte wordt de gefocusseerde HIB gebruikt als een nieuwe, direct schrijvende belichtingsbundel met hoge resolutie voor nanofabricage. Volgens de hoge resolutie, het hoge SE-rendement en het lage nabijheidseffect is HIB direct schrijven gelijk aan of beter dan elektronenstraallithografie voor de fabricage van nano-elektronische apparaten. Bovendien worden heliumionen vanwege de relatief lage massa minder beschadigd dan andere deeltjes zoals elektronen en galliumionen voor belichte doelsubstraten.

Professor Deqiang Wang (directeur van Chongqing Key Laboratory of Multi-scale Manufacturing Technology, CIGIT), professor Wen-Di Li, professor Wei Wu, Dr. Shixuan He en Dr. Rong Tian hebben een paar kritieke uitdagingen geïdentificeerd in de extreme processen en toepassingen van HIB nanofabricage als volgt:

“Voor extreme nanofabricage kunnen nanoporiën op nanometerschaal die gunstig zijn voor de herkenning van DNA / RNA-sequenties met één base worden vervaardigd door HIB-frezen op verdund siliciumnitridemembraan of gesuspendeerd grafeen. Amorfisatie tijdens het maalproces bevordert de vorming van specifieke 3D-nanoporiën, die kan worden gebruikt voor potentiële nano-optica en biowetenschappelijke toepassingen.”

“De chemische reactie van de precursorgasmoleculen die door HIB worden geadsorbeerd op het oppervlak, resulteert in de directe afzetting van geprogrammeerde 3D-structuren op nanoschaal.”

“HIB direct schrijven zonder resist-assisted wordt gebruikt om sub-10-nm nanokanalen, nanolinten en nanostructuren te modelleren voor functionele apparaten op nanoschaal.”

“Zowel HIM-beeldvorming als HIB-nanofabricage moeten rekening houden met de onvermijdelijke schade die wordt veroorzaakt door de botsing tussen heliumionen en het sondesubstraat. HIB-technologie heeft een lager sputterrendement maar kan grotere schade aan het substraat veroorzaken bij nanofabricageverwerking, zoals bellen, implantatie en amorfisatie. Meer diepgaand theoretisch onderzoek naar het interactiemechanisme tussen heliumionen en materialen heeft de verbetering van de verwerkingscapaciteit van de extreme nanofabricage met HIB-technologie bevorderd.”

“De stabiliteit en herhaalbaarheid van het HIB-freesproces zal worden verbeterd om te voldoen aan de vereisten van sub-nanometerresolutie en fabricage met hoge doorvoer in speciale toepassingen. Bij het optimaliseren van het nanofabricageproces zal de positieve of negatieve impact van heliumionenbombardement op de materiaaleigenschappen moet worden overwogen, zodat HIB-technologie kan worden gebruikt om nanostructuren direct te fabriceren met minder defecten en uitstekende prestaties.”

“Voor direct-write HIB-techniek en HIB-geïnduceerde afzettingsprocessen, is de algemene uitdaging om de complexiteit van nanostructuren te vergroten met behoud van de nanoschaalfunctiegrootte voor de speciale toepassingen. Om de complexiteit van nanostructuren en hun toepassingen in productie te vergroten, is het direct schrijven Het proces van HIB-technologie moet worden verbeterd door zorgvuldige optimalisatie van parameters. Bovendien moet ook rekening worden gehouden met het nabijheidseffect bij de HIB-processen voor direct schrijven en HIB-geïnduceerde depositie.”

Onderzoekers hebben aangetoond dat HIB-technologie een belangrijke rol zal spelen bij extreme nanofabricage omdat het de voordelen heeft van een hoge gevoeligheid, resolutie en precisie voor direct schrijven, frezen, patroonvorming, geassisteerd frezen en afzettingsprocessen met minder schade aan de monsters.