Helium-Ionenstrahl-Nanofabrikation: Extreme Prozesse und Anwendungen

Die Heliumionenstrahl(HIB)-Technologie spielt eine wichtige Rolle in den extremen Bereichen der Nanofabrikation. Aufgrund der hohen Auflösung und Empfindlichkeit wird die HIB-Nanofabrikationstechnologie häufig verwendet, um Nanostrukturen in Komponenten, Geräten oder Systemen in integrierten Schaltkreisen, Materialwissenschaften, Nanooptik und biowissenschaftlichen Anwendungen zu strukturieren. Die HIB-basierte Nanofabrikation umfasst Direktschreibfräsen, Ionenstrahl-induzierte Abscheidung und Direktschreiblithographie ohne die Notwendigkeit, sich der Unterstützung zu widersetzen. Ihre Anwendungen im Nanomaßstab wurden auch in den Bereichen integrierte Schaltkreise, Materialwissenschaften, Nanooptik und Biowissenschaften bewertet.

In einem neuen Artikel, der in der Internationale Zeitschrift für extreme Fertigungein Forscherteam unter der Leitung von Dr. Deqiang Wang vom Chongqing Key Laboratory of Multi-scale Manufacturing Technology, Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, VR China, hat die extremen Prozesse und Anwendungen der HIB-Nanofabrikation umfassend zusammengefasst .

Das Hauptziel dieser Übersicht besteht darin, die neuesten Entwicklungen in der HIB-Technologie mit ihren extremen Verarbeitungsfähigkeiten und weit verbreiteten Anwendungen in der Nanofabrikation anzusprechen. Ausgehend von der Einführung des HIM-Systems mit GFIS wurden zunächst die Leistungsmerkmale und Vorteile der HIB-Technologie diskutiert. Danach wurden bestimmte Fragen zu den extremen Prozessen und Anwendungen der HIB-Nanofabrikation angesprochen: Wie viele extreme Prozesse und Anwendungen der HIB-Technologie wurden in der Nanofabrikation für integrierte Schaltkreise, Materialwissenschaften, Nanooptik und biowissenschaftliche Anwendungen entwickelt? Was sind die größten Herausforderungen bei der extremen Nanofabrikation mit HIB-Technologie für Anwendungen mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit?

HIM hat die Vorteile einer hohen Auflösung und Empfindlichkeit für die Herstellung extremer Nanostrukturen. Die HIB-basierte Nanofabrikation umfasst Direktschreibfräsen, Ionenstrahl-induzierte Abscheidung und Direktschreiblithographie ohne die Notwendigkeit, sich der Unterstützung zu widersetzen. Ihre Anwendungen im Nanomaßstab wurden auch in den Bereichen integrierte Schaltkreise, Materialwissenschaften, Nanooptik und Biowissenschaften bewertet. Dieser Aufsatz behandelt hauptsächlich vier thematische Anwendungen von HIB: 1) Helium-Ionen-Mikroskopie (HIM)-Bildgebung für biologische Proben und Halbleiter; 2) HIB-Fräsen und Quellen für die Herstellung von 2D/3D-Nanoporen; 3) HIB-induzierte Abscheidung für Nanosäulen, Nanodrähte und 3D-Nanostrukturen; 4) zusätzliches HIB-Direktschreiben für Resist-, Graphen- und plasmonische Nanostrukturen.

Die HIB-Technologie wird für die kontrastreiche, hochauflösende Bildgebung von leitfähigen, halbleitenden, isolierenden Materialien und biologischen Proben verwendet. Obwohl die Ionen mit der Zielprobe kollidieren, ist dies besser als herkömmliche SEM-Bildgebung. Die fokussierte HIB-Technologie hat deutliche Vorteile in der Nanofabrikation, einschließlich Fräsprozessen zur lokalen Dickenkontrolle und Nanostrukturherstellung in freistehenden Membranen oder Massenmaterialien. Die Amorphisierung und Heliumimplantation können jedoch während des HIB-Fräsens auf massiven Substraten Probenschäden verursachen. Daher ist die Optimierung der Ionendosis, der Strahlenergie und der HIB-Dosisrate entscheidend für die lokale Dickenmanipulation und die Kontrolle der Topographiegenauigkeit bei der Herstellung von Nanostrukturen. Die ionenstrahlinduzierte Abscheidung ist eine wichtige Nanofabrikationstechnologie, die die Eigenschaften von Materialien entsprechend der Wechselwirkung zwischen dem Ionenstrahl und den Materialien modifizieren kann. Die Entwicklung der HIB-induzierten Abscheidung ist aufgrund der geringen Masse von Heliumionen und der unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften zwischen inertem Helium und elektroaktivem Gallium eine vernünftige, geeignete Technik für diese spezifischen Nanofabrikationsanwendungen. Aufgrund der Punktgröße im Sub-Nanometer-Bereich wird die fokussierte HIB als neuer, hochauflösender Direktschreib-Belichtungsstrahl für die Nanofabrikation eingesetzt. Aufgrund der hohen Auflösung, der hohen SE-Ausbeute und des geringen Proximity-Effekts ist das HIB-Direktschreiben für die Herstellung nanoelektronischer Bauelemente gleich oder besser als die Elektronenstrahllithographie. Darüber hinaus werden Heliumionen aufgrund der relativ geringen Masse weniger geschädigt als andere Partikel wie Elektronen und Galliumionen für freigelegte Zielsubstrate.

Professor Deqiang Wang (Direktor des Chongqing Key Laboratory of Multi-scale Manufacturing Technology, CIGIT), Professor Wen-Di Li, Professor Wei Wu, Dr. Shixuan He und Dr. Rong Tian haben einige kritische Herausforderungen in den extremen Prozessen identifiziert und Anwendungen der HIB-Nanofabrikation wie folgt:

„Für extreme Nanofabrikation können Nanoporen im Nanometerbereich, die für die Einzelbasenerkennung von DNA/RNA-Sequenzen von Vorteil sind, durch HIB-Fräsen auf verdünnter Siliziumnitridmembran oder suspendiertem Graphen hergestellt werden. Die Amorphisierung während des Fräsprozesses fördert die Bildung spezifischer 3D-Nanoporen, die kann für potenzielle Anwendungen in der Nanooptik und in den Biowissenschaften verwendet werden.“

„Die durch HIB induzierte chemische Reaktion der an der Oberfläche adsorbierten Vorläufergasmoleküle führt zur direkten Abscheidung von programmierten 3D-Strukturen im Nanomaßstab.“

„HIB-Direktschreiben ohne Resist-Unterstützung wird verwendet, um Sub-10-nm-Nanokanäle, Nanobänder und Nanostrukturen für funktionale Geräte im Nanomaßstab zu strukturieren.“

„Sowohl die HIM-Bildgebung als auch die HIB-Nanofabrikation müssen die unvermeidlichen Schäden berücksichtigen, die durch die Kollision zwischen Heliumionen und dem Sondensubstrat verursacht werden. Die HIB-Technologie hat eine geringere Sputterausbeute, kann jedoch bei der Nanofabrikationsverarbeitung größere Schäden auf dem Substrat verursachen, wie z. B. Blasen. Implantation und Amorphisierung. Eine eingehendere theoretische Forschung zum Wechselwirkungsmechanismus zwischen Heliumionen und Materialien hat die Verbesserung der Verarbeitungsfähigkeit der extremen Nanofabrikation mit der HIB-Technologie vorangetrieben.“

„Die Stabilität und Wiederholbarkeit des HIB-Mahlprozesses wird verbessert, um die Anforderungen der Sub-Nanometer-Auflösung und Hochdurchsatz-Fertigung in speziellen Anwendungen zu erfüllen. Bei der Optimierung des Nanofabrikationsprozesses werden die positiven oder negativen Auswirkungen des Helium-Ionen-Beschusses auf die Materialeigenschaften berücksichtigt in Betracht gezogen werden, damit die HIB-Technologie zur direkten Herstellung von Nanostrukturen mit weniger Defekten und hervorragender Leistung verwendet werden kann.“

„Für die Direct-Write-HIB-Technik und HIB-induzierte Abscheidungsprozesse besteht die gemeinsame Herausforderung darin, die Komplexität von Nanostrukturen zu erhöhen und gleichzeitig die nanoskalige Strukturgröße für die speziellen Anwendungen beizubehalten. Um die Komplexität von Nanostrukturen und deren Anwendungen in der Produktion zu erhöhen, das direkte Schreiben Der Prozess der HIB-Technologie muss durch sorgfältige Optimierung der Parameter verbessert werden. Außerdem sollte der Proximity-Effekt auch bei den HIB-Direktschreib- und HIB-induzierten Abscheidungsprozessen berücksichtigt werden.“

Forscher haben gezeigt, dass die HIB-Technologie eine wichtige Rolle bei der extremen Nanofabrikation spielen wird, da sie die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit, Auflösung und Präzision für direktes Schreiben, Fräsen, Mustern, unterstütztes Fräsen und Abscheidungsprozesse mit weniger Schäden an den Proben bietet.

Bereitgestellt vom International Journal of Extreme Manufacturing