Точный контроль недопустоупакованных массивов полистироловых наночастиц через ионно-лучевое травление

Аннотация

Пленки полистироловых (PS) наночастиц, расположенные в недопустоупакованных массивах, были изготовлены ионно-лучевым травлением (IBE). Систематические исследования времени травления, тока пучка и напряжения раскрыли замедленно низкую скорость травления ~9.2 нм/мин для 100-нм наносфер, которая варьировалась при длительном воздействии из-за накопленной тепловой энергии. Настраивая эти параметры, диаметры частиц были точно уменьшены между 34 нм и 88 нм. Используя полученный шаблон, мы изготовили упорядоченные кремниевые (Si) наноколонки со средним диаметром 54 нм с помощью металл-ассистированного химического травления. Эти результаты демонстрируют надежный, масштабируемый путь к генерации суб-100 нм наноструктур с высокой точностью и долговечностью.

Обзор литературы

Полистироловые наносферы стали универсальными строительными блоками для нанофабрикации, позволяя создание упорядоченных нанопроводов, наноколонок, нанодыр, нанодотов, ядро-оболочка композитов, наносеток и магнитных квантовых точек. Наносферная литография особенно привлекательна благодаря своей простоте и низкой стоимости. Конвенционально монослой PS сфер самособирается в гексагонально-допустоупакованную (HCP) решетку на планарной подложке через спин-котинг или Лангмюра-Блоджетт осаждение. Уменьшение диаметра сферы с сохранением позиции решетки трансформирует HCP расположение в недопустоупакованный (NCP) массив, который затем может использоваться как маска для травления упорядоченных наноструктур. Достигаемый размер признака и межчастичный интервал критически зависят от начального диаметра сферы и параметров травления.

Традиционные методы травления — реактивное ионное травление (RIE) с O₂ плазмой и плазменное травление (PE) с Ar плазмой — работают на высоких скоростях (~40–90 нм/мин для RIE, ~180 нм/мин для PE) и являются по своей природе анизотропными, ведущими к несферическим морфологиям частиц и плохому контролю ниже 300 нм. Недавние изотропные техники, такие как индуктивно-связанное плазменное травление (ICPE), достигают более низких скоростей (~8 нм/мин) независимой настройкой плотности плазмы и смещающего напряжения, позволяя суб-50 нм контроль с сохранением сферических форм.

Ионно-лучевое травление (IBE) предлагает четкие преимущества: ионный источник и ускоряющие ступени отцеплены от подложки, минимизируя боковую плазменную бомбардировку и позволяя независимый контроль плотности ионного тока и энергии. До сих пор NCP PS массивы, произведенные IBE, не сообщались. Это исследование заполняет этот пробел, демонстрируя точный контроль размера PS наносфер через IBE и последующую фабрикацию упорядоченных Si наноколонок.

Методы

Коммерческие 100-нм PS наносферы (Alfa Aesar, 2.5% взвесь) осаждали на RCA-очищенные p-типа Si(100) вейферы с помощью Лангмюра-Блоджетт техники для формирования монослойной HCP решетки. После сушки образцы загружали в вакуумную камеру (давление < 6.0 × 10⁻⁴ Па). Ar⁺ ионный пучок (Kaufman источник) генерировали при давлении камеры 2.0 × 10⁻² Па и направляли нормально к подложке. Различные условия травления (время, ток пучка, напряжение) применяли к PS пленке.

Для производства Si наноколонок, NCP PS шаблон сначала покрывали 15-нм Au пленкой через спуттеринг. Металл-ассистированное химическое травление (MACE) затем выполняли погружением образца в 5:1 (объем/объем) HF/H₂O₂ раствор на 1 мин. Полученные массивы Si колонок характеризовали FESEM.

Поверхностные морфологии изучали на FEI Quanta 200 SEM и FEI Nova NanoSEM 450 для поперечных сечений.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1a показывает первозданную HCP расстановку 100-нм PS сфер на Si. Дефекты, такие как многослойное накопление, видны, что является распространенной проблемой для суб-200 нм сфер. Наш фокус на 100-нм сферах позволяет прямое сравнение с ICPE данными и подчеркивает проблему достижения суб-100 нм признаков.

SEM-изображения PS наночастиц после травления 0 (a), 5 (b), 7 (c), 9 (d), 10 (e) и 11 мин (f).

Используя 3 мА ток пучка и 1 кВ напряжение, мы мониторили эволюцию диаметра во времени. При 5, 7 и 9 мин диаметры в среднем составляли 88 ± 9 нм, 75 ± 8 нм и 54 ± 8 нм соответственно. После 10 мин равномерность размера снижалась и диаметры падали до 34 ± 10 нм; 11 мин оставляли лишь несколько остаточных частиц.

Рисунок 2 изображает измеренные диаметры против времени, раскрывая нелинейное уменьшение, характерное для анизотропного травления. Поперечные сечения на рисунке 3 подтверждают переход от сферических к удлиненным формам из-за преференциального спуттеринга верхней стороны. Продольная скорость травления, выведенная из модели D = √{4R₀² – k²t²}, дает k ≈ 9.2 нм/мин, согласуясь с медленными, контролируемыми скоростями, сообщаемыми для ICPE.

Временная зависимость уменьшения диаметра. Экспериментальные данные (точки) совпадают с теоретической кривой (красная) с k = 9.2 нм/мин.

Поперечные FESEM 200-нм PS сфер (a) и 5-мин оттравленных сфер (b). Переход формы очевиден.

При длительном травлении скорость ускоряется, вероятно из-за кумулятивной тепловой энергии от ионной бомбардировки. Подъем температуры, оставаясь ниже порога плавления PS (~135 °C), усиливает физическое спуттеринг и способствует наблюдаемому увеличению скорости.

Для оценки адгезии частиц мы сравнили IBE-фабрикованные NCP массивы с ICPE-произведенными. После 3 мин HF травления ICPE частицы отходили, в то время как IBE частицы оставались твердо прикрепленными, подчеркивая превосходную стойкость, придаваемую ионно-лучевым процессом. Удаление остатков PS достижимо дихлорметаном (2 ч). Эти результаты предполагают, что IBE-полученные NCP массивы коммерчески жизнеспособны и могут быть легко интегрированы в нанофабрикационные рабочие процессы.

Зависимость от тока пучка исследовалась (3–10 мА). Более высокие токи увеличивали скорость травления, достигая 18.9 нм/мин при 9 мА, но также индуцировали шероховатость поверхности Si подложки (рис. 4d). Эффекты напряжения пучка были незначительными; диаметры незначительно уменьшались от 500 В до 1 кВ, с насыщением после 1 кВ (рис. 6). Это указывает на то, что кинетическая энергия играет второстепенную роль по сравнению с ионным потоком.

SEM PS наночастиц, оттравленных 5 мин при 5, 7, 9 и 10 мА.

Скорость травления против тока пучка.

Средний диаметр против напряжения пучка (3 мА, 5 мин).

Наконец, IBE-полученный NCP PS шаблон использовался для фабрикации Si наноколонных массивов через MACE. FESEM визуализация (Рисунок 7) показывает равномерные колонки (~54 нм диаметр, ~100 нм высота) с остатками PS все еще присутствующими на вершинах.

FESEM Si наноколонных массивов.

Заключения

Обращая монослой 100-нм PS сфер к Ar⁺ ионному пучку, мы достигли гексагональных NCP массивов с диаметрами, настраиваемыми между 34 нм и 88 нм. Кинетика травления управлялась ионным током (9.2–18.9 нм/мин) и проявляла время-зависимое ускорение из-за тепловых эффектов. Полученный NCP шаблон позволил фабрикацию упорядоченных Si наноколонок (~54 нм диаметр, ~100 нм высота) через металл-ассистированное химическое травление. По сравнению с ICPE, IBE процесс дает более сильную адгезию частиц и предлагает масштабируемый путь для суб-100 нм наноструктур, подчеркивая его потенциал для коммерческой наносферной литографии.

Аббревиатуры

FESEM:

Полевой-эмиссионная сканирующая электронная микроскопия

IBE:

Ионно-лучевое травление

ICPE:

Индуктивно-связанное плазменное травление

PE:

Плазменное травление

PS:

Полистирол

RIE:

Реактивное ионное травление

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия