Helium-ion-beam nanofabrikation:Ekstreme processer og applikationer

Helium ion beam (HIB) teknologi spiller en vigtig rolle i de ekstreme områder af nanofabrikation. På grund af høj opløsning og følsomhed bruges HIB nanofabrikationsteknologi i vid udstrækning til at mønstre nanostrukturer til komponenter, enheder eller systemer i integrerede kredsløb, materialevidenskab, nanooptik og biovidenskabelige applikationer. HIB-baseret nanofabrikation inkluderer direkte-write-fræsning, ionstråle-induceret aflejring og direkte-write litografi uden behov for at modstå assistance. Deres applikationer i nanoskala er også blevet evalueret inden for områderne integrerede kredsløb, materialevidenskab, nanooptik og biologiske videnskaber.

I et nyt papir offentliggjort i International Journal of Extreme Manufacturing , et team af forskere, ledet af Dr. Deqiang Wang fra Chongqing Key Laboratory of Multi-scale Manufacturing Technology, Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, PR Kina, har udførligt opsummeret de ekstreme processer og anvendelser af HIB nanofabrikation .

Hovedformålet med denne anmeldelse er at adressere den seneste udvikling inden for HIB-teknologi med deres ekstreme behandlingsevner og udbredte anvendelser inden for nanofabrikation. Baseret på introduktionen af ​​HIM-systemet med GFIS er ydeevneegenskaberne og fordelene ved HIB-teknologien først blevet diskuteret. Derefter er visse spørgsmål om de ekstreme processer og anvendelser af HIB nanofabrikation blevet behandlet:Hvor mange ekstreme processer og anvendelser af HIB teknologi er blevet udviklet inden for nanofabrikation til integrerede kredsløb, materialevidenskab, nano-optik og biovidenskabelige anvendelser? Hvad er hovedudfordringerne i den ekstreme nanofabrikation med HIB-teknologi til applikationer med høj opløsning og følsomhed?

HIM har fordelene ved høj opløsning og følsomhed til fremstilling af ekstreme nanostrukturer. HIB-baseret nanofabrikation inkluderer direkte-write-fræsning, ionstråle-induceret aflejring og direkte-write litografi uden behov for at modstå assistance. Deres applikationer i nanoskala er også blevet evalueret inden for områderne integrerede kredsløb, materialevidenskab, nanooptik og biologiske videnskaber. Denne gennemgang dækker hovedsageligt fire tematiske anvendelser af HIB:1) heliumionmikroskopi (HIM) billeddannelse til biologiske prøver og halvledere; 2) HIB fræsning og kvældning til 2D/3D nanopore fremstilling; 3) HIB-induceret aflejring for nanopillarer, nanotråde og 3D nanostrukturer; 4) yderligere HIB direkte skrivning til resist, grafen og plasmoniske nanostrukturer.

HIB-teknologi bruges til højkontrast, høj opløsning billeddannelse af ledende, halvledere, isolerende materialer og biologiske prøver. Selvom ionerne kolliderer med målprøven, vil det være bedre end konventionel SEM-billeddannelse. Den fokuserede HIB-teknologi har tydelige fordele inden for nanofabrikation, herunder fræseprocesser til lokal tykkelseskontrol og nanostrukturfremstilling i fritstående membraner eller bulkmaterialer. Imidlertid kan amorfiseringen og heliumimplantationen forårsage prøveskade under HIB-fræsning på bulksubstrater. Derfor er optimeringen af ​​iondosis, stråleenergi og HIB-dosishastighed kritisk for lokal tykkelsesmanipulation og topografi-nøjagtighedskontrol i nanostrukturfremstilling. Ionstråle-induceret aflejring er en vigtig nanofabrikationsteknologi, som kan modificere materialers egenskaber i overensstemmelse med samspillet mellem ionstrålen og materialer. Udviklingen af ​​HIB-induceret aflejring er en rimelig, passende teknik til disse specifikke nanofabrikationsapplikationer på grund af den lette masse af heliumioner og de forskellige elektriske egenskaber mellem inert helium og elektroaktivt gallium. På grund af pletstørrelsen under nanometer anvendes den fokuserede HIB som en ny eksponeringsstråle med høj opløsning til direkte skrivning til nanofabrikation. Ifølge dens høje opløsning, høje SE-udbytte og lave nærhedseffekt er HIB-direkteskrivning lig med eller bedre end elektronstrålelitografi til fremstilling af nanoelektroniske enheder. På grund af den relativt lave masse er heliumioner desuden mindre beskadiget end andre partikler såsom elektroner og galliumioner for udsatte målsubstrater.

Professor Deqiang Wang (Director of Chongqing Key Laboratory of Multi-scale Manufacturing Technology, CIGIT), Professor Wen-Di Li, Professor Wei Wu, Dr. Shixuan He, and Dr. Rong Tian have identified a few critical challenges in the extreme processes and applications of HIB nanofabrication as follows:

"For extreme nanofabrication, nanometer-scale nanopores that are beneficial for single base recognition of DNA/RNA sequences can be fabricated by HIB milling on thinned silicon nitride membrane or suspended graphene. Amorphization during the milling process promotes the formation of specific 3D nanopores, which can be used for potential nano-optics and bioscience applications."

"The chemical reaction of the precursor gas molecules adsorbed on the surface induced by HIB results in the direct deposition of programmed 3D structures at the nanoscale."

"HIB direct writing without resist-assisted is used to pattern sub-10-nm nanochannels, nanoribbons, and nanostructures for nanoscale functional devices."

"Both HIM imaging and HIB nanofabrication must take into account the inevitable damage which is caused by the collision between helium ions and probe substrate. HIB technology has a lower sputtering yield but can produce larger damage on the substrate in nanofabrication processing, such as bubbles, implantation, and amorphization. More in-depth theoretical research on the interaction mechanism between helium ions and materials has promoted the improvement of the processing capability of the extreme nanofabrication with HIB technology."

"The stability and repeatability of the HIB milling process will be enhanced to meet the requirements of sub-nanometer resolution and high-throughput fabrication in special applications. When optimizing the nanofabrication process, the positive or negative impact of helium ions bombardment on the material properties should be considered, so that HIB technology can be used to directly fabricate nanostructures with fewer defects and excellent performance."

"For direct-write HIB technique and HIB-induced deposition processes, the common challenge is to increase the complexity of nanostructures while maintaining the nanoscale feature size for the special applications. To increase the complexity of nanostructures and their applications in production, the direct writing process of HIB technology must be improved through careful optimization of parameters. Besides, the proximity effect should be also taken into consideration in the HIB direct writing and HIB-induced deposition processes."

Researchers have demonstrated that HIB technology will play an important role in extreme nanofabrication because it has the advantages of high sensitivity, resolution, and precision for direct writing milling, patterning, assisted-milling, and deposition processes with fewer damages to the samples. + Udforsk yderligere

How to draw a line narrower than a cold virus