局所酸化ナノリソグラフィー

局所酸化ナノリソグラフィー（LON）は、原子間力顕微鏡の鋭い先端の下での酸化反応の空間的制限に基づくチップベースの ナノ加工法です。

LONが実証された最初の材料はSi（111）と多結晶タンタルでした。その後、この技術はIII - V 半導体、炭化ケイ素、チタン、タンタル、アルミニウム、モリブデン、ニッケル、ニオブなどの金属、ペロブスカイト型のマンガナイトの薄膜、窒化ケイ素などの誘電体、有機シラン自己組織化単分子層、樹枝状高分子、炭素質膜にまで拡張されました。^[1]

走査プローブ技術による表面の局所酸化は、1990年にダガタと同僚によって初めて観察されました。彼らは、走査トンネル顕微鏡の先端と表面自体の間にバイアス電圧を印加することにより、水素終端シリコン表面を局所的に二酸化シリコンに変更しました。 ^{[2] 1993年にデイとアリーは、}原子間力顕微鏡で局所酸化実験を行う可能性を実証し、この技術をさまざまな材料に適用する道を開いた。^[3]

現在、局所酸化実験は、先端とサンプルの間に電圧パルスを印加するための追加回路を備えた接触モードまたは非接触モードで動作する原子間力顕微鏡を使用して行われています。局所酸化プロセスは、水のメニスカスの形成によって媒介されます。^[4]

局所酸化ナノリソグラフィーを実行するために、 AFM チャンバー内の相対湿度は30% ～ 60% に保たれます。導電性 AFM チップとサンプルの間に電圧パルスが印加されます。印加電圧は、電圧パルスの振幅が特定のしきい値電圧を超えるたびに、チップとサンプルの間に水ブリッジの形成を誘発します。液体メニスカスが生成されると、印加電圧パルスが水分子の共有結合を切断して酸化反応を引き起こします。液体ブリッジは、酸化物を形成するために必要なオキシアニオン( OH ⁻、O ⁻ ) を提供し、酸化される領域の横方向の拡張を制限します。

金属基板（M）における局所酸化を支配する化学反応は以下の通りである。^[5]

${\displaystyle {\ce {M}}+n{\ce {H2O -> MO}}_{n}+2n{\ce {H+}}+2n{\ce {e-}}}$

${\displaystyle {\ce {M}}^{n}+2n{\ce {H2O}}+2n{\ce {e- ->}}\ n{\ce {H2}}+2n{\ce {ああ-+M}}}$

還元反応によりAFMチップで 水素ガスが放出されます。

${\displaystyle {\ce {2H+ + 2e- -> H2}}}$

電圧パルスがオフになると、AFM フィードバックによってカンチレバーは元の振動振幅を回復し、チップをサンプルから引き離して液体メニスカスを破壊します。最後に、AFM はサンプルのスキャンを継続し、製造に使用したのと同じチップを使用して、局所酸化プロセス中に製造された MO _{nナノ構造を画像化できます。}

液体ブリッジを形成する方法は非常に精密であるため、20 nm 以下の水メニスカス直径が容易に得られます。これにより、シリコンやその他の金属表面に 10 nm 未満の構造を再現可能に製造できるようになりました。

局所酸化実験は、ほぼすべての種類の原子間力顕微鏡で実行できます。重要な要件は、先端とサンプルの間に電圧パルスを印加できることです。顕微鏡は、雰囲気が制御されたチャンバー内に設置することをお勧めします。最も単純なケースでは、酸化剤は空気中に自然に存在する水蒸気です。相対湿度を制御すると、一般的に、より再現性の高い結果が得られます。作製される特徴のサイズは、サンプルと先端の間の距離、電圧パルスの振幅と持続時間、大気の相対湿度など、いくつかのパラメータによって異なります。

ナノテクノロジーの進歩はナノメートル規模の構造を製造、配置、相互接続する能力に依存するため、 ナノメートル規模のリソグラフィーの開発は熱心な研究活動の焦点となっています。

局所酸化ナノリソグラフィーは、点、線、文字など、さまざまなモチーフをナノメートルの精度で作成することを可能にします。2005年、マドリードのスペイン国立研究評議会の研究者は、数平方マイクロメートルのシリコンにセルバンテスのドン・キホーテの最初の10行を書きました。 ^[1]このパターンの汎用性は、情報ストレージや、ナノデバイスを製造するためのエッチング耐性ナノマスクの設計、その他多くの用途に使用できます。

表面の局所酸化によって作られたドット状のナノ構造を使って情報を保存することができます。このストレージは、ナノ構造の存在を 1、その欠如を 0 と見なすバイナリコードを使用します。このようにして、単一のSiO ₂ドットが 1ビットを構成する小さな表面に情報を保存できます。1999 年に Cooperらは、この方法で1.6 Tbit /in ^2の情報密度が得られることを実証しました。^[6]ただし、この技術で製造できるのは 読み取り専用メモリだけです。

非接触型原子間力顕微鏡によるシリコン表面の局所酸化は、特徴サイズを非常に正確に制御できるため、ナノメートルスケールで表面をパターン化する新しい有望な方法です。この技術で作成された特徴は、単分子磁石、生体分子、共役有機分子などのさまざまな分子のテンプレート成長および優先堆積に使用できます。このナノポジショニング方法は、一部のナノ粒子や分子が示す新しい特性に基づいた新しいナノデバイスの製造に重要なツールです。Mn12などの単分子磁石（SMM）を情報ストレージ用のビットや量子計算用のキュービットとして潜在的に使用するには、それらの分子をナノスケールで制御して配置および/または操作する方法が必要です。^{[7]シリコン表面での}_Mn12分子のパターン化は、まずこの表面をAPTESの自己組織化単分子層で誘導体化し、アミノ基（-NH ₂ ）で終端させることによって実現されます。このような終端は、Mn12分子を静電的に反発します。その後、LON によって二酸化ケイ素のパターンが定義されます。SMM 分子は、静電引力により主に酸化物モチーフ上に堆積されます。LON によって製造された酸化ケイ素と Mn ₁₂分子間の静電引力により、ナノスケールの精度でこの分子が優先的に堆積されます。

エッチング耐性ナノマスクの製造ツールとして局所酸化ナノリソグラフィーを使用することで、電界効果トランジスタ、単一電子トランジスタ、ジョセフソン接合、量子リング、SQUIDなどのナノスケール電子デバイスを製造することができます。^[5] LONでは、シリコンオンインシュレーター（SOI）ウェーハからトップダウン方式でシリコンナノワイヤ（SiNW）を製造することもできます。^[8]局所酸化ナノリソグラフィーは、デバイス製造のナノメートル精度に貢献します。このトップダウン製造技術により、角張ったものから円形まで、さまざまな形状の多種多様なSiNWを製造できます。また、シリコンナノワイヤを任意の位置に正確に配置できるため、統合が容易になります。実際、この技術は標準的なシリコンCMOS処理技術と互換性があります。単結晶シリコンナノワイヤは、特定の分析物が存在する場合にナノワイヤの導電性の変化を検出することにより、超高感度センサーとして大きな可能性をすでに示しています。 ^[9]したがって、局所酸化ナノリソグラフィーは、バイオセンサーアレイの実現を可能にする有望な技術である。

• CSIC の García 研究グループの局所酸化ナノリソグラフィー ページ
• ブリストル大学のマイルス研究グループ
• スタンフォード大学のクエイト氏のグループ