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我们演示了一种使用液体浸没法清洗纳米预制氮化硅光栅上的钠原子沉积物,而不损坏光栅的方法。成功清洗光栅的可能性取决于其物理参数和所使用的液体类型,我们提出了关于液体和光栅棒之间的表面张力相互作用的计算,并推导出了能够经受浸泡的最大光栅棒跨。
图1显示了表面有钠沉积物的光栅的原子力显微镜(AFM)图像,以及浸没在液体后清洁的同一光栅,为了清洁格栅,首先将其放入丙酮中,然后用水冲洗丙酮(水是钠和氧化钠的良好溶剂)再次用丙酮冲洗格栅,让其干燥,这样格栅暴露在水中,但从未暴露在水-空气边界,丙酮用于缓冲光栅,防止其直接浸入水中,因为丙酮的表面张力小于水。
图1
用100纳米光栅重复该过程,也没有损坏光栅,尽管原子力显微镜图像显示没有可见的损坏,但光栅干燥后可能会留下一层薄膜。为了检查透射特性仍然完好无损,在扫描电镜中使用相同程序清洗的100纳米周期光栅来观察衍射,从而证明光栅仍然相干地透射5千电子伏的电子波。
图3
虽然这些试验都很成功,但也有光栅被水浸损坏的例子,如图3所示,左侧图像是清洁且未损坏的光栅的扫描电镜图像,而右侧图像是未成功浸入水中的光栅。格栅条聚集在一起,可能是由于干燥液体的表面张力将它们聚集成2至5条的块状,为了确定哪些光栅可能在液体中浸泡后仍然存在,我们对光栅清洗过程的机理进行了计算。
另外如果我们使用丙酮作为我们的第一个也是最后一个浸没液体,我们可以预期一个100纳米周期光栅的棒长为1.4微米或更短,如果我们使用200纳米周期光栅,丙酮和水的最大曲线峰值分别为3.2微米和2.4微米。图1中的光栅是一个200 纳米周期的光栅,条纹跨度约为3微米,刚好低于丙酮的极限;而在图3中,左边的100 纳米周期光栅的棒跨度约为1.3微米,也刚好低于丙酮的极限,右边的光栅被水破坏了,是一个200 纳米周期的光栅,它的条形跨度为2.5微米,略高对于水的极限。
所以在未来,看看是否可以从光栅上清除其他原子将是令人会感兴趣的,例如,铝可以通过水和碱液的溶液去除,所以暴露在铝原子下的光栅也可以用类似的方式清洗,由于碱液干燥后会有结晶残留物,因此液体置换技术对清洗至关重要。另外一个值得关注的问题是铝-碱液反应产生的气泡会对清洗过程产生什么影响。目前,这项技术对于钠和其他元素或化合物是可行的,这些元素或化合物会被水或丙酮清除。
在一定的指导下,独立式氮化硅光栅可以通过浸入水中来去除钠,光栅的几何特性和液体的表面张力影响成功的可能性,对于支撑结构而言,周期越长的光栅,以及那些在纳米周期条之间开口率非常高或非常低的光栅,被表面张力损坏的可能性越大,通过使用一种技术来替换表面张力逐渐变大的流体,然后颠倒程序,可以避免栅条之间的高表面张力液体使栅条变干。这种技术增加了支撑结构杆的最大允许跨度。