Summary
Uniformément nanoparticules de taille peuvent éliminer les fluctuations de contact avec les dimensions des trous à motifs en poly (méthacrylate de méthyle) films (PMMA) de résine photosensible par faisceau d'électrons (E-beam) lithographie. Le procédé consiste à entonnoir électrostatique centre et de dépôt des nanoparticules dans des trous de contact, suivie par photoresist refusion et étapes PLASMA et gravure humide.
Abstract
Nano-modèles fabriqués avec extrême ultraviolet (EUV) ou par faisceau d'électrons (E-beam) lithographie présentent des variations inattendues de la taille. Cette variation a été attribuée à des fluctuations statistiques du nombre de photons / électrons arrivant à une nano-région donnée résultant de tir-bruit (SN). Le SN varie inversement à la racine carrée d'un nombre de photons / électrons. Pour une dose fixe, le SN est plus importante en EUV et E-beam Lithographies que pour (193 nm) lithographie optique traditionnelle. Bottom-up et top-down patterning approches sont combinées pour minimiser les effets du bruit de grenaille dans les nano-trous patterning. Plus précisément, un amino-silane tensio-autoassemble sur une tranche de silicium qui est ensuite enduite par centrifugation avec un film de 100 nm d'un photoresist par faisceau d'électrons à base de PMMA. L'exposition à l'E-faisceau et le développement ultérieur découvrir le film tensioactif sous-jacent au fond des trous. Tremper la plaquette dans une suspension de charge négative, citrate-capped, 20 nm ganciennes nanoparticules (PNB) des dépôts d'une particule par trou. Le film exposé tensioactif chargé positivement dans le trou entonnoirs électrostatiquement la nanoparticule chargée négativement au centre d'un trou exposé, qui fixe de façon permanente le registre de position. Ensuite, par chauffage à proximité de la température de transition vitreuse du polymère de résine photosensible, le film de résine photosensible et submerge repositionne les nanoparticules. Ce processus efface les trous touchés par SN, mais laisse les PNB déposés verrouillés en place par une forte électrostatique de liaison. Le traitement par plasma d'oxygène expose les PNB par gravure d'une couche mince de la résine photosensible. Gravure humide PNB exposée avec une solution de KI I 2 / on obtient des trous uniformes situés au centre des empreintes modelées par lithographie par faisceau d' électrons. Les expériences présentées montrent que l'approche réduit la variation de la taille des trous causés par SN de 35% à moins de 10%. La méthode étend les limites de mise en forme de trous transistor de contact au-dessous de 20 nm.
Introduction
La croissance exponentielle de la puissance de calcul, telle que quantifiée par la loi de Moore 1, 2 (1), est le résultat d'avancées progressives dans la lithographie optique. Dans cette technique de mise en forme de haut en bas, la résolution réalisable, R, est donnée par le théorème Raleigh bien connu 3:
Ici, λ et NA sont la longueur d' onde de la lumière et l' ouverture numérique, respectivement. On notera que NA = η · sin, où η est l'indice de réfraction du milieu entre la lentille et la plaquette; θ = tan -1 (d / 2L) pour le diamètre d de la lentille, et la distance, L, entre le centre de la lentille et la plaquette. Au cours des cinquante dernières années, la résolution lithographique est améliorée grâce à l'utilisation de (a) source de lumières, y compris les lasers Excimer, avec progressivement plus petites longueurs d'onde UV; (b) des conceptions optiques intelligents utilisant des masques à décalage de phase 4; et (c) de plus de NA. Pour l' exposition à l' air (η = 1), NA est toujours inférieur à l' unité, mais en introduisant un liquide avec η> 1, 5 tel que l' eau, entre la lentille et la plaquette, NA peut être élevée au- dessus de 1, améliorant ainsi la résolution de la lithographie par immersion. Actuellement des chemins viables à un nœud de 20 nm et au - delà comprennent des sources UV extrêmes (λ = 13 nm) ou des techniques de mise en forme en utilisant le traitement double et quadruple complexe d'une résine photosensible multicouche 6, 7.
À l'échelle du nanomètre de longueur, les fluctuations statistiques, causées par le tir-bruit (SN), dans le nombre de photons qui arrivent dans une cause variation nano-région dans les dimensions de lithogra motifs phiques. Ces effets sont plus prononcés à l' exposition à haute énergie EUV lumière et E-poutres, les systèmes qui ont besoin d' ordres de grandeur moins photons / particules par rapport à la lithographie optique normale 8. Hypersensible chimiquement amplifié (avec un rendement quantique> 1) photoréserves introduisent également un SN chimique provoquée par une variation du nombre de molécules dans la photoréactive nanoregions exposées 9, 10. photoresists de sensibilité plus faibles qui ont besoin d'une exposition plus longue suppriment ces effets, mais ils réduisent aussi le débit.
Sur l'échelle moléculaire, la contribution à la ligne-rugosité de bord de la distribution de taille moléculaire inhérente aux polymères photosensibles peuvent être réduits en utilisant résiste moléculaire 11. Une approche qui est complémentaire à ce traitement de haut en bas de la nano-structuration est l'utilisation de méthodes ascendantes 12,s = "xref"> 13 qui reposent précisément sur l'auto-assemblage dirigé (DSA) des polymères diblocs 14. La capacité de ces procédés afin de diriger nucléation et de créer un espacement non uniforme entre les motifs souhaités, tels que des trous ou des lignes, reste difficile. La distribution de la taille des composants moléculaires 15, 16 limite également la taille et le rendement de fabrication 17, 18. Des problèmes similaires limitent l' impression par microcontact de nanoparticules dans la lithographie douce 19.
Ce document présente des études d'une nouvelle approche hybride (Figure 1) qui combine le haut vers le bas projection lithographie avec dirigé électrostatiquement auto-assemblage pour réduire l'effet de la SN / line-rugosité de bord (LER) 20. Une charge positive des groupes amine sur des monocouches auto-assemblées (SAMS) de N - (2-aminoéthyl)-11-Amino-undécyl-méthoxy-silane (AATMS) sous-jacente du film PMMA sont exposées après le développement. Le film de résine photosensible chargée négativement de PMMA électrostatiquement chargé négativement entonnoirs des nanoparticules d' or (PNB), coiffés avec du citrate, 21 - 24 dans des trous de SN-25 affecté. Refusion de la résine PMMA engloutit les nanoparticules déposé au préalable dans le film.
Figure 1: Représentation schématique de la stratégie visant à éliminer les effets du plan-bruit et line-rugosité de bord pour le motif de trous de contact en utilisant les IP de taille précise. Ici, la dimension critique (CD) est le diamètre désiré des trous. L'approche (étape 1) commence par le dépôt d'une monocouche auto-assemblée (SAM) de molécule de silane portant des groupes aminés chargés positivement sur les vagues d'oxydeace d'une plaquette de silicium. Ensuite, la lithographie par faisceau d'électrons est utilisé pour modèle les trous (étapes 2 et 3) dans le film de résine photosensible PMMA, la couche bleue, qui génère coup-bruit, comme illustré dans l'image en médaillon SEM. Lithography expose des groupes amine au fond des trous. Étape 4 entraîne le dépôt en phase aqueuse de taille contrôlée, (chargés négativement) des nanoparticules d'or de citrate-capped (GNPS) dans les trous lithographier utilisant entonnoir électrostatique (EF). A l'étape 5, le chauffage de la tranche à 100 ° C, en dessous de la température de transition vitreuse du PMMA, 110 ° C, provoque la refusion de la résine photosensible autour de nanoparticules déjà déposée. Gravure couvrit PMMA avec un plasma d'oxygène (étape 6) expose les PNB, et gravure humide ultérieure (iode) des particules exposées (étape 7) crée des trous correspondant à la taille du PNB. Couplé avec ionique réactive / gravure humide, il est possible de transférer le motif de trou dans la résine photosensible à SiO 2 (étape 8) 31. Réimprimé avec la permission de la référence 20. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
L'interaction électrostatique entre les charges opposées PNB et les groupes amine sur le substrat empêche le déplacement du PNB du site de liaison. L'étape de refusion maintient la position relative du PNB, mais efface les trous et les effets de la SN / LER. étapes de gravure humide Plasma / régénèrent les trous qui ont la taille du PNB. Gravure ionique réactive transfère leur motif à SiO 2 Les couches hard-masque. La méthode repose sur l' utilisation plus uniforme des nanoparticules de taille qu'un nanotrou motif (NH), exprimée comme l'écart type, σ, de telle sorte que σ PNB <σ NH. Ce rapport se concentre sur les étapes (4 et 5 décrites dans la figure 1) impliquant le dépôt de nanoparticules de la dispersion et de larefusion de la résine autour d'eux pour évaluer les avantages et les limites de la méthode. Les deux étapes sont, en principe, extensible de substrats plus grands, ce qui nécessite aucune modification complète de l'écoulement du courant de production de circuits intégrés sur des puces modernes.
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Protocol
1. dérivatiser et Caractériser la surface des plaques de silicium
- Nettoyer la surface des plaquettes en utilisant Radio Corporation of America (RCA) Nettoyage solutions SC1 et SC2.
- Préparer SC1 et SC2 en mélangeant volumétriquement les produits chimiques suivants:
SC1: H 2 O 2: NH 4 OH: H 2 O = 1: 1: 5 v / v et SC2: H 2 O 2: HCl: H 2 O = 1: 1: 5 v / v.- Immerger la plaquette dans SC1 pendant 10 min à 70 ° C, puis effectuer un lavage à l'eau déminéralisée.
- Suivre un protocole similaire pour SC2 (10 min à 70 ° C, suivie d'un lavage).
REMARQUE: La procédure de nettoyage élimine les impuretés organiques et ioniques et génère des groupes silanol sur la surface d'oxyde de silicium, des galettes de silicium.
- Dérivatiser les surfaces des tranches de silicium avec AATMS
- Incuber la tranche de silicium nettoyée AATMS 0,05 M (préparé en dire du toluène) à 80 ° C pendant 20 min. Soniquez pendant 5 minutes dans un 100 W sonicateur à la température ambiante dans le toluène pur pendant 5 min et sec dans un courant d'azote gazeux.
- Caractériser les surfaces des plaquettes de silicium dérivatisés
- Mesurer l'angle de contact à l' aide d' un logiciel de goniomètre et ImageJ 25.
- Déterminer l'épaisseur des films en utilisant un ellipsomètre (source de lumière laser He-Ne, λ = 632,8 nm, angle d'incidence fixe de 70 °) 25.
- Estimer la composition élémentaire de surface par spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) 25.
Modélisation 2. E-beam
- Spin-couche photorésist (2% de poly (méthacrylate de méthyle (PMMA) dans de l'anisole) sur des plaquettes dérivatisés AATMS- à 4000 tours par minute pendant 60 s.
- Précuites le film à 180 ° C pendant 120 s pour sécher le film de résine photosensible.
- Mesurer l'épaisseur du film de résine photosensibleau moyen d'un ellipsomètre. Faire en sorte que la source de lumière laser He-Ne, λ = 632,8 nm, est fixé à un angle d'incidence de 70 °. Optimiser la phase d'échantillonnage afin de maximiser le signal du détecteur en utilisant une surface réfléchissant comme plaquette de silicium. Utilisez le programme de mesure de ellipsomètre (GEMP) sur le PC attaché à mesurer l'épaisseur de film de résine photosensible; il doit être d'environ 100 nm.
- L' exposition E-beam:
- Transférer la plaquette dans une chambre à vide poussé d'un dispositif d'alignement par faisceau d'électrons.
- Créer un motif de trous poker de points en utilisant un faisceau d'électrons (30 kV tension d' accélération, 37 pA courant de faisceau) en passant par une ouverture de 10 pm et en fournissant une dose de 24 uC / cm 3.
- Réglez la hauteur du motif et le dosage comme nécessaire pour produire un type de points poker trou-modèle du diamètre souhaité du trou (80 nm) et la hauteur (200 nm).
- Retirer la plaquette de la chambre E-beam.
- Développer le motif lithographique:
- Commencerle développement du motif dans une solution de méthylisobutylcétone / alcool isopropylique (MIBK / IPA 1: 3 (v: v)) pendant 70 s.
- Continuer à développer davantage par immersion dans de l'IPA pendant 30 s. Terminer l'élaboration par lavage dans de l'eau déminéralisée pendant 30 s. Sécher la plaquette dans un courant d'azote gazeux.
3. Le dépôt de PNB dans les trous E-faisceau à motifs
NOTE: Le dépôt de PNB dans les trous à motifs emploie deux méthodes différentes.
- Immergez tranches pré-modelée dans des solutions PNB (Méthode 1).
- Laisser l'échantillon dans le milieu de suspension PNB pendant 24-48 h, en fonction de la taille du PNB et les diamètres des trous. Utilisez un 20 nm, citrate-capped suspension PNB contenant 7,0 x 10 11 IP / mL.
NOTE: On peut employer une taille PNB 10-100 nm et une plage de concentration de 5,7 x 10 12 à 5,7 x 10 9 / IP mL, tel que prévu par Ted Pella. A noter que la densité de dépôt obéitla loi de diffusion ̴ (Dt) 1/2, où D et T sont des coefficients de diffusion du temps de nanoparticules et de dépôt, respectivement ( à savoir, des particules plus petites prend un temps plus court pour le dépôt, comme décrit dans la référence 20, figure 2c).
- Laisser l'échantillon dans le milieu de suspension PNB pendant 24-48 h, en fonction de la taille du PNB et les diamètres des trous. Utilisez un 20 nm, citrate-capped suspension PNB contenant 7,0 x 10 11 IP / mL.
- PNB Spray-dépôt sur les plaquettes à motifs (Méthode 2)
- Pour déposer PNB par évaporation, pulvériser une solution de PNB sur le substrat à motifs, placé horizontalement. Orienter le pulvérisateur à main (méthode 2) de sorte que la pulvérisation est dirigée perpendiculairement à la surface du substrat.
- Pulvériser un volume suffisant de la solution de suspension pour mouiller la surface du substrat.
NOTE: Il peut être nécessaire de diluer la suspension PNB par 10x pour éviter de forcer plusieurs nanoparticules dans un grand trou. - Incuber les échantillons sur une plaque chaude maintenue à 30-35 ° C pour produire l'évaporation contrôlée pendant 10 min.
- Après le dépôt (soit Méthode1 ou méthode 2), légèrement ultrasonicate (100 W), les échantillons dans de l'eau déminéralisée pour 50 s et sec dans un courant d'azote gazeux.
Imagerie 4. microscopie électronique à balayage
NOTE: Deux types d'études impliqués top-down conventionnelle et l'imagerie SEM en coupe transversale.
- Pour top-down images MEB, utilisez un E-beam tension d' accélération de 5 kV à un courant de ~ 300 uA pour éviter d' endommager le film de résine photosensible.
Attention: La tension la plus basse possible et réglage actuel sont nécessaires pour réduire les réactions chaîne de scission dans la résine photosensible. Ces réactions de scission chaîne réduisent la température de transition vitreuse du polymère, ce qui affecte à son tour la température de fonctionnement pour l'étape de refusion résister décrit ci-dessous. - Coupe transversale d' imagerie:
- Sputter-coat 10 nm du film d'or épaisse sur PMMA photoresist pour empêcher des dommages par faisceau d'ions. Utilisez un faisceau d'ions Ga focalisé fonctionnant à 30 kV et 93pA pour couper à travers les trous. Obtenir transversales images MEB en inclinant la plaquette de sa position horizontale normale.
5. refusion de PMMA photoresist autour PNB dans les trous Patterned
- Chauffer les substrats à motifs sur une plaque chaude à T refusion (100 ° C) pendant 3 min, ce qui est inférieur à la température de transition vitreuse prédéterminée, T g (110 ° C) de 950 000 g / mole PMMA; le taux de refusion pour le polymère était de 1,7 ± 0,1 nm / s.
Mise en garde: refusion significativement plus rapide a eu lieu pour les zones modelées qui avaient été précédemment exposés au faisceau d'électrons lors de l'imagerie par microscopie électronique à balayage (SEM), peut-être en raison du clivage de la chaîne principale polymère lors de l'exposition au faisceau d'électrons, ce qui conduit à un réduction de la Tg. Cette observation est corroborée par les études de Keymeulen et ses collègues, qui ont noté que l' exposition aux rayons X réduit le T26 g de PMMA.
6. Dry- et Wet-etch
- Gravure à sec pendant une durée suffisante (55 s) avec un plasma d'oxygène pour exposer le PNB recouvert d'un mince film de PMMA après la refusion. Surveiller attentivement le taux de PMMA film de gravure en fonction du temps en utilisant un ellipsomètre ou mince moniteur d'épaisseur de film.
NOTE: Une durée de gravure trop courte peut ne pas exposer les PNB, alors que la gravure trop longtemps éliminerait complètement le film de PMMA. Pour 950 kDa PMMA, la vitesse de gravure est de 1,5 nm / s, ce qui nécessite 55 s de temps de gravure. - PNB d'attaque chimique humide au fond des trous de contact après refusion à l' aide d' une solution d'iode, contenant 1,0 g de cristaux d'iode (I 2), 4,0 g d'iodure de potassium (KI) et 40 mL d'eau déminéralisée pendant 10 min.
REMARQUE: L'iodure de potassium améliore la solubilité de l'iode dans la solution et facilite la gravure de l'or. La réaction de l' or avec de l' iode (2AU + I 2 → 2 AUI) produit de l' orl'iodure, qui est légèrement soluble dans la solution aqueuse à la température ambiante.
7 . Calcul des particules Déplacement, densité, et de remplissage Fraction
- Localisation du centre du trou et le PNB de déplacement:
- Par contre, tracer des lignes droites de meilleur ajustement horizontal et vertical à travers les lignes et colonnes de trous, respectivement, aux centres de trous établis aux intersections de ces lignes (Figure 2a et 2b). Inclure au moins 500+ trous dans les calculs.
- Déterminer manuellement la position r de chaque nanoparticule par rapport au centre de la nanotrou ( à savoir, le déplacement) , où il a été déposé (figure 2b).
- Déterminer le nombre de particules par rapport histogrammes de déplacement à l'aide d'un programme de feuille de calcul standard.
- Calcul de la densité des particules: ρ = N (nombre de particules) / unité de surface (2 pm):
. - Additionner le nombre de particules, N, dans la zone à partir de l'histogramme construit à l' étape 7.2, ci - dessus.
- Répéter la procédure en fonction de r pour générer environ 10 étapes égales se terminant à r = R, le rayon du trou.
. NOTE: Une fois les trous de refusion disparaissent, tracer des lignes horizontales et verticales de meilleur ajustement sur les positions du PNB pour déterminer les valeurs les mieux adaptées pour les centres des trous. Calculer les déplacements de particules comme dans l' étape 7.1 et extraire le combiné σ total suivant le protocole délimité dans les étapes 7,2-7,4.
NOTE: Ici, combinés ou totale se réfère au déplacement global du PNB en raison des dépôts et refusion étapes.
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Representative Results
La figure 2 montre une image SEM de PNB 20 nm déposée dans les trous de diamètre 80 nm modelées dans un film PMMA de 60 à 100 nm d'épaisseur entraînée par funneling électrostatique. Comme observé par d' autres 22, le processus conduit à environ une particule par trou. La distribution des particules autour du centre des trous était gaussien (encart en haut à droite). La plupart des trous (93%) contenaient un PNB, et 95% de ces particules se sont produites à moins de 20 nm du centre. En outre l' optimisation, discuté ailleurs, est nécessaire pour améliorer le remplissage fraction et le centrage du PNB 20, 25. La figure 2b et 2c montrent des images au MEB de PNB déposées à partir de plus grandes zones de la tranche, avant et après la refusion de la résine photosensible. La section de discussion présente une analyse quantitative supplémentaire.
Figure 2: (a) PNB de diamètre 20 nm déposés dans 80 trous de diamètre nm séparées par un pas, P, de 200 nm (encart en haut à gauche). 93% des trous contient une nanoparticule, et 95% des nanoparticules sont à moins de 18 nm du centre (cercle bleu). L'encart en haut à droite montre une distribution gaussienne du déplacement des particules du centre, avec σ = 9,0 ± 0,1 nm. L' image (b) SEM d'une grande surface après dépôt, σ = 9 ± 1 nm. (C) Identique b) après la refusion de la résine photosensible, σ = 11 ± 2 nm. Modifié avec la permission de la référence 20. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Le dépôt par évaporation pourrait réduireles 24-48 h nécessaires pour le dépôt 25. Lors de dispersions de nanoparticules On a laissé évaporer sur la surface à motif, PNB déposé sur le film de PMMA, ainsi que dans les trous. ultrasonication doux dans une solution tamponnée retiré faiblement liée PNB sur le PMMA, ne laissant que les particules fortement liés dans les trous. La figure 3 illustre comment les particules multiples pourrait être forcé dans les trous en utilisant cette méthode en raison de la répulsion entre particules réduite dans la dispersion ionique progressivement concentrée. De tels effets de criblage ioniques doivent être évitées, car elles ont permis d'occupation multiparticulaire et abaissées l'efficacité de l'entonnoir électrostatique qui dirige les particules vers le centre du trou. L'abaissement de la concentration de la dispersion dans le PNB de dépôt, avec traitement aux ultrasons, pourrait potentiellement permettre le dépôt d'une particule par le trou plus rapidement que le dépôt en phase de solution en vrac. Dans ce travail, nous n'optimisons laconditions nécessaires.
Figure 3: Le dépôt de PNB au cours d' une évaporation durant plus de 20 min. Les micrographies MEB bas montrent des vues de haut en bas et en coupe transversale des trous à motifs par E-beam. Modifié avec la permission de la référence 25. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Le profil SEM coupe affiché les parois latérales des trous inclinés vers leurs centres. L'angle de la paroi latérale est inférieure à la valeur optimale de 90 °, ce qui crée une zone de section transversale croissante dans le puits à l'approche de l'interface résine photosensible plaquette. Cette configuration explique le modèle d'emballage observé (à gauche) du particules, indiquant leur déplacement du centre du trou. Une meilleure focalisation du faisceau d'électrons, au-dessous de l'interface entre l'air et le film de résine photosensible, permettrait d'éliminer un tel artefact.
Minces, des films solides de résine photosensible PMMA 27-30 liquéfient et coulent à proximité de la transition vitreuse T g de 110 ° C. Une température de 10 ° en dessous de la T g du polymère de résine photosensible, le PMMA, a initié une lente refusion de la résine photosensible. Dans le liquide analogue, l'état vitreux ramolli, la tension superficielle du film de résine photosensible a réduit la courbure de bord et la rugosité, ce qui entraîne une suppression des effets LER. L'avancement de l' avant de résine photosensible liquide complètement englouti nanotrous, ainsi que les PNB déposés, comme illustré sur la figure 4, où le nombre de PNB par trou était élevé. Notez comment la refusion de résine photosensible à partir des frontières du trou effacé ee modèle de nanotrous dans le film. Néanmoins, fortement lié PNB enfermés dans le registre de position du motif. Remarquablement, ces études photoresist-refusion ont révélé une forte électrostatique liaison du PNB de citrate-capped à terminaison amine silanes. La similitude du motif de dépôt du PNB avant et après refusion appuyé cette conclusion; voir la figure 4c (voir ci - dessous).
Figure 4: Les positions des PNB déposées sont relativement insensibles à la refusion de la résine photosensible (voir le texte). Patterns des déposés 60 nm dans les trous 250 PNB nm: (a) avant refusion, (b) après la refusion partielle, et (c) après la refusion complète. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
La séquence globale des étapes et les changements qui se produisent dans les images MEB correspondants sont présentés dans la figure 5. Sur la figure 5b, les trous dans le film de résine photosensible ont reculé pendant la refusion, tandis que le processus engloutit a été achevée en moins de 3 minutes (figure 5c). plasma d'oxygène gravé le film plus épais de résine photosensible qui superposée sur le dessus du PNB, en les exposant à l'air. Une fois exposé, ces PNB étaient humides gravé en utilisant une solution de gravure d' or sur la base de KI / I 2 (Figure 5d). Le coefficient de variation pour les diamètres était de 9% pour le trou formé par le processus PNB assisté. A noter que, dans ces études, le diamètre de départ des trous a diminué de 80 à 20 nm, ce qui illustre la force de l'approche. La principale limitation de la méthode est l'introduction de l'incertitude dans la position d'un centre de trou recréé en raison d'une combinaison d'incertitudes intr oduced lors du dépôt du PNB et de la refusion résister. travaux en cours actuel tente de répondre à ces effets. En plus de l'or, d'autres nanoparticules de différents matériaux, tels que la silice (gravable dans du HF dilué), peuvent être utilisés pour réduire les matériaux et les coûts de traitement. L'exigence principale est que la nanoparticule / nanostructure doit être gravable sélectivement sans affecter le matériau de réserve.
Figure 5: SEM. Des images recueillies au cours des étapes employées pour réduire au minimum la variation de la taille des trous. (A) le dépôt (24 h). (B et c) de refusion de la résine photosensible (20 s, 3 min). (d) Gravure PMMA (plasma O 2: 55 s) et le PNB (attaque chimique humide avec une solution I 2 / KI: 10 min)."> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Discussion
Shot-bruit (SN) en lithographie est une simple conséquence des fluctuations statistiques du nombre de photons ou particules (N) arrivant dans un nano-région donnée; elle est inversement proportionnelle à la racine carrée d'un nombre de photons / particules:
où A et R sont la surface et la taille de la zone exposée, respectivement. Par exemple, lorsqu'on utilise un ArF 193 nm (6,4 eV) à laser excimer motif de trous 50 nm, le nombre de photons reçus est d' environ 1 x 10 6 à la dose d'exposition de 52 mJ / cm2. Une source de faisceau électronique 50 keV, le nombre d'électrons délivrant 50 mJ / cm2 serait d'environ 128, ce qui implique que l'effet de SN serait 100 fois plus grande pour la lithographie par faisceau d' électrons. En outre, le nombre de photons / électrons arrivant dans une région donnée diminue directement avec la zone du motif. Par conséquent, alfluctuation arge de la taille des trous qui ont reçu des résultats de l'exposition «identiques» se produit lorsque la dimension du trou pour être conçu diminue. Pour les 35 trous nm représentés sur la figure 1 avec le 30 keV E-beam, environ 1.440 électrons fournissent la dose requise de 24 uC / cm 2. Pour modèle 20 trous nm dans des conditions identiques, on aurait besoin d' environ 400 électrons, ce qui est proche de la limite de SN théorique (200 électrons) donnée par Moreau 32. À l'heure actuelle, la seule façon de supprimer l'effet de SN par l'utilisation d'une résine photosensible à faible sensibilité qui a besoin d'une dose plus élevée électron / photon. Il est au prix du débit inférieur et des coûts plus élevés pour les nano-motifs. Notre méthode permet de réduire l'effet des fluctuations de la taille à l'aide de nanostructures monodisperses de redéfinir la taille des trous lithographier tout en maintenant le registre de position d'origine. Le registre est fixé par la forte électrostatique liaison de nanostructuresà la surface, guidés par entonnoir électrostatique.
Le succès de la formation de motifs dans cette méthode dépend de deux effets. La première est la variation de la taille des trous, et le second est le centrage des nanoparticules dans les trous qui affectent le registre de position. Le coefficient de variation pour le diamètre des trous à motifs grâce à cette approche (9%, ou 19 ± 2 nm) est comparable au coefficient de la taille (8%) du PNB 20. D'autre part, comme l'a révélé à la figure 1, le faisceau d' électrons à motifs 35 nm (35 ± 9) trous, faite sans l' aide de cette approche, avait un CV de 35%. Le CV correspondant de motifs E-beam-alone deviendrait encore pire lors de la fabrication de 20 trous nm. Le SN peut être réglé pour être proportionnel au CV, avec des estimations approximatives des CV pour 20 nm et 80 nm trous à 61% et 15%, respectivement. La méthode présentée ici fournit au moins six fois (~ 61% / 9%) amélioration de CV sur E-beam-alone structuration de 20 trous nm. Même à partir de trous de 80 nm, l'amélioration de près de 60% dans les résultats de CV (~ 15% / 9%) se produit après cette approche.
Le second dépôt effet préoccupations des particules du centre géométrique des trous (registre). Deux facteurs qui contribuent à cet effet ont été extraites à partir des données recueillies au MEB après le dépôt de PNB dans les trous (Figure 2b) et après photoresist-refusion (figure 2c). L'analyse statistique du déplacement du PNB du centre des nanotrous dans lequel ils ont résidé (figure 2a) a révélé que , pendant le dépôt en phase de solution, la répartition des PNB autour du centre du trou est gaussienne avec un écart - type (σ dépôt) de 9 nm, soit environ la moitié du diamètre du PNB. La méthode d'analyse était équivalente à supposer que les particules, en moyenne, rester au centre des trous, mais individuellement, ils peuvent être déplacés randomly due à la diffusion lors du dépôt.
Le second facteur affectant le déplacement est dû au mouvement du PNB au cours de la refusion de résine photosensible. Les résultats, présentés à la figure 4, indiquent que le SAM AATMS chargé positivement se lie si fortement qu'ils PNB ne se déplacent pas au cours de la refusion de la résine photosensible. Une analyse similaire des images MEB (voir ci - dessus) ont été recueillies après la refusion de résine photosensible (figure 2c) étape à condition que la déviation standard globale (σ Total) dans le positionnement des particules (c. -à- registre) après le dépôt et la refusion. Pour extraire la contribution de résister refusion, nous avons supposé que les procédés de dépôt et de résine photosensible refusion produisent des effets indépendants de déplacement des particules à partir du centre de trous, de telle sorte que:
En utilisant les valeurs ajustées de σ; Deposition (9 ± 1 nm) et σ totale (11 ± 2 nm), la valeur extraite de σ Résistez-refusion a été estimée à 6 nm, ce qui est comparable à trois fois l'écart type dans les 20 nm PNB. Ce faible écart type implique un effet très négligeable sur le déplacement de particules liées au cours du processus de refusion résine photosensible. Néanmoins, le dépôt de σ semble varier directement avec la taille du produit national brut; Par conséquent, il a besoin d'améliorations significatives. Un modèle présenté ailleurs 20 suggère l'optimisation de la densité de charge du film de résine photosensible et SAM pour améliorer le registre de position. Plusieurs méthodes, y compris l'utilisation de biais électrostatique et la charge sur le PNB, sont actuellement explorées. Noter que, comme discuté ci-dessus, qu'une analyse d'image SEM fournit une méthode simple pour le procédé ci-dessus pour l'optimisation.
La avai commercialelabilité de particules PNB presque monodisperses a dicté le choix de nanoparticules d'or. En principe, d'autres nanomatériaux peu coûteuses, telles que des nanoparticules de silice avec dérivatisés chélateur chargé de manière appropriée, sont également des candidats appropriés. Le principal critère pour la sélection des nanoparticules est leur monodispersité et leur sensibilité à la gravure. Pour entonnoir électrostatique, charges complémentaires appropriés sur le SAM et NP doivent être présents. La charge sur IP dépend de son potentiel zêta, dont le signe et la grandeur peut être réglée soit par le pH de la solution ou de la charge sur les chélateurs. De même, la sélection des groupes d'extrémité terminale cationiques ou anioniques permet la modification de la charge de surface sur le SAM. Si perfectionné, la méthode se prolonge facilement à motif tranchée lignes avec nanofils 33 - 35. Le succès global de la méthode dépendra de l'optimisation de la mise en place et le remplissage de nanostructures sur photore pré-motifsfilms SIST, exploitant, interactions magnétiques ou ligand-ligature électrostatiques.
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Disclosures
Les auteurs n'ont rien à dévoiler.
Acknowledgments
Intel Corporation a financé ce travail par numéro de subvention 414305, et l'Initiative de nanotechnologie et de Microtechnique Oregon (ONAMI) a fourni des fonds de contrepartie. Nous reconnaissons avec gratitude le soutien et les conseils du Dr James Blackwell dans toutes les phases de ce travail. Des remerciements spéciaux vont à Drew Beasau et Chelsea Benoît pour l'analyse des statistiques de positionnement des particules. Nous remercions professeur Hall pour une lecture attentive du manuscrit et le Dr Kurt Langworthy, à l'Université de l'Oregon, Eugene, OR, pour son aide avec la lithographie par faisceau d'électrons.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AATMS (95%) | Gelest Inc. | SIA0595.0 | N-(2-aminoethyl)-11-aminoundecyltrimethoxysilane |
| Gold colloids (Ted Pella Inc.) | Ted Pella | 15705-20 | Gold Naoparticles |
| hydrogen peroxide | Fisher Scientific | H325-100 | Analytical grade (Used to clean wafer) |
| hydrochloric acid | Fisher Scientific | S25358 | Analytical grade |
| Ammonium hydroxide | Fisher Scientific | A669S-500SDS | Analytical grade (Used to clean wafer) |
| hydrogen fluoride | Fisher Scientific | AC277250250 | Analytical grade(used to etch SiO2) |
| Toluene (anhydrous, 99.8%) | Sigma Aldrich | 244511 | Analytical grade (solvent used in Self Assembly of AATMS |
| Isopropyl alcohol (IPA) | Sigma Aldrich | W292907 | Analytical grade (Used to make developer) |
| Methyl butyl ketone (MIBK) | Sigma Aldrich | 29261 | Analytical grade(used to make developer) |
| 1:3 MIBK:IPA developer | Sigma Aldrich | Analytical grade (Developer) | |
| 950 k poly(methyl methacylate (PMMA, 4% in Anisole) | Sigma Aldrich | 182265 | Photoresist for E-beam lithography |
| Purified Water : Barnstead Sybron Corporation water purification Unit, resistivity of 19.0 MΩcm | Water for substrate cleaning | ||
| Gaertner ellipsometer | Gaertner | Resist and SAM thickness measurements | |
| XPS, ThermoScientifc ESCALAB 250 instrument | Thermo-Scientific | Surface composition | |
| An FEI Siron XL30 | Fei Corporation | Characterize nanopatterns | |
| Zeiss sigma VP FEG SEM | Zeiss Corporation | E-beam exposure and patterning | |
| MDS 100 CCD camera | Kodak | Imaging drop shapes for contact angle measurements | |
| Tegal Plasmod | Tegal | Oxygen plasma to etch photoresist | |
| I2 | Sigma Aldrich | 451045 | Components for gold etch solution |
| KI | Sigma Aldrich | 746428 | Components for gold etch solution |
| Ellipsometer (LSE Stokes model L116A) | Gaertner | L116A | AATMS self assembled monolayer film thickness measurements |
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