Summary
Uniformemente nanoparticelle di dimensioni in grado di rimuovere le fluttuazioni dei contatti dimensioni dei fori di fantasia in poli (metacrilato di metile) film (PMMA) fotoresistente per fascio di elettroni (E-beam) litografia. Il processo prevede di focalizzazione elettrostatica al centro e deposito nanoparticelle in fori di contatto, seguita da fotosensibile riflusso e passi plasma e bagnato-incisione.
Abstract
Nano-modelli fabbricati con ultravioletta estrema (EUV) o fascio elettronico (E-beam) Litografia mostrano variazioni inattese delle dimensioni. Questa variazione è stata attribuita a fluttuazioni statistiche del numero di fotoni / elettroni in arrivo a un determinato nano-regione derivanti da un tiro-rumore (SN). La SN varia inversamente alla radice quadrata di un numero di fotoni / elettroni. Per un dosaggio fisso, il SN è più grande in EUV e e-beam litografie che per tradizione (193 nm) litografia ottica. Bottom-up e top-down patterning approcci sono combinati per ridurre al minimo gli effetti del rumore girato in nano-hole patterning. In particolare, un ammino-silano tensioattivi autoassembla su un wafer di silicio che viene successivamente spin-rivestiti con una pellicola 100 nm di un photoresist E-beam a base di PMMA. L'esposizione al fascio E e il successivo sviluppo scopre la pellicola tensioattivo sottostante al fondo dei fori. Immergendo il wafer in una sospensione di carica negativa, citrato-capped, 20 nm gvecchi nanoparticelle (PNL) depositi una particella per buco. Il film tensioattivo carica positiva esposta nel foro imbuti elettrostaticamente le nanoparticelle carica negativa al centro di un foro esposto, che fissa in modo permanente nel registro posizionale. Successivamente, mediante riscaldamento vicino alla temperatura di transizione vetrosa del polimero photoresist, il film fotoresist rifluisce e sommerge le nanoparticelle. Questo processo cancella i buchi affetti da SN, ma lascia PNL depositati bloccati in posizione da una forte elettrostatiche vincolante. Il trattamento con plasma di ossigeno espone PNL incidendo un sottile strato di fotoresist. Wet-incisione PNL esposte con una soluzione di I 2 / KI produce fori uniformi situate al centro di rientranze modellati mediante litografia a fascio. Gli esperimenti presentati mostrano che l'approccio riduce la variazione della dimensione dei fori causati da SN dal 35% al di sotto del 10%. Il metodo si estende i limiti patterning di fori transistore di contatto al di sotto di 20 nm.
Introduction
La crescita esponenziale della potenza di calcolo, come quantificato dalla legge di Moore 1, 2 (1), è un risultato dei progressi progressivi litografia ottica. In questa tecnica patterning top-down, la risoluzione ottenibile, R, è data dalla noto teorema Raleigh 3:
Qui, λ e NA sono la lunghezza d'onda della luce e apertura numerica, rispettivamente. Si noti che NA = η · sinθ, dove η è l'indice di rifrazione del mezzo tra la lente e il wafer; θ = tan -1 (d / 2L) per il diametro, d, della lente, e la distanza, l, tra il centro della lente e il wafer. Negli ultimi cinquant'anni, la risoluzione litografica è migliorata attraverso l'uso di (a) sorgente luminosas, tra cui laser a eccimeri, con lunghezze d'onda UV progressivamente più piccoli; (b) i disegni ottici intelligenti che impiegano maschere di fase-shift 4; e (c) superiori NA. Per l'esposizione in aria (η = 1), NA è sempre inferiore all'unità, ma introducendo un liquido con η> 1, come acqua 5, tra l'obiettivo e il wafer, NA può essere elevato sopra 1, migliorando così la risoluzione di litografia a immersione. Attualmente i percorsi praticabili a un nodo 20 nm e oltre comprendono sorgenti UV estreme (λ = 13 nm) o tecniche di patterning che utilizzano l'elaborazione doppia e quadrupla complesso di un fotoresist multistrato 6, 7.
Su scala nanometrica lunghezza, fluttuazioni statistiche, causate da un tiro-rumore (SN), del numero di fotoni che arrivano entro una causa variante nano-regione nelle dimensioni di lithogra modelli ENTI GRAFICI. Questi effetti sono più pronunciati con l'esposizione alla luce EUV ad alta energia ed E-travi, i sistemi che necessitano di ordini di grandezza meno fotoni / particelle rispetto al normale litografia ottica 8. Supersensitive chimicamente amplificata (con una efficienza quantica> 1) fotoresist introducono un SN chimica causata da una variazione nel numero di molecole fotoreattive in nanoregions esposte 9, 10. Lower fotoresist sensibilità che hanno bisogno di esposizioni più lunghe sopprimere questi effetti, ma riducono anche il throughput.
Sulla scala molecolare, il contributo alla linea-bordo rugosità dalla distribuzione delle dimensioni molecolari inerenti ai polimeri di resina fotosensibile può essere ridotto utilizzando resiste molecolari 11. Un approccio che è complementare a tale trattamento top-down di nano-patterning è l'uso di metodi bottom-up 12,s = "xref"> 13 che si basano in particolare sulla auto-assemblaggio diretto (DSA) di polimeri diblock 14. La capacità di questi processi di dirigere nucleazione e di creare la spaziatura non uniforme tra disegni desiderati, come i fori o linee, rimane difficile. La distribuzione delle dimensioni dei componenti molecolari 15, 16 limita anche la scala e la resa di fabbricazione 17, 18. Problemi simili limitano stampa microcontact di nanoparticelle in litografia soffice 19.
Questo documento presenta studi di un nuovo approccio ibrido (Figura 1) che unisce il classico litografia proiezione dall'alto con elettrostaticamente diretto autoassemblaggio per ridurre l'effetto di SN / linea-edge rugosità (LER) 20. Carica positiva gruppi amminici su monostrati auto-assemblati (SAM) di N - (2-amminoetil)-11-Ammino-undecil-metossi-silano (AATMS) sottostante il film PMMA sono esposti dopo lo sviluppo. La pellicola fotosensibile carica negativa di PMMA elettrostaticamente ad imbuto che carica negativa nanoparticelle d'oro (PNL), ricoperto con citrato, 21 - 24 nei fori SN colpite 25. Re-flusso del fotoresist PMMA sommerge nanoparticelle predeposited nel film.
Figura 1: Rappresentazione schematica della strategia per rimuovere gli effetti del colpo-rumore e ruvidità line-edge per il patterning di fori di contatto con nanoparticelle di dimensioni precise. Qui, la dimensione critica (CD) è il diametro desiderato dei fori. L'approccio (step 1) inizia con deposizione di un monostrato auto-assemblato (SAM) della molecola di silano aventi gruppi amminici caricati positivamente sul surf ossidoasso di un wafer di silicio. Successivamente, la litografia e-beam viene utilizzato per i fori modello (punti 2 e 3) in PMMA pellicola fotosensibile, lo strato blu, che genera colpo-rumore, come illustrato nell'immagine SEM inserto in. Litografia espone gruppi amminici nella parte inferiore dei fori. Fase 4 comporta la deposizione fase acquosa di controllo di dimensioni, (carica negativa) nanoparticelle d'oro citrato-capped (PNL) nei fori litografia fantasia utilizzando focalizzazione elettrostatica (EF). Nel passaggio 5, riscaldando il wafer a 100 ° C, al di sotto della temperatura di transizione vetrosa del PMMA, 110 ° C, provoca il riflusso del fotoresist intorno nanoparticelle pre-depositato. Etching sovrapposto PMMA con plasma di ossigeno (fase 6) espone PNL, e successiva wet-etching (iodio) delle particelle esposte (fase 7) crea fori corrispondenti alle dimensioni del PNL. Una volta accoppiato con reattivi-ion / wet-etching, è possibile trasferire i fori nel fotoresist a SiO 2 (fase 8) 31. Ristampata con il permesso di riferimento 20. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
L'interazione elettrostatica tra PNL carica opposta e gruppi amminici sul substrato impedisce lo spostamento del PNL dal sito di legame. La fase di riflusso mantiene la posizione relativa dei PNL, ma cancella i buchi e gli effetti della SN / LER. Plasma / fasi di attacco umido rigenerare fori che hanno la dimensione del PIL. Etching reattivo ioni di litio trasferisce il loro modello di SiO 2 strati hard-maschera. Il metodo si basa sull'utilizzo di nanoparticelle di dimensioni più uniformemente di un nanohole fantasia (NH), espressa come la deviazione standard, σ, in modo tale che σ PIL <σ NH. Questo rapporto si concentra sui gradini (4 e 5 descritti in figura 1) che prevedano la deposizione di nanoparticelle dalla dispersione e lareflow del fotoresist intorno a loro per valutare i vantaggi ei limiti del metodo. Entrambi i passi sono, in linea di principio, scalabile per substrati più grandi, senza necessità di modifiche sostanziali del flusso di corrente di produrre moderni circuiti integrati su chip.
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Protocol
1. Derivatize e caratterizzare la superficie del wafer di silicio
- Pulire la superficie del wafer utilizzando Radio Corporation of America (RCA) Pulizia soluzioni SC1 e SC2.
- Preparare SC1 e SC2 mescolando volumetricamente le seguenti sostanze chimiche:
SC1: H 2 O 2: NH 4 OH: H 2 O = 1: 1: 5 v / v e SC2: H 2 O 2: HCl: H 2 O = 1: 1: 5 v / v.- Immergere il wafer in SC1 per 10 min a 70 ° C, e quindi eseguire un lavaggio con acqua deionizzata.
- Seguire un protocollo simile per SC2 (10 min a 70 ° C, seguito da un lavaggio).
NOTA: La procedura di pulizia rimuove le impurità organiche e ionici e genera gruppi silanolici sulla superficie di ossido di silicio del wafer di silicio.
- Derivatize le superfici dei wafer di silicio con AATMS
- Incubare il wafer di silicio pulito in 0,05 M AATMS (preparato in dry toluene) a 80 ° C per 20 min. Ultrasuoni per 5 min in un sonicatore 100 W a temperatura ambiente in puro toluene per 5 min e secco in corrente di azoto.
- Caratterizzare le superfici dei wafer di silicio derivatizzati
- Misurare l'angolo di contatto utilizzando un goniometro e ImageJ software 25.
- Determinare lo spessore delle pellicole utilizzando un ellissometro (sorgente di luce laser He-Ne, λ = 632.8 nm, angolo di incidenza fisso di 70 °) 25.
- Stimare la composizione elementare superficie mediante raggi X spettroscopia fotoelettronica (XPS) 25.
Patterning 2. E-beam
- Spin-coat fotosensibile (2% di poli (metacrilato di metile (PMMA) in anisolo) su wafer derivatizzati AATMS- a 4.000 giri per 60 s.
- Precottura il film a 180 ° C per 120 s per asciugare il film fotoresist.
- Misurare lo spessore della pellicola fotosensibileutilizzando un ellissometro. Assicurarsi che la sorgente di luce laser He-Ne, λ = 632.8 nm, è fissato a un angolo di incidenza di 70 °. Ottimizzare la fase del campione per massimizzare il segnale del rivelatore con una superficie riflettente come wafer di silicio. Utilizzare il programma di misurazione ellipsometer (GEMP) sul PC in dotazione per misurare lo spessore della pellicola fotosensibile; dovrebbe essere di circa 100 nm.
- L'esposizione E-beam:
- Trasferire il wafer ad una camera ad alto vuoto di un allineatore a fascio.
- Creare un modello di foro dot poker utilizzando un fascio elettronico (30 kV tensione di accelerazione, 37 pA corrente del fascio) passante attraverso un'apertura 10 micron e fornendo un dosaggio 24 uC / cm 3.
- Regolare il campo modello e il dosaggio come necessario per produrre un poker dot-tipo di foro-modello del diametro desiderato foro (80 nm) e il passo (200 nm).
- Rimuovere il wafer dalla camera a fascio.
- Sviluppare il tracciato litografico:
- InizioSviluppo modello in una soluzione di metil isobutil chetone / alcol isopropilico (MIBK / IPA, 1: 3 (v: v)) per 70 s.
- Continuare a sviluppare ulteriormente per immersione in IPA per 30 s. Completare lo sviluppo mediante lavaggio in acqua deionizzata per 30 s. Essiccare il wafer in un flusso di azoto gassoso.
3. Deposizione di PNL nei fori E-beam-fantasia
NOTA: Deposizione di PNL in fori fantasia impiega due metodi diversi.
- Immergere wafer pre-modellato nelle soluzioni di PNL (metodo 1).
- Lasciare il campione nel mezzo di sospensione PIL per 24-48 ore, a seconda della dimensione del PIL ei diametri dei fori. Utilizzare un 20-nm, citrato-capped sospensione PIL contenente 7,0 x 10 11 NP / ml.
NOTA: Si può impiegare una dimensione PIL 10-100 nm e un intervallo di concentrazione da 5,7 x 10 12-5,7 x 10 9 NP / mL, come previsto da Ted Pella. Si noti che la densità di deposizione obbediscela legge diffusione ̴ (Dt) 1/2, dove D e T sono coefficienti di diffusione del tempo nanoparticelle e la deposizione rispettivamente (cioè, le particelle più piccole prendere un tempo più breve per la deposizione, come discusso in riferimento 20, figura 2c).
- Lasciare il campione nel mezzo di sospensione PIL per 24-48 ore, a seconda della dimensione del PIL ei diametri dei fori. Utilizzare un 20-nm, citrato-capped sospensione PIL contenente 7,0 x 10 11 NP / ml.
- PNL Spray-deposito sul wafer fantasia (metodo 2)
- Per depositare PNL per evaporazione, spruzzare una soluzione dei PIL sul substrato modellato, posto orizzontalmente. Orientare lo spruzzatore portatile (metodo 2) in modo che il getto è diretto perpendicolarmente alla superficie del substrato.
- Spruzzare un volume sufficiente della soluzione di sospensione bagnare la superficie del substrato.
NOTA: Potrebbe essere necessario diluire la sospensione PIL da 10x per evitare di forzare più nanoparticelle in un grande buco. - Incubare campioni su una piastra calda mantenuta a 30-35 ° C per produrre evaporazione controllata per 10 min.
- Dopo la deposizione (con entrambi i metodi1 o metodo 2), leggermente ultrasonicate (100 W) i campioni in acqua deionizzata per 50 s e secco in corrente di azoto.
4. Scanning Electron Microscopy Imaging
NOTA: due tipi di studi coinvolti convenzionale dall'alto verso il basso e l'imaging SEM della sezione trasversale.
- Per top-down immagini SEM, utilizzare un E-beam tensione di accelerazione di 5 kV ad una corrente di ~ 300 μA per evitare di danneggiare la pellicola di fotoresist.
Attenzione: la tensione più bassa possibile e impostazione corrente sono necessari per ridurre le reazioni a catena scissione nel fotosensibile. Queste reazioni a catena scissione riducono la temperatura di transizione vetrosa del polimero, che a sua volta influisce sulla temperatura operativa per la fase di riflusso resistere descritto di seguito. - L'imaging Sezione:
- Sputter-coat 10 nm di spessore pellicola d'oro su PMMA fotosensibile per evitare danni fascio ionico. Utilizzare un concentrato fascio di ioni Ga funzionare a 30 kV e 93pA per tagliare attraverso i fori. Ottenere sezione trasversale immagini SEM inclinando il wafer dalla sua normale posizione orizzontale.
5. riflusso di PMMA fotoresist intorno PNL nei fori Patterned
- Riscaldare i substrati modellata su una piastra calda a T riflusso (100 ° C) per 3 min, che è inferiore alla temperatura di transizione vetrosa predeterminato, T g (110 ° C), di 950.000 g / mol PMMA; il tasso di riflusso del polimero era di 1,7 ± 0,1 nm / s.
Attenzione reflow Notevolmente più veloce verificato per le aree modellati che erano stati precedentemente esposti al fascio E durante l'imaging con microscopia elettronica a scansione (SEM), forse a causa della scissione della catena principale polimerica durante l'esposizione al fascio di elettroni, portando ad una riduzione della T g. Questa osservazione è supportata dagli studi di Keymeulen e collaboratori, che ha notato che l'esposizione alle radiazioni a raggi X ha ridotto il Tg di PMMA 26.
6. Dry- e Wet-etch
- Dry-etch per una durata sufficiente (55 s) con l'ossigeno-plasma per esporre PNL ricoperte da un sottile strato di PMMA dopo la rifusione. monitorare attentamente il tasso di PMMA pellicola incisione in funzione del tempo utilizzando un ellissometro o sottile monitor di spessore del film.
NOTA: una troppo breve durata incisione non può esporre i PNL, mentre l'incisione per troppo tempo eliminerebbe completamente la pellicola PMMA. Per 950 kDa PMMA, la velocità di attacco è stato di 1,5 nm / s, che richiede 55 s di tempo di attacco. - PNL Wet-etch sul fondo dei fori di contatto dopo reflow utilizzando una soluzione di iodio, contenente 1,0 g di cristalli di iodio (I 2), 4,0 g di ioduro di potassio (KI), e 40 mL di acqua deionizzata, per 10 min.
NOTA: Potassio ioduro migliora la solubilità dello iodio in soluzione e facilita incisione oro. La reazione d'oro con iodio (2AU + I 2 → 2 AUI) produce oroioduro, che è leggermente solubile in soluzione acquosa a temperatura ambiente.
7. Calcolo del Particle Displacement, densità, e Fill Frazione
- Individuazione del centro del foro e PIL spostamento:
- A mano, disegnare linee rette di best-fit orizzontali e verticali attraverso le righe e colonne di fori, rispettivamente, per i centri dei fori definiti in corrispondenza delle intersezioni di tali linee (Figura 2a e 2b). Includere almeno 500+ fori nei calcoli.
- Determinare manualmente la posizione, r, di ogni nanoparticella rispetto al centro della nanohole (cioè, lo spostamento) in cui è stato depositato (Figura 2b).
- Determinare il conteggio delle particelle contro gli istogrammi di spostamento utilizzando un foglio di calcolo standard.
- Calcolo della densità delle particelle: ρ = N (numero di particelle) / unità di superficie (micron 2):
. - Sommare il numero di particelle, N, nella zona dall'istogramma costruita nel passaggio 7.2, sopra.
- Ripetere la procedura in funzione di R per generare circa 10 fasi uguali che terminano presso r = R, il raggio del foro.
. NOTA: Dopo che i fori reflow scompaiono, disegnare linee orizzontali e verticali di best-fit su posizioni PNL per determinare i valori di best-fit per i centri dei fori. Calcolare gli spostamenti delle particelle come al punto 7.1 ed estrarre il combinato σ totale seguendo il protocollo delineata nei passaggi 7,2-7,4.
NOTA: Qui, combinate o totale si riferisce allo spostamento complessivo del PIL a causa delle fasi di deposizione e riflusso.
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Representative Results
La figura 2 mostra un'immagine SEM dei PIL 20-nm depositati in fori di diametro di 80 nm modellata in un film PMMA 60-100 nm di spessore guidato da funneling elettrostatico. Come osservato da altri 22, il processo ha portato circa una particella per foro. La distribuzione delle particelle attorno al centro dei fori era gaussiana (riquadro in alto a destra). La maggior parte dei fori (93%) conteneva un PIL, e il 95% di queste particelle si sono verificati entro 20 nm del centro. Un'ulteriore ottimizzazione, discusso altrove, è necessaria per migliorare il riempimento-frazione e il centraggio della PNL 20, 25. Figura 2b e 2c mostrano immagini SEM delle PNL depositati dai grandi regioni del wafer, prima e dopo il riflusso del fotoresist. La sezione di discussione presenta ulteriori analisi quantitativa.
Figura 2: (a) PNL diametro di 20 nm depositati in 80 fori di diametro nm separati da un passo, P, di 200 nm (riquadro in alto a sinistra). 93% dei fori contengono una nanoparticella, e il 95% delle nanoparticelle sono a 18 nm dal centro (cerchio blu). L'inserto in alto a destra mostra una distribuzione gaussiana dello spostamento particella dal centro, con σ = 9.0 ± 0.1 nm. Immagine (b) SEM di una grande area dopo la deposizione, σ = 9 ± 1 nm. (C) Come b) dopo il riflusso del photoresist, σ = 11 ± 2 nm. Modificata con il permesso di riferimento 20. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
La deposizione per evaporazione potrebbe ridurrei 24-48 h necessari per la deposizione 25. Quando dispersioni di nanoparticelle sono stati lasciati evaporare sulla superficie modellata, PNL depositato sulla pellicola PMMA, così come in fori. ultrasuoni Mild in una soluzione tamponata rimosso debolmente legato PNL in PMMA, lasciando solo le particelle fortemente vincolati nei fori. La Figura 3 illustra come le particelle più potrebbero essere costretti nei fori utilizzando questo metodo a causa della repulsione tra le particelle ridotta nella dispersione ionica progressivamente concentrato. Tali effetti di screening ionici dovrebbero essere evitati, poiché hanno permesso di occupazione multiparticellare ed abbassati efficienza del imbuto elettrostatica che dirige la particella al centro del foro. L'abbassamento della concentrazione di PNL nella dispersione deposito, insieme con ultrasuoni, potenzialmente consentire la deposizione di una particella per foro più rapidamente la deposizione bulk soluzione fasi. In questo lavoro, non abbiamo ottimizzare ilcondizioni necessarie.
Figura 3: deposizione dei PIL durante una evaporazione che dura più di 20 min. Le micrografie SEM peggiori mostrano viste dall'alto verso il basso ed in sezione di fori modellata da E-beam. Modificata con il permesso di riferimento 25. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Il profilo SEM sezione trasversale visualizzata fianchi dei fori inclinati verso i loro centri. L'angolo della parete laterale era inferiore al 90 ° ottimale, creando un'area di sezione trasversale crescente nel pozzo quando ci si avvicina l'interfaccia photoresist-wafer. Questa configurazione spiega il modello di imballaggio osservata (a sinistra) di particoli, indicando loro spostamento lontano dal centro del foro. Una migliore focalizzazione del fascio E, sotto l'interfaccia tra l'aria e il film di fotoresist, eliminerebbe un tale manufatto.
Sottili, i film pieni di PMMA fotosensibile 27 - 30 liquefanno e scorrono vicino la transizione vetrosa, Tg, di 110 ° C. Una temperatura di 10 ° sotto la T g del polimero photoresist, PMMA, avviato un lento riflusso del fotoresist. Nel liquido simile, stato vetroso ammorbidito, la tensione superficiale del film fotoresist ridotto la curvatura bordo e rugosità, determinando una soppressione di effetti LER. Il fronte fotoresist liquido avanzare completamente inghiottito nanoholes, insieme con i PNL depositate, come illustrato in figura 4, dove il numero dei PNL per foro era alto. Si noti come il riflusso fotosensibile dai confini del foro cancellati °e modello di nanoholes nel film. Tuttavia, fortemente legata PNL bloccati nel Registro di sistema posizionale del modello. Sorprendentemente, questi studi fotosensibile-reflow hanno rivelato una forte elettrostatica legame del PNL citrato-capped a ammina-terminati silani. La somiglianza del modello deposizione di PNL prima e dopo reflow sostenuto questa conclusione; vedi figura 4c (vide infra).
Figura 4: Le posizioni dei PNL depositati sono relativamente insensibili al riflusso del fotoresist (vedi il testo). I modelli dei depositati 60 nm PNL in fori da 250 nm: (a) prima del riflusso, (b) dopo la rifusione parziale e (c) dopo la completa riflusso. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figure.
La sequenza complessiva di passi e le variazioni intervenute nelle immagini SEM corrispondenti sono mostrati in Figura 5. Nella figura 5b, i fori nella pellicola è ridotto durante fotoresist reflow, mentre il processo inghiottendo stato completato in meno di 3 minuti (figura 5c). plasma di ossigeno inciso il film più spesso di fotoresist che sovrapposto sulla parte superiore del PNL, esponendoli all'aria. Dopo l'esposizione, questi PNL erano bagnati inciso con soluzione di incisione in oro sulla base di KI / I 2 (figura 5d). Il coefficiente di variazione dei diametri era del 9% per il foro ricavato dal processo PIL assistita. Si noti che in questi studi, il diametro iniziale dei fori ridotto da 80 a 20 Nm, che illustra la forza dell'approccio. Il limite principale del metodo è l'introduzione di incertezza nella posizione di centro del foro ricreato causa di una combinazione di incertezze intr oduced durante la deposizione PIL e il riflusso resistere. lavori in corso in corso cerca di affrontare questi effetti. Inoltre oro, altri nanoparticelle di materiali diversi, come silice (etchable in diluito HF), possono essere utilizzati per ridurre costi di materiali e di lavorazione. Il requisito principale è che le nanoparticelle / nanostruttura deve essere selettivamente attaccabile senza influenzare il materiale resistivo.
Figura 5: SEM. Immagini raccolti durante le fasi impiegate per ridurre al minimo la variazione di dimensioni del foro. (A) Deposizione (24 h). (B ec) riflusso del fotoresist (20 s, 3 min). (d) Acquaforte PMMA (O 2 al plasma: 55 s) e il PNL (wet-etch con la soluzione I 2 / KI: 10 min)."> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Americano-rumore (SN) in litografia è una semplice conseguenza di fluttuazioni statistiche del numero di fotoni o particelle (N) che arrivano in una determinata nano-regione; è inversamente proporzionale alla radice quadrata di un numero di fotoni / particelle:
dove A e R sono, l'area e la dimensione della regione esposta, rispettivamente. Ad esempio, quando si utilizza un ArF 193 nm (6,4 eV) laser ad eccimeri per modello fori 50 nm, il numero di fotoni ricevuti è di circa 1 x 10 6 alla dose di esposizione di 52 mJ / cm 2. Per una sorgente del fascio 50 keV, il numero di elettroni che forniscono 50 mJ / cm 2 sarebbe di circa 128, il che implica che l'effetto di SN sarebbe 100 volte maggiore per la litografia a fascio. Inoltre, il numero di fotoni / elettroni arrivano in una data regione diminuisce direttamente con la superficie del modello. Di conseguenza, alarge fluttuazione delle dimensioni di fori che hanno ricevuto "identici" risultati esposizione si verifica come la dimensione del foro da messo diminuisce. Per i 35 fori nm illustrati nella Figura 1 con il 30 keV E-beam, circa 1.440 elettroni fornire la dose necessaria di 24 uC / cm 2. Per modello 20 fori nm in condizioni identiche, uno avrebbe bisogno di circa 400 elettroni, che è vicino al limite teorico SN (200 elettroni) proposta dal Moreau 32. Attualmente, l'unico modo per sopprimere l'effetto di SN è attraverso l'uso di un fotoresist bassa sensibilità che ha bisogno di una dose di elettroni / fotoni superiore. Viene a costo di bassa produttività e maggiori costi per nano-patterning. Il nostro metodo riduce l'effetto delle fluttuazioni dimensioni utilizzando nanostrutture monodisperse per ridefinire la dimensione dei fori lithographically fantasia mantenendo nel registro di posizione originale. Il Registro di sistema è fissato dal forte legame elettrostatico di nanostrutturealla superficie, guidata da funneling elettrostatico.
Il successo del patterning in questo metodo dipende da due effetti. La prima è la variazione delle dimensioni dei fori, e il secondo è il centraggio delle nanoparticelle all'interno dei fori che influenzano il registro posizionale. Il coefficiente di variazione del diametro dei fori modellati attraverso questo approccio (9%, o 19 ± 2 nm) è comparabile al coefficiente di dimensioni (8%) del PNL 20. D'altra parte, come rivelato nella Figura 1, la E-beam-modellata 35 nm (35 ± 9) buche, effettuato senza utilizzare questo approccio, aveva un CV del 35%. La corrispondente CV di patterning E-beam-alone sarebbe diventata ancora peggio quando fabbricare 20 fori nm. La SN può essere impostato per essere proporzionale al CV, con stime approssimative di CV per 20 nm e 80 nm a 61 buche% e 15%, rispettivamente. Il metodo qui presentato fornisce un miglioramento di almeno sei volte (~ 61% / 9%) in CV e-beam-alone patterning di 20 fori nm. Anche a partire da fori di 80-nm, quasi il 60% miglioramento dei risultati CV (~ 15% / 9%) si verifica dopo questo approccio.
La seconda deposizione effetto preoccupazioni particelle distanza dal centro geometrico dei fori (registro). Due fattori contribuiscono a questo effetto sono stati estratti dai dati SEM raccolti dopo la deposizione dei PNL in fori (figura 2b) e dopo fotoresist-reflow (figura 2c). L'analisi statistica dello spostamento dei PNL dal centro delle nanoholes in cui risiedevano (figura 2a) ha rivelato che durante la deposizione soluzione fase, la distribuzione dei PNL sul centro del foro era gaussiana, con una deviazione standard (σ Deposition) di 9 nm, ovvero circa la metà del diametro della PNL. La procedura di analisi era equivalente ad assumere che le particelle, in media, rimangono al centro di fori, seppur singolarmente possono essere spostate randomly a causa di diffusione durante la deposizione.
Il secondo fattore che influenza spostamento è dovuto al moto del PNL durante il riflusso photoresist. Risultati, presentati in figura 4, indicano che la carica positiva AATMS SAM lega così fortemente alla PNL che non si muovono durante il riflusso del fotoresist. Una simile analisi di immagini SEM (vedi sopra) raccolte dopo il riflusso fotosensibile (Figura 2c) passo a condizione che la deviazione standard complessiva (σ totale) nel posizionamento delle particelle (cioè, registro) dopo la deposizione e riflusso. Per estrarre il contributo di resist reflow, abbiamo ipotizzato che i processi di deposizione e fotoresist-reflow producono effetti indipendenti a spostare particelle dal centro di fori, tali che:
Utilizzando i valori dotati di σ; Deposizione (9 ± 1 nm) e σ totale (11 ± 2 nm), il valore estratto di σ Resist-reflow è stata stimata essere di 6 nm, che è paragonabile a tre volte la deviazione standard nei 20 nm PNL. Tale deviazione standard bassa comporta un effetto molto trascurabile sullo spostamento di particelle rilegati durante il processo di photoresist riflusso. Tuttavia, la Deposizione σ sembra variare direttamente con la dimensione del PIL; Pertanto esso richiede miglioramenti significativi. Un modello presentato altrove 20 suggerisce l'ottimizzazione della densità di carica del film fotoresist e SAM per migliorare il Registro posizionale. Diversi metodi, compreso l'uso di polarizzazione elettrostatica e carica sul PNL, sono attualmente in fase di studio. Nota, come discusso in precedenza, che un'analisi un'immagine SEM fornisce un metodo semplice per il processo di ottimizzazione sopra.
L'Avai commercialelabilità delle particelle PNL quasi monodisperse dettato la scelta di nanoparticelle d'oro. In linea di principio, altri nanomateriali poco costosi, come ad esempio nanoparticelle di silice derivatizzati con chelante opportunamente caricato, sono anche candidati idonei. Il criterio principale per la selezione delle nanoparticelle è la loro monodispersity e loro suscettibilità all'attacco. Per imbuto elettrostatica, un adeguato importo complementari sul SAM e NP devono essere presenti. La carica sul NP dipende dalla sua potenziale zeta, il cui segno e grandezza può essere sintonizzato sia attraverso il pH della soluzione o della carica sul chelanti. Analogamente, selezionando gruppi terminali terminale cationici o anionici consente la modifica di carica superficiale sul SAM. Se perfezionato, il metodo estende facilmente alle trincee modello con nanofili 33 - 35. Il successo globale del metodo dipenderà ottimizzare il posizionamento e il riempimento nanostrutture su photore pre-modellatofilm SIST, sfruttando elettrostatiche, interazioni magnetiche, o ligando-legatura.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Intel Corporation ha finanziato questo lavoro attraverso il numero di concessione 414.305, e la Nanotecnologia e microtecnologie Iniziativa Oregon (Onami) ha fornito i fondi corrispondenti. Noi riconosciamo con gratitudine il supporto e la consulenza del Dr. James Blackwell in tutte le fasi di questo lavoro. Un ringraziamento particolare va a Drew Beasau e Chelsea Benedetto per analizzare le statistiche di posizionamento delle particelle. Ringraziamo il professor Hall per una lettura attenta del manoscritto e Dr. Kurt Langworthy, presso la University of Oregon, Eugene, OR, per il suo aiuto con la litografia e-beam.
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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