尺寸均一的纳米颗粒可通过电子束光刻技术消除聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）光刻胶薄膜中接触孔图案的尺寸波动。该工艺包括通过静电聚焦将纳米颗粒引导至接触孔中心并沉积，随后进行光刻胶回流以及等离子体和湿法刻蚀步骤。
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摘要
摘要
采用极紫外（EUV）或电子束（E-beam）光刻技术制备的纳米图案在尺寸上表现出意外的波动。这种波动归因于光子/电子到达特定纳米区域时因散粒噪声（SN）引起的统计涨落。散粒噪声与到达的光子/电子数量的平方根成反比。在固定剂量下，EUV和电子束光刻中的散粒噪声大于传统（193 nm）光学光刻。通过结合自下而上与自上而下的图案化方法，可最小化散粒噪声在纳米孔图案化中的影响。具体而言，首先使氨基硅烷表面活性剂在硅片上自组装，随后旋涂一层100 nm厚的基于PMMA的电子束光刻胶薄膜。经电子束曝光及后续显影后，暴露出孔底部的表面活性剂薄膜。将硅片浸入含有带负电荷、柠檬酸盐包覆的20 nm金纳米颗粒（GNP）的悬浮液中，可在每个孔中沉积一个纳米颗粒。孔内暴露的带正电荷的表面活性剂薄膜通过静电作用将带负电的纳米颗粒引导至暴露孔的中心，从而永久固定其位置。接着，通过加热至光刻胶聚合物玻璃化转变温度附近，使光刻胶薄膜重新流动并包裹住纳米颗粒。该过程消除了受散粒噪声影响的孔结构，但通过强静电结合力将已沉积的GNP牢固锁定在原位。随后用氧气等离子体处理，通过刻蚀光刻胶的薄层使GNP暴露。再使用I2/KI溶液进行湿法刻蚀，可得到位于电子束光刻形成的凹陷中心的均匀孔结构。实验结果表明，该方法将散粒噪声引起的孔尺寸变异从35%降低至10%以下。该技术将晶体管接触孔的图案化极限延伸至20 nm以下。
引言
根据摩尔定律1,2（1）所量化的计算能力的指数级增长，是光学光刻技术不断进步的结果。在这种自上而下的图形化技术中，可实现的分辨率R由著名的瑞利定理3给出：
此处， λ 和 NA 分别为光的波长和数值孔径。请注意 NA = η·sinθ，其中 η 是透镜与晶圆之间介质的折射率； θ = tan-1(d/2l）用于直径， d晶状体的距离 l，介于透镜中心与晶圆之间。在过去五十年中，光刻分辨率的提升主要通过以下途径实现：(a) 采用波长逐渐更短的紫外光源，包括准分子激光器；(b) 采用相移掩模的巧妙光学设计4；以及（c）更高 NA<....
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方案
1. 硅片表面的衍生化与表征
- 使用美国无线电公司（RCA）清洗液 SC1 和 SC2 清洁晶圆表面。
- 通过以下化学试剂的体积比混合制备 SC1 和 SC2：
SC1：H2O2:NH4OH:H2O = 1:1:5 v/v；SC2：H2O2:HCl:H2O = 1:1:5 v/v。- 将晶圆在 70 °C 下浸入 SC1 溶液中 10 分钟，随后用去离子水清洗。
- 对 SC2 采用类似步骤（70 °C 下处理 10 分钟，随后清洗）。
注意：该清洗程序可去除有机物和离子杂质，并在硅片的二氧化硅表面生成硅醇基团。
- 使用 AATMS 对硅片表面进行衍生化处理
- 将清洗后的硅片在 0.05 M AATMS（溶于无水甲苯）中 80 °C 孵育 20 分钟，随后在室温下用 100 W 超声仪在纯甲苯中进行 5 分钟超声处理，并用氮气流吹干。
- 对衍生化后的硅片表面进行表征
- 使用接触角测量仪和 Im....
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结果
图2 显示了通过静电漏斗效应驱动，将20 nm的金纳米颗粒（GNPs）沉积在厚度为60-100 nm的PMMA薄膜中直径为80 nm的孔洞内的扫描电子显微镜（SEM）图像。如其他研究者所观察到的22，该过程实现了每个孔洞中约沉积一个颗粒。颗粒在孔洞中心周围的分布呈高斯分布（右上角插图）。大多数孔洞（93%）含有一个金纳米颗粒，且其中95%的颗粒位于距中心20 nm的范围内。为进一步提高金纳米颗粒的填充率及其定位中心性，尚需进一步优化，相关内容将在别处讨论20,25。图2b 和 2c 分别显示了晶圆较大区域上沉积的金纳米颗粒在光刻胶回流前和回流后的SEM图像。讨论部分将提供进一步的定量分析。
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讨论
光刻中的散粒噪声（SN）是到达特定纳米区域的光子或粒子数（N）存在统计波动的简单结果；其大小与光子/粒子数的平方根成反比：
其中 A 和 r 分别表示曝光区域的面积和尺寸。例如，当使用 ArF 193 nm（6.4 eV）准分子激光器对 50 nm 孔进行图形化时，在 52 mJ/cm2 的曝光剂量下接收到的光子数约为 1 × 106。而对于 50 keV 的电子束源，在提供 50 mJ/cm2 剂量时所需的电子数约为 128 个，这意味着电子束光刻中散粒噪声（SN）效应大约是前者的 100 倍。此外，到达特定区域的光子或电子数量随图形面积的减小而直接降低。因此，当所加工.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究工作由英特尔公司通过资助号 414305 提供资助，俄勒冈纳米与微技术倡议（ONAMI）提供了配套资金。我们衷心感谢 James Blackwell 博士在本研究各个阶段给予的支持与指导。特别感谢 Drew Beasau 和 Chelsea Benedict 对颗粒定位统计的分析工作。感谢 Hall 教授对稿件的仔细审阅，以及位于俄勒冈州尤金市的俄勒冈大学 Kurt Langworthy 博士在电子束光刻方面的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AATMS (95%) | Gelest Inc. | SIA0595.0 | N-(2-氨乙基)-11-氨基十一烷基三甲氧基硅烷 |
| 金胶体（Ted Pella 公司） | Ted Pella | 15705-20 | 金纳米颗粒 |
| 过氧化氢 | Fisher Scientific | H325-100 | 分析纯（用于晶圆清洗） |
| 盐酸 | Fisher Scientific | S25358 | 分析纯 |
| 氢氧化铵 | Fisher Scientific | A669S-500SDS | 分析纯（用于晶圆清洗） |
| 氢氟酸 | Fisher Scientific | AC277250250 | 分析纯（用于刻蚀 SiO2） |
| 甲苯（无水，99.8%） | Sigma Aldrich | 244511 | 分析纯（AATMS 自组装过程中使用的溶剂） |
| 异丙醇（IPA） | Sigma Aldrich | W292907 | 分析纯（用于配制显影液） |
| 甲基丁基酮（MIBK） | Sigma Aldrich | 29261 | 分析纯（用于配制显影液） |
| 1:3 MIBK:IPA 显影液 | Sigma Aldrich | 分析纯（显影液） | |
| 950 k 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，4% 苯甲醚溶液） | Sigma Aldrich | 182265 | 电子束光刻用光刻胶 |
| 纯水：Barnstead Sybron Corporation 水纯化系统，电阻率为 19.0 MΩcm | 基底清洗用水 | ||
| Gaertner 椭圆偏振仪 | Gaertner | 光刻胶和自组装单分子层厚度测量 | |
| XPS，ThermoScientific ESCALAB 250 仪器 | Thermo-Scientific | 表面成分分析 | |
| FEI Siron XL30 | Fei Corporation | 纳米图案表征 | |
| Zeiss sigma VP FEG SEM | Zeiss Corporation | 电子束曝光与图案化 | |
| MDS 100 CCD 相机 | Kodak | 接触角测量中的液滴形貌成像 | |
| Tegal Plasmod | Tegal | 氧气等离子体刻蚀光刻胶 | |
| I2 | Sigma Aldrich | 451045 | 金刻蚀液组分 |
| KI | Sigma Aldrich | 746428 | 金刻蚀液组分 |
| 椭圆偏振仪（LSE Stokes 模型 L116A） | Gaertner | L116A | AATMS 自组装单分子膜厚度测量 |
参考文献
- Moore, G. E. Cramming more components onto integrated circuits. Electronics. 38 (8), 114(1965).
- Moore, G. E. Lithography and the future of Moore's law. SPIE Proc.: Advances in Resist Technology and Processing XII. Allen, R. D. 2438, 2-17 (1995).
- Rayleigh, L. On the theory of optical images, with special reference to the microscope.
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重印与许可
