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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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。
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。
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. 用于空气暴露(η = 1), NA 始终小于1,但通过引入一种液体 与 η >1, 例如水5,位于透镜与晶圆之间, NA 可以升高到 1,从而提高浸没式光刻的分辨率。目前可行的通向20纳米节点及更小节点的技术路径包括极紫外光源(λ = 13 nm)或采用多层光刻胶的复杂双重及四重图形化技术6,7.
在纳米尺度上,由于散粒噪声(SN)导致到达纳米区域内的光子数量出现统计涨落,从而引起光刻图形尺寸的变化。这些效应在使用高能极紫外(EUV)光和电子束曝光时更为显著,因为这些系统所需的光子/粒子数量比常规光学光刻少几个数量级8。超高灵敏度的化学放大光刻胶(量子效率 >1)还会因曝光区域内光反应分子数量的波动而引入化学散粒噪声9,10。灵敏度较低的光刻胶需要更长的曝光时间,可抑制这些效应,但同时也会降低生产效率。
在分子尺度上,通过使用分子抗蚀剂,可降低光刻胶聚合物本身固有的分子尺寸分布对线边缘粗糙度的贡献11。与这种自上而下的纳米图案加工方法相辅相成的是采用自下而上的方法12,13,该方法特别依赖于嵌段共聚物的定向自组装(DSA)14。然而,这些工艺在引导成核以及在所需图案(如孔或线)之间形成非均匀间距方面仍存在挑战。分子组分的尺寸分布15,16也限制了制造的尺度与产率17,18。类似的问题也制约着软光刻中纳米粒子的微接触印刷19。
本文介绍了一种新型混合方法(图1),该方法将传统的自上而下的投影光刻技术与静电引导的自组装相结合,以降低SN/线边缘粗糙度(LER)的影响20。在显影后,暴露出位于PMMA薄膜下方的自组装单分子层(SAMs)中带正电的氨基,这些自组装单分子层由N-(2-氨基乙基)-11-氨基十一烷基甲氧基硅烷(AATMS)构成。带负电的PMMA光刻胶薄膜通过静电作用将带负电、柠檬酸盐包覆的金纳米颗粒(GNPs)21-24 富集到受SN影响的孔洞中25。随后,PMMA光刻胶的再流动将预先沉积的纳米颗粒包裹在薄膜内部。

图 1: 利用精确尺寸的纳米颗粒(NPs)消除接触孔图案化过程中散粒噪声和线边缘粗糙度影响的策略示意图。 其中,关键尺寸(CD)为所需孔的直径。该方法(步骤 1)首先在硅晶圆的氧化物表面沉积一层带有正电荷胺基团的硅烷分子自组装单层膜(SAM)。接着,使用电子束光刻在 PMMA 光刻胶薄膜(蓝色层)上定义孔结构(步骤 2 和 3),此过程会产生散粒噪声,如插图中的扫描电镜(SEM)图像所示。光刻使孔底部的胺基团暴露出来。步骤 4 涉及在光刻定义的孔中,通过静电引导(EF)方式在水相中沉积尺寸可控、柠檬酸盐包覆(带负电荷)的金纳米颗粒(GNPs)。在步骤 5 中,将晶圆加热至 100 °C(低于 PMMA 的玻璃化转变温度 110 °C),导致光刻胶在已沉积的纳米颗粒周围发生再流动。随后用氧气等离子体刻蚀覆盖的 PMMA(步骤 6),使 GNPs 暴露出来,接着通过湿法刻蚀(碘)去除暴露的纳米颗粒(步骤 7),从而形成与 GNPs 尺寸相对应的孔。结合反应离子刻蚀/湿法刻蚀,可将光刻胶中的孔图案转移到 SiO2 层中(步骤 8)31。经参考文献20许可转载。 请点击此处查看该图的放大版本。
带相反电荷的金纳米粒子(GNPs)与基底上的氨基之间的静电相互作用,可防止GNPs从结合位点发生位移。回流步骤能够保持GNPs的相对位置,同时消除孔洞以及SN/LER的影响。等离子体/湿法刻蚀步骤会再生出与GNP尺寸相同的孔洞。反应离子刻蚀将这些图案转移至SiO2 硬掩模层。该方法依赖于使用尺寸比图案化纳米孔(NH)更均匀的纳米粒子,以标准偏差σ表示,即满足σGNP <σNH。本报告重点讨论了图1中所述的步骤(4和5),即从分散液中沉积纳米粒子以及在纳米粒子周围进行光刻胶回流,以评估该方法的优势与局限性。原则上,这两个步骤均可扩展至更大的基底,无需对当前芯片上大规模集成电路的制备流程进行重大修改。
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1. 硅片表面的衍生化与表征
2. 电子束光刻
3. 将金纳米颗粒沉积到电子束刻蚀的孔洞中
注意:金纳米颗粒在图案化孔洞中的沉积采用两种不同的方法。
4. 扫描电子显微镜成像
注:本研究涉及两种类型,分别为传统的自上而下式扫描电镜成像和横截面扫描电镜成像。
5. 图案化孔洞中 PMMA 光刻胶在 GNPs 周围的再流动
6. 干法刻蚀与湿法刻蚀
7 . 颗粒位移、密度和填充分数的计算
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图2展示了通过静电漏斗效应驱动,在厚度为60-100 nm的PMMA薄膜上直径为80 nm的孔洞中沉积20 nm金纳米颗粒(GNP)的扫描电镜(SEM)图像。正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%)包含一个GNP,其中95%的颗粒位于中心20 nm范围内。为进一步提高GNP的填充率及其定位精度,尚需进一步优化,相关内容在其他文献中已有讨论20,25。图2b和图2c分别展示了晶圆较大区域上沉积GNP的SEM图像,对应光刻胶回流处理前和处理后的结果。讨论部分将提供进一步的定量分析。
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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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作者无任何利益冲突需要披露。
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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| 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 |
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