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Article de méthode

Utilisation de sacrificielles Nanoparticules pour éliminer les effets de Shot-bruit dans les trous de contact fabriquées par E-beam Lithography

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DOI :

10.3791/54551

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12 février 2017

 , 
1Department of Chemistry, Portland State University, 2Logic Technology Department, Intel Corporation

Dans cet article

Résumé

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.

Résumé

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:

figure-introduction-1

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-introduction-2
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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Protocole

1. dérivatiser et Caractériser la surface des plaques de silicium

  1. Nettoyer la surface des plaquettes en utilisant Radio Corporation of America (RCA) Nettoyage solutions SC1 et SC2.
  2. 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.
    1. Immerger la plaquette dans SC1 pendant 10 min à 70 ° C, puis effectuer un lavage à l'eau déminéralisée.
    2. 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.
  3. Dérivatiser les surfaces des tranches de silicium avec AATMS
    1. 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.
  4. Caractériser les surfaces des plaquettes de silicium dérivatisés
    1. Mesurer l'angle de contact à l' aide d' un logiciel de goniomètre et ImageJ 25.
    2. 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.
    3. Estimer la composition élémentaire de surface par spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) 25.

Modélisation 2. E-beam

  1. 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.
  2. Précuites le film à 180 ° C pendant 120 s pour sécher le film de résine photosensible.
  3. 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.
  4. L' exposition E-beam:
    1. Transférer la plaquette dans une chambre à vide poussé d'un dispositif d'alignement par faisceau d'électrons.
    2. 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.
    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).
    4. Retirer la plaquette de la chambre E-beam.
  5. Développer le motif lithographique:
    1. Commencerle développement du motif dans une solution de méthylisobutylcétone / alcool isopropylique (MIBK / IPA 1: 3 (v: v)) pendant 70 s.
    2. 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.

  1. Immergez tranches pré-modelée dans des solutions PNB (Méthode 1).
    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).
  2. PNB Spray-dépôt sur les plaquettes à motifs (Méthode 2)
    1. 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.
    2. 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.
    3. Incuber les échantillons sur une plaque chaude maintenue à 30-35 ° C pour produire l'évaporation contrôlée pendant 10 min.
  3. 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.

  1. 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.
  2. Coupe transversale d' imagerie:
    1. 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

  1. 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

  1. 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.
  2. 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

  1. Localisation du centre du trou et le PNB de déplacement:
    1. 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.
    2. 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).
  2. Déterminer le nombre de particules par rapport histogrammes de déplacement à l'aide d'un programme de feuille de calcul standard.
  3. Calcul de la densité des particules: ρ = N (nombre de particules) / unité de surface (2 pm):
      Tout d' abord, déterminer la zone annulaire d'un anneau avec une largeur fixe (≈R / 10, où R est le rayon du trou) et délimitée par deux rayons (r 1, r 2) , à un déplacement de r (= (r 1 + R 2) / 2); figure-protocol-1 .
  4. Additionner le nombre de particules, N, dans la zone à partir de l'histogramme construit à l' étape 7.2, ci - dessus.
  5. Répéter la procédure en fonction de r pour générer environ 10 étapes égales se terminant à r = R, le rayon du trou.
  • Ajuster la densité des particules par rapport aux données de déplacement d'une courbe de Gauss utilisant un procédé non linéaire des moindres carrés (figure 2a, encart) 20. Extraire l'écart - type de déplacement (dépôt σ) pour le dépôt et l'incertitude de montage.
  • Répéter ce qui précèdeprocédure pour les modèles SEM obtenus après la refusion de résine photosensible en utilisant une image SEM montre la figure 2c.
    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.
  • Déterminer la fraction de remplissage en estimant le rapport entre le nombre de trous remplis au nombre total de trous, la figure 2b.

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    Résultats

    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 pr...

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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:

    figure-discussion-1

    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...

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    Déclarations de divulgation

    Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

    Remerciements

    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.

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    Matériaux

    Liste des matériaux utilisés dans cet article
    NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
    AATMS (95 %)Gelest Inc.SIA0595.0N-(2-aminoéthyl)-11-aminoundécyltriméthoxysilane
    Colloïdes d’or (Ted Pella Inc.)Ted Pella15705-20Gold Naoparticles
    peroxyde d’hydrogèneFisher Scientific  ;H325-100Qualité analytique (Utilisé pour nettoyer les plaquettes)
    acide chlorhydriqueFisher Scientific  ;S25358Hydroxyde
    d’ammoniumFisher Scientific  ;A669S-500SDSQualité analytique (utilisée pour nettoyer les wafer)
    fluorure d’hydrogèneFisher ScientificAC277250250Qualité analytique(utilisée pour graver SiO2)
    Toluène (anhydre, 99,8 %)Sigma Aldrich244511Qualité analytique (solvant utilisé dans l’auto-assemblage de l’alcool
    isopropylique (IPA)Sigma AldrichW292907Qualité analytique (utilisé pour fabriquer développeur)
    Méthylbutylcétone (MIBK)Sigma Aldrich29261Qualité analytique(utilisé pour fabriquer le révélateur)
    1:3 MIBK :Développeur IPASigma AldrichQualité analytique (développeur)
    950 k poly(méthacylate de méthyle (PMMA, 4 % dans l’anisole)Sigma Aldrich182265Photoresist pour lithographie
    par faisceau d’électronsEau purifiée : Unité de purification d’eau Barnstead Sybron Corporation, résistivité de 19,0 M&Omega ; cmEau pour le nettoyage du support
    Ellipsomètre Gaertner  ;GaertnerMesures d’épaisseur de résine et de SAM
    XPS, ThermoScientifc Instrument ESCALAB 250Thermo-ScientificComposition de surface
    An FEI Siron XL30Fei CorporationCaractériser les nanomotifs
    Zeiss sigma VP FEG SEMZeiss CorporationExposition et structuration des faisceaux d’E
    MDS 100  ; Caméra CCDKodakImaging Formes de gouttes pour les mesures d’angle de contact
    Tegal PlasmodTegalPlasma d’oxygène pour gravure photosensible
    I2Sigma Aldrich451045Composants pour solution de gravure à l’or
    KISigma Aldrich746428Composants pour solution de gravure à l’or
    Ellipsomètre (LSE Stokes modèle L116A)Mesuresd’épaisseur de film monocouche auto-assembléL116A
    de qualité analytique Gaertner AATMS

    Références

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