Artykuł metodologiczny

Litografia wiązką elektronów w jednocyfrowych nanometrach z skaningowym transmisyjnym mikroskopem elektronowym z korekcją aberracji

DOI:

10.3791/58272

⸱

14 września 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Używamy skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego z korekcją aberracji, aby zdefiniować jednocyfrowe wzorce nanometrowe w dwóch powszechnie stosowanych rezystancjach wiązki elektronów: poli (metakrylan metylu) i silseskwioksan wodoru. Wzory rezystancji mogą być powielane w wybranych materiałach docelowych z jednocyfrową dokładnością nanometrową przy użyciu liftoffu, trawienia plazmowego i infiltracji odporności przez metaloorganiczne.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pokazujemy rozszerzenie litografii wiązką elektronów przy użyciu konwencjonalnych rezystorów i procesów przenoszenia wzorów do jednocyfrowych wymiarów nanometrowych, wykorzystując skaningowy transmisyjny mikroskop elektronowy z korekcją aberracji jako narzędzie do naświetlania. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki jednocyfrowego nanometrowego wzorcowania dwóch powszechnie stosowanych rezystorów wiązki elektronów: poli (metakrylanu metylu) i silseskwioksanu wodoru. Metoda ta pozwala osiągnąć cechy poniżej 5 nanometrów w poli(metakrylanie metylu) i poniżej 10 nanometrów w silseskwioksanach wodoru. Transfer tych wzorów o wysokiej wierności do wybranych materiałów docelowych można przeprowadzić za pomocą liftingu metalu, wytrawiania plazmowego i odporności na infiltrację metaloorganicznymi.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Protokół przedstawiony w tym manuskrypcie dostarcza wskazówek do definiowania wzorów z jednocyfrową rozdzielczością nanometrową w poli(metakrylan metylu) (PMMA) i silseskwioksan wodoru (HSQ), które są dwoma powszechnymi rezystancjami wiązki elektronów używanymi w wysokiej rozdzielczości za pomocą litografii wiązką elektronów. Wyniki te osiągamy za pomocą skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego (STEM) z korekcją aberracji jako narzędzia do naświetlania, wyposażonego w generator wzorców do kontrolowania wiązki elektronów. Po ekspozycji na rezystancję, wzorce w nanoskali mogą być przenoszone na różne materiały docelowe1, umożliwiając w ten sposób wytwarzanie nowatorskich urządzeń w jednocyfrowej rozdzielczości nanometrów.

Poprzednie badania wykazały, że litografia wiązką elektronów (EBL) jest w stanie zdefiniować wzory w materiałach rezystancyjnych o wymiarach w skali poniżej 10 nm2,3,4,5,6. Jednak dla wymiarów około 4 nm demonstracje te wymagały niestandardowych procedur, takich jak użycie struktur wspomagających7 lub długie czasy naświetlania dla samorozwijających się rezystek8. Inne techniki nanowzorcowania, takie jak deposition indukowane wiązką elektronów9 lub litografia sondą skanującą10,11, okazały się zdolne do osiągnięcia rozdzielczości poniżej 4 nm, chociaż wymagają one znacznie dłuższych czasów naświetlania w porównaniu z EBL.

Nowoczesne dedykowane systemy EBL wytwarzają wiązki elektronów o rozmiarach plamek w skali kilku nanometrów (2-10 nm), co bardzo utrudnia definiowanie wzorów o rozdzielczości poniżej 10 nm. W przeciwieństwie do tego, nasz protokół implementuje EBL przy użyciu STEM z korekcją aberracji, który jest wysoce zoptymalizowanym instrumentem do charakteryzacji materiałów w skalach długości angstremów. Ta różnica pozwala na rutynowe tworzenie wzorów rekordowych cech litograficznych z rozdzielczością jednego nanometra1. Podczas gdy najnowocześniejsze, komercyjne systemy STEM z korekcją aberracji kosztują miliony dolarów, są one dostępne do użytku w kilku krajowych obiektach użytkowników, a niektóre są dostępne bezpłatnie.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie próbki do powlekania rezystancyjnego

Uwaga: W tej pracy wzory o jednocyfrowej rozdzielczości nanometrowej są zdefiniowane w rezystancjach PMMA (dodatni i ujemny ton) i HSQ, które są odlewane na dostępne na rynku okna TEM (około 50 μm x 50 μm) z membranami SiNx lub SiO2 o grubości od 5 nm do 50 nm. Jedno lub więcej okien TEM jest produkowanych w silikonowej ramie obsługowej o średnicy 3 mm (grubość 100 μm). W całym tym manuskrypcie odnosimy się do całej jednostki jako do chipa TEM, a do przezroczystej membrany wiązki elektronów jako do okna TEM.

  1. Usuń wszelkie pozostałości organiczne z chipa TEM, wykonując czyszczenie plazmowe O2 przez 30 s przy 100 W (ciśnienie w komorze 230 mT przy przepływie około 5 sccm O2 ).
  2. Rozłup kawałek płytki krzemowej o wymiarach około 2 cm x 2 cm, aby użyć go jako uchwytu na chip TEM podczas wirowania rezystancyjnego.
  3. Umieść dwa paski dwustronnej taśmy węglowej w przybliżeniu w równej odległości od środka silikonowego uchwytu i w odległości nieco mniejszej niż średnica chipa TEM (patrz Rysunek 1). Spłucz paski alkoholem izopropylowym (IPA), aby zmniejszyć ich przyczepność. Jest to konieczne, aby uniknąć złamania delikatnego chipa TEM podczas wyjmowania z uchwytu Si.
  4. Zamontuj chip TEM na silikonowym uchwycie, upewniając się, że jest przymocowany do pasków taśmy węglowej tylko na dwóch przeciwległych krawędziach, jak pokazano na Rysunek 1.

figure-protocol-1
Rysunek 1: Uchwyt na chip TEM do oporu podczas wirowania. Zwróć uwagę, że chip TEM jest przymocowany do uchwytu krzemowego tylko na dwóch krawędziach, aby zmniejszyć powierzchnię styku, a tym samym siłę przylegania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Parametry powłoki wirowej dla PMMA (ton dodatni i negatywny) oraz odporności HSQ

Uwaga: Grubość rezystu nie jest mierzona bezpośrednio na chipie TEM, ponieważ jest mała i zazwyczaj rezystor jest wylewany na inne cienkie warstwy (np. folię Si na membranie SiO2), co komplikuje pomiar. Zamiast tego grubość rezystu jest określana przez prędkość wirowania skalibrowaną za pomocą pomiarów reflektometrycznych z filmów odlanych na masową próbkę krzemu. Wyniki reflektometrii zostały potwierdzone, zwykle z precyzją lepszą niż 20%, przez obrazy zawalonych struktur wykonane z góry przez STEM.

  1. Zamontuj silikonowy uchwyt na uchwycie kołpaka i wyrównaj środek okienka TEM w przybliżeniu ze środkiem wirnika kołpaka.
  2. Za pomocą pipety przykryj całe okienko TEM jedną kroplą (około 0,05 ml) PMMA (A2 950K PMMA rozcieńczonego w anizolu do 0,5-1,0%) lub HSQ (1% ciał stałych XR-1541).
  3. W zależności od użytego rezystu należy postępować zgodnie z parametrami wirowania i pieczenia przedstawionymi w tabeli 1.
  4. Ostrożnie wyjmij chip TEM z silikonowego uchwytu. Sprawdzić jednorodność oporu nad okienkiem TEM za pomocą mikroskopu optycznego. Jeśli folia jest jednorodna w środkowej części membrany, przejdź do następnego kroku; w przeciwnym razie powtórz proces powlekania rezystancyjnego na nowym oknie TEM.
Rozdział Rozdział T
OprzećPrędkość wirowania
(x g)		Film
Grubość
(nm)		Temperatura pieczenia
(°C)		Czas pieczenia
(min)
PMMA o dodatnim odcieniu60Rozdział 30200A2a
PMMA o ujemnym tonie6015200A2a
HSQ (Jednostka ZarządzaniaRozdział 10710NiepotrzebnebNiepotrzebneb
apatrz Ref.12; bpatrz Ref. 13

Tabela 1: Odporność na wirowanie i parametry pieczenia. Jednostki prędkości wirowania w x g uwzględniają układ TEM o średnicy 3 mm. Pieczenie odbywa się na płycie grzejnej dla PMMA. HSQ13 nie jest wymagane pieczenie. Rezystor HSQ jest przechowywany w lodówce, więc przed wirowaniem musi się ogrzać do temperatury pokojowej.

3. Załaduj próbkę do STEM, zmapuj współrzędne okna i wykonaj ogniskowanie w wysokiej rozdzielczości

  1. Zamontuj chip TEM z powłoką rezystancyjną na uchwycie próbki STEM, upewniając się, że interfejs rezyspcja-próżnia jest skierowany w stronę wiązki przychodzącej, ponieważ wiązka jest optymalnie skupiona w górnej części próbki. Upewnij się również, że boki okna TEM są w przybliżeniu wyrównane z osiami x i y etapu STEM. Ułatwi to nawigację do okna TEM.
    1. Załaduj chip TEM do mikroskopu i pompuj przez noc, aby zmniejszyć zanieczyszczenia w komorze próbki.
  2. Przesuń współrzędne stolika (x, y) w taki sposób, aby wiązka znajdowała się w odległości większej niż 100 μm od środka okna TEM (aby uniknąć przypadkowego narażenia). Ustaw prąd i energię wiązki sondy STEM odpowiednio na 34 pA i 200 keV.
  3. W obrazowaniu w trybie dyfrakcyjnym (wiązka stacjonarna, tryb kontrastu z i średniokątowy pierścieniowy detektor ciemnego pola) ustaw powiększenie na 30 kX, gdy wiązka jest nieostra, co ułatwia znalezienie krawędzi okna TEM.
    UWAGA: Krawędzie okienka TEM można również znaleźć w trybie obrazowania. Używamy trybu dyfrakcyjnego, ponieważ jest szybszy, ponieważ wiązka nie musi być skanowana, aby utworzyć obraz.
  4. Nawiguj w kierunku okna TEM, aż na obrazie dyfrakcyjnym zostanie zaobserwowana krawędź okna. Poruszaj się wzdłuż krawędzi okna i zapisz współrzędne (x, y) czterech rogów okna TEM.
  5. W ostatnim narożniku okna zwiększ powiększenie do 50 kX i wykonaj zgrubne ogniskowanie na membranie okna, przesuwając współrzędną z stolika (regulacja wysokości z), aż do zaobserwowania skrzyżowania orientacji wzoru dyfrakcyjnego. Następnie wykonaj precyzyjne ustawianie ostrości, regulując prąd obiektywu.
  6. Zwiększ powiększenie do 180 kX. Dostosuj ustawienia ostrości, stygmatyzacji i korekcji aberracji, aby uzyskać obraz dyfrakcyjny membrany okiennej z korekcją aberracji, jak pokazano na Rysunek 2B. Ta metoda ustawiania ostrości jest znana jako metoda Ronchigrama14.

figure-protocol-2
Rysunek 2: Obraz dyfrakcyjny membrany okiennej TEM. (A) Skoncentrowany, ale stygmatyczny obraz. Ustawienia korekcji aberracji dla tego obrazu nie są optymalne, o czym świadczą blisko rozmieszczone prążki dyfrakcyjne. (B) Gotowy do ekspozycji, niestygmatyzowany obraz przedstawiający gładki wzór dyfrakcyjny plateau. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

4. Eksponuj wzorce za pomocą STEM z korekcją aberracji, wyposażonym w system generatora wzorców.

Uwaga: STEM z korekcją aberracji używany w tej pracy jest wyposażony w system generatora wzorców (PGS), który kontroluje pozycję wiązki elektronów, aby odsłonić wzorce zdefiniowane za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Dawka jest kontrolowana poprzez zdefiniowanie odstępów między punktami ekspozycji (wielkość kroku) i czasu ekspozycji na punkt. Tabela 2 podsumowuje parametry ekspozycji stosowane w tym protokole. Wzorce są uwidaczniane w środku okna TEM w "trybie ciągłym", ponieważ STEM użyty w tej pracy nie zawiera wygaszacza wiązki. Przed i po ekspozycji PGS ustawia wiązkę w dowolnym zdefiniowanym przez użytkownika punkcie w polu widzenia (FOV), najlepiej z dala od obszaru wzoru. W tym protokole używamy prawego górnego i prawego dolnego rogu pola widzenia jako odpowiednio początkowej i końcowej pozycji belki.

szt. szt. szt. T szt.
OdpornośćEkspozycja punktu rastrowegoEkspozycja liniiEkspozycja obszaru
Dawka
(fC/kropka)		Rozmiar kroku
(nm)		Dawka
(nC/cm)		Rozmiar kroku
(nm)		Dawka
(μC/cm2)
Pozytywny ton PMMA10-1000,52–80,52 000
Negatywny ton PMMA50-5000,520–400,550 000–80 000
HSQ (Jednostka Zarządzania10-1000,510–200,520 000–30 000

Tabela 2: Parametry ekspozycji dla PMMA (ton dodatni i negatywny) oraz odporności HSQ. Podane wartości są ogólne, ponieważ optymalne wartości dawki zależą od konkretnego projektu wzoru i docelowych wymiarów funkcji.

  1. Zamknij zasuwę belki, aby uniknąć przypadkowego odsłonięcia rezystu podczas przesuwania sceny. Sprawdź, czy prąd wiązki wynosi 34 pA, a powiększenie 180 kX.
  2. Użyj wstępnie zarejestrowanych współrzędnych narożnika okna, aby przesunąć stolik tak, aby środek pola widzenia znajdował się w odległości 5 μm od środka okna. Otwórz zasuwę belki i ustaw ostrość w tym miejscu za pomocą metody Ronchigrama opisanej w kroku 3.6.
  3. Zamknij zasuwę belki. Przesuń stół montażowy, aby umieścić pole widzenia na środku okna TEM. Zmień powiększenie na 18 kX (co odpowiada polu widzenia wzoru 5 μm x 5 μm). Przenieś sterowanie wiązką do PGS i ustaw belkę w dowolnym miejscu poza obszarem wzoru (w tym protokole używamy prawego górnego rogu).
  4. Wykonaj następujące czynności w krótkich odstępach czasu, aby uniknąć prześwietlenia oporu w początkowej i końcowej pozycji belki.
    1. Otwórz zasuwę i sprawdź, obserwując obraz wzoru dyfrakcji wiązki, czy wiązka jest zogniskowana w początkowym położeniu wiązki (jak w Rysunek 2B). Odświetl wzór.
    2. Po zakończeniu ekspozycji sprawdź, czy obraz wzoru dyfrakcyjnego pozostaje ostry w końcowej pozycji wiązki. Na koniec zamknij zasuwę.
  5. Wyjmij chip TEM z trzpienia.

5. Odporność na rozwój i wysychanie w punkcie krytycznym

Uwaga: Proces rozwoju zależy od użytego oporu. Kroki 5.1, 5.2 i 5.3 opisują proces tworzenia odpowiednio dla PMMA o dodatnim tonie, PMMA o ujemnym tonie i HSQ. Jednak wszystkie rezystu mają ten sam końcowy proces suszenia w punkcie krytycznym, który jest niezbędny, aby uniknąć zapadania się wzoru ze względu na wysoki współczynnik proporcji wzorów wytwarzanych za pomocą tego protokołu. Suszenie w punkcie krytycznym (CPD) wykorzystuje ciekły CO2 jako płyn roboczy, który nie miesza się z wodą. W związku z tym odwodnienie próbki (kroki 5.4-5.7) wymaga użycia odczynnika klasy ACS alkoholu izopropylowego (IPA).

  1. Opracowanie dodatniego tonu PMMA15: Przygotuj 100-mililitrową zlewkę z roztworem 3:1 IPA:metyloizobutyloketonu (MIBK). Umieścić zlewkę w cyrkulatorze kąpielowym o temperaturze 0 °C (łaźnia lodowa o temperaturze 0 °C jest tańszą alternatywą) i poczekać, aż temperatura się wyrówna. Chwyć chip TEM pęsetą i delikatnie mieszaj go w zimnym roztworze przez 30 sekund. Przejdź do kroku 5.4.
  2. Opracowanie PMMA16: Delikatnie mieszaj chip TEM w MIBK w temperaturze pokojowej (24 °C) przez 2 minuty. Przenieś próbkę do roztworu acetonu i mieszaj przez 3 minuty. Przejdź do kroku 5.4.
  3. Opracowanie HSQ13: Mieszaj chip TEM w "słonym" roztworze wody dejonizowanej, zawierającym 1 % wag. NaOH i 4 % wag. NaCl, przez 4 minuty w temperaturze 24 °C. Mieszaj chip w czystej wodzie dejonizowanej przez 2 minuty (aby spłukać słony wywoływacz). Przejdź do kroku 5.4.
  4. Zanurz chip TEM w odczynniku klasy ACS IPA i delikatnie mieszaj przez 30 sekund.
  5. Szybko umieść chip TEM na specjalnej 2-calowej płytce krzemowej pokazanej na Rysunek 3A. Upewnij się, że chip TEM jest zawsze mokry z IPA podczas transferu. Po około 2-3 minutach zamknij zespół uchwytu wafla CPD, jak pokazano na rysunku Rysunek 3B. Pozostaw całe urządzenie nasączone odczynnikiem ACS klasy IPA przez dodatkowe 15 minut całkowicie zanurzone w IPA.
  6. Szybko przenieś kompletny zestaw uchwytu wafla CPD do drugiego pojemnika ze świeżym odczynnikiem ACS klasy IPA i pozostaw na 15 minut całkowicie zanurzony w IPA.
  7. Przenieś zespół uchwytu płytki CPD do komory procesowej przyrządu CPD (przez cały czas chip TEM powinien być całkowicie zanurzony w IPA). Uruchom proces CPD zgodnie z instrukcją obsługi przyrządu.

figure-protocol-3
Rysunek 3: Własne rozwiązanie do odwadniania chipów TEM w standardowym uchwycie na płytki CPD 2". (A) Schematyczny widok z boku chipa TEM na specjalnej 2-calowej płytce Si z małym otworem wywierconym pośrodku (o średnicy około 500 μm), aby umożliwić przepływ cieczy. Płytka mieści się w standardowym uchwycie na płytki CPD 2" dostarczonym przez producenta systemu CPD. (B) Druga specjalna płytka krzemowa otacza chip TEM, zmniejszając w ten sposób przepływ turbulentny podczas procesu CPD. W A i B uchwyt płytki CPD jest całkowicie zanurzony w odczynniku klasy ACS IPA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rysunek 4 pokazuje wzory litograficzne na PMMA o dodatnim tonie (opór usunięty z odsłoniętych obszarów po wywołaniu) i ujemnym tonie PMMA (opór usunięty z obszarów nienaświetlonych). Okna TEM składały się z rezystancji PMMA o grubości około 30 nm dla spinu PMMA o dodatnim tonie (15 nm grubości dla PMMA o ujemnym tonie) odlewanego na membranie SiNx o grubości 5 nm. Cienka metaliczna warstwa (10 nm AuPd ponad 5 nm Ti) została osadzona po opracowaniu dodatniego tonu PMMA w celu zwiększenia kontrastu podczas obrazowania STEM. W przypadku PMMA o dodatnim tonie średnia najmniejsza izolowana cecha wynosi 2,5 ± 0,7 nm (Rysunek 4C, 4D), podczas gdy najmniejszy wzór skoku wynosi 17,5 nm (Rysunek 4F). W przypadku PMMA o ujemnym tonie średnia najmniejsza izolowana cecha wynosi 1,7 ± 0,5 nm (Rysunek 4G), podczas gdy najmniejszy wzór skoku wynosi 10,7 nm (Rysunek 4J).

figure-results-1
Rysunek 4: Litografia wiązką elektronów z korekcją aberracji dodatniego i ujemnego PMMA. (Cienka warstwa 10 nm AuPd nad 5 nm Ti została osadzona na wszystkich dodatnich wzorcach PMMA pokazanych na tym rysunku.) (A) Obraz SEM dowolnych wzorców w dodatnim tonie PMMA. (B) Obraz TEM dowolnych wzorców w PMMA o barwie ujemnej. (C,D) Obrazy SEM najmniejszych wzorzystych otworów w dodatnim tonie PMMA, o średniej średnicy otworu 2,5 ± 0,7 nm. (E,F) Obrazy SEM układów otworów zdefiniowanych na dodatnim tonie PMMA o rastrze 21,5 nm (E) i 17,5 nm (F). (G,H) Obrazy TEM matryc filarów z PMMA o barwie ujemnej 20 nm i średniej średnicy słupa 1,7 ± 0,5 nm (G) i 1,8 ± 0,5 nm (H). (I,J) Obrazy TEM negatywnych matryc filarów PMMA o rastrze 15,2 i 10,7 nm. Wszystkie podziałki mają długość fali 40 nm. Rysunek ten został odtworzony z Manfrinato, V.R., Stein, A., Zhang, L., Nam, C.-Y., Yager, K.G., Stach, E.A. i Black, C.T. Litografia wiązki elektronów z korekcją aberracji w skali długości jednego nanometra. Nano Lett. 17 (8), 4562-4567 (2017). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5 przedstawia wzorce zdefiniowane na odporności HSQ. Okno TEM używane do litografii HSQ składało się z około 10 nm grubości HSQ odlanej na membranę Si o grubości 27 nm. Po ekspozycji i wywołaniu odporności, 3-4 nm ultracienkiej warstwy Si w obszarach wolnych od HSQ (obszary nienaświetlone) okna usunięto za pomocą wytrawiania plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP) przy użyciu mieszaniny 50 gazów sccm HBr i 20 sccm Cl2 przy ciśnieniu w komorze 10 mT (polaryzacja i moc ICP 60 W i 250 W, odpowiednio). Rysunek 5A składa się z czterech rzędów krótkich pionowych linii. Dwa górne rzędy zostały naświetlone dawką liniową stopniowaną wykładniczo od 2 do 120 nC/cm (zaprojektowana szerokość 0 nm dla tych linii). Dwa dolne rzędy naświetlono dawką obszarową zwiększaną wykładniczo od 3 000 do 60 000 μC/cm2 (zaprojektowane prostokąty o szerokości 5 nm i długości 200 nm). Rysunek 5B to powiększony obraz środkowego obszaru dolnego rzędu w Rysunek 5A. Dwie skrajne po lewej, cztery środkowe i cztery skrajne prawe linie zostały naświetlone dawką obszarową odpowiednio 23 300, 27 300 i 32 000 μC/cm2. Cztery linie środkowe mają średnią zmierzoną szerokość 7 nm.

figure-results-2
Rysunek 5: Litografia wiązką elektronów HSQ z korekcją aberracji. (Okno TEM użyte na tym rysunku zostało wykonane z krzemu o grubości 27 nm. Po opracowaniu HSQ zastosowano indukcyjne wytrawianie plazmą sprzężoną w celu usunięcia 3-4 nm Si z obszarów nieobjętych HSQ.) (A) Obraz TEM czterech rzędów pionowych linii naświetlonych dawkami zmieniającymi się wykładniczo od 2 do 120 nC/cm (dwa górne rzędy) i od 3 000 do 60 000 μC/cm2 (dwa dolne rzędy). Wielkość kroku wiązki wynosiła 0,5 nm dla wszystkich linii. (B) Obraz TEM w dużym powiększeniu środkowego obszaru dolnego rzędu w (A). Grupa 4 linii w środku ma średnią zmierzoną szerokość 7 nm i została naświetlona dawką obszarową 27 300 μC/cm2. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Najważniejszym krokiem w protokole jest skupienie wiązki elektronów przed ekspozycją. Jest to konieczne, aby uzyskać wzór w najwyższej rozdzielczości. Podczas wykonywania wielokrotnych ekspozycji (np. gdy chip TEM ma wiele okien, a każde z nich jest wzorowane), ważne jest, aby ponownie ustawić ostrość wiązki przed każdą ekspozycją w odległości co najwyżej 5 μm od obszaru ekspozycji. Protokół zawiera również kroki sprawdzające skupienie wiązki przed i po ekspozycji w dwóch skrajnych pozycjach obszaru wzoru (górny i dolny róg), co pozwala określić, czy podczas tworzenia wzoru wystąpiło pewne rozogniskowanie, na przykład z powodu lokalnego przekrzywienia membrany w obszarze wzoru.

Kolejnym ważnym krokiem w tym protokole jest zastosowanie suszenia w punkcie krytycznym (CPD) do suszenia próbek po opracowaniu odsłoniętych wzorów rezystancji. Bez tego kroku wzory często będą się zapadać ze względu na wysoki współczynnik kształtu struktur wzorzystych (tj. wzorzyste wymiary boczne są mniejsze niż grubość). Większość systemów CPD jest wyposażona w standardowy 2-calowy uchwyt na płytki. Ponieważ jednak chipy TEM są bardzo małe, a wzorzyste struktury są dość delikatne, mogą ulec uszkodzeniu podczas procesu CPD, gdy zostaną umieszczone w uchwytach przeznaczonych do większych próbek. Rysunek 3 przedstawia wewnętrzne rozwiązanie do doskonalenia zawodowego chipów TEM przy użyciu standardowego uchwytu na płytki. Dwie płytki, z otworem umożliwiającym przepływ pośrodku, otaczają chip TEM i chronią go przed turbulentnym przepływem podczas procesu CPD.

Określenie optymalnej grubości warstwy rezystancyjnej ma na celu zrównoważenie konkurencyjnych wymagań. Z jednej strony powinien być tak cienki, jak to tylko możliwe, aby osiągnąć najwyższą rozdzielczość i uniknąć zapadania się wzoru, ale z drugiej strony powinien być wystarczająco gruby do zastosowań związanych z przenoszeniem wzorów, takich jak zdejmowanie i trawienie. Protokół ten wykorzystuje 1% HSQ, który jest najniższym dostępnym na rynku rozcieńczeniem i którego dalsze rozcieńczanie w laboratorium nie jest zalecane (z naszego doświadczenia wynika, że rozcieńczony HSQ często prowadzi do częściowego sieciowania). Ponieważ jednak rozcieńczony PMMA daje powtarzalne wyniki, protokół ten wykorzystuje 1% dla dodatniego tonu PMMA (grubość 30 nm) oraz 0,5% i 1% dla tonu ujemnego (odpowiednio grubość 15 i 30 nm). Odkryliśmy, że rezystancja PMMA o dodatnim tonie nie ulega zapadaniu się wzoru, tak jak ma to miejsce w przypadku PMMA o ujemnym tonie, stąd zastosowanie cieńszej grubości dla tonu ujemnego, jak pokazano w tabeli 1. Ponadto PMMA o ujemnym tonie ma ~50% utratę grubości po ekspozycji wiązką elektronów (i przed wywołaniem), więc ostateczna grubość dla PMMA o ujemnym tonie wynosi ~7 do 15 nm. (Cechy 1,7 i 1,8 nm z rysunku 4 mają grubość oporu około 7 nm, co jest granicą zapadania się wzoru). Wzorce PMMA pokazane na rysunku 4 nie wykorzystywały kroku CPD; jednakże, jeśli jest dostępny, protokół ten zaleca stosowanie CPD po opracowaniu wzorców PMMA. W przeciwieństwie do tego, stwierdziliśmy, że CPD ma kluczowe znaczenie dla przetwarzania HSQ ze względu na fakt, że nie można go dalej rozcieńczać (w celu uzyskania cieńszej grubości) oraz dlatego, że potrzebne są grubsze wzory HSQ do użycia jako maska trawiąca (np. do wytrawiania krzemu, jak pokazano na rysunku 5).

Wzory PMMA o dodatnim tonie na rysunku 4 zostały pokryte cienką metaliczną folią w celu zwiększenia kontrastu podczas obrazowania. Informacje uzupełniające w pracy Manfrinato i wsp. 1 pokazuje, że wpływ tej metalicznej powłoki na metrologię wzorów jest znikomy. Podobnie uważamy, że wyniki pokazane na rysunku 5 dla oporu HSQ nie zależą drastycznie od konkretnego wyboru struktury okna TEM w oparciu o ultracienką grubość leżącej pod spodem warstwy Si.

Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, wszystkie pomiary opisane w Sekcji Reprezentatywnych Wyników dla PMMA1 o tonie dodatnim i ujemnym (Rysunek 4) są najmniejszymi cechami opisanymi w literaturze do tej pory 1,7,12,16,17. Manfrinato i wsp. 1 wykazał również przenoszenie wzoru poniżej 5 nm, od rezystu do materiału docelowego, przy użyciu konwencjonalnego liftingu metalu (dla dodatniego tonu PMMA) i sekwencyjnej syntezy infiltracji18 ZnO (dla PMMA o ujemnym tonie). Wyniki pokazane na rysunku 5 dla HSQ nie są najmniejszymi zgłoszonymi cechami7. Protokół ten jest jednak przydatny do uzyskiwania powtarzalnych cech w HSQ w rozdzielczościach lepszych niż 10 nm i demonstruje jednocyfrowe wzorce struktur krzemowych.

Przedstawiony tutaj protokół opisuje proces modelowania dowolnych struktur z jednocyfrową rozdzielczością nanometrową przy użyciu konwencjonalnych rezystancji wiązki elektronów PMMA i HSQ. Ponadto wyniki pokazane tutaj i w Ref. 1 pokazują, że takie wzory mogą być przenoszone z dużą wiernością na wybrany materiał docelowy.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tym badaniu wykorzystano zasoby Centrum Funkcjonalnych Nanomateriałów, które jest obiektem naukowym Biura Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, w Brookhaven National Laboratory na podstawie umowy nr. DE-SC0012704.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Plazma asherPlasma EtchPE-75Znajduje się w pomieszczeniu czystym klasy 100
Azotek krzemu o grubości 5 nm TEM Windows (9 MAŁYCH okien) TEMwindows.com SN100-A05Q33A
TEM do powlekaniarezystancyjnego Domowy
c-Si TEM o grubości 27 nm WindowsTEMwindows.comNa zamówienie A2
950K PMMA rozcieńczony w anizolu do 0,5-1,0% wagowoMicroChemM230002
HSQ (1% ciał stałych XR-1541) rezystancja wiązki elektronicznej w MIBKDow CorningXR-1541-001
SpinnerReynolds TechReynoldsTech Flo-Spin systemZnajduje się w pomieszczeniu czystym klasy 100
Płyta grzejnaBrewer ScienceCEE 1300XZnajduje się w pomieszczeniu czystym klasy 100
Reflektometr spektralnyFilmetricsF20Znajduje się w pomieszczeniu czystym klasy 1000
Cyrkulator kąpielowyThermo ScientificNeslab RTE 740Znajduje się w pomieszczeniu czystym klasy 100
Optyczny mikroskopNikonEclipse L200NZnajduje się w pomieszczeniu czystym klasy 1000
MIBK/IPA 1:3 deweloperMicroChemM089025 
Wodorotlenek soduSigma-Aldrich221465
Chlorek soduSigma-Aldrich31434
Alkohol izopropylowy, klasa odczynnika ACSFisher ScientificMK303202
Uchwyt na chip TEM do suszeniaDomowej roboty
System suszenia w punkcie krytycznymTousimisAutosamdri-815B, seria CZnajduje się w pomieszczeniu czystym klasy 100
STEM z korekcją aberracjiHitachiHD 2700C
JC Nabity Lithography SystemsNPGS v9 
Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)HitachiS-4800
Reaktywny wytrawiacz jonowyOxford InstrumentsPlasmalab 100 Znajduje się w pomieszczeniu czystym klasy 1000
Uchwyt chipowy w punkcie krytycznym System generowania wzorów

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Manfrinato, V. R., Stein, A., Zhang, L., Nam, C. Y., Yager, K. G., Stach, E. A., Black, C. T. Aberration-Corrected Electron Beam Lithography at the One Nanometer Length Scale. Nano Letters. 17 (8), 4562-4567 (2017).
  2. Chen, W., Ahmed, H. Fabrication of 5-7 nm wide etched lines in silicon using 100 keV electron-beam lithography and polymethylmethacrylate resist. Applied Physics Letters. 62 (13), 1499-1501 (1993).
  3. Vieu, C., Carcenac, F., Pepin, A., Chen, Y., Mejias, M., Lebib, A., Manin-Ferlazzo, L., Couraud, L., Launois, H. Electron beam lithography: resolution limits and applications. Applied Surface Science. 164, 111-117 (2000).
  4. Hu, W., Sarveswaran, K., Lieberman, M., Bernsteina, G. H. Sub-10 nm electron beam lithography using cold development of poly(methylmethacrylate). Journal of Vacuum Science & Technology B. 22 (4), 1711-1716 (2004).
  5. Chen, Y. Nanofabrication by electron beam lithography and its applications: A review. Microelectronic Engineering. 135, 57-72 (2015).
  6. Jiang, N. On the spatial resolution limit of direct-write electron beam lithography. Microelectronic Engineering. 168, 41-44 (2017).
  7. Manfrinato, V. R., Zhang, L., Su, D., Duan, H., Hobbs, R. G., Stach, E. A., Berggren, K. K. Resolution Limits of Electron-Beam Lithography toward the Atomic Scale. Nano Letters. 13 (4), 1555-1558 (2013).
  8. Isaacson, M., Muray, A. In situ vaporization of very low molecular weight resists using 1/2 nm diameter electron beams. Journal of Vacuum Science & Technology B. 19 (4), 1117-1120 (1981).
  9. van Dorp, W. F., van Someren, B., Hagen, C. W., Kruit, P. Approaching the Resolution Limit of Nanometer-Scale Electron Beam-Induced Deposition. Nano Letters. 5 (7), 1303-1307 (2005).
  10. Fuechsle, M., Miwa, J. A., Mahapatra, S., Ryu, H., Lee, S., Warschkow, O., Hollenberg, L. C. L., Klimeck, G., Simmons, M. Y. A single-atom transistor. Nature Nanotechnology. 7 (4), 242-246 (2012).
  11. Randall, J. N., Lyding, J. W., Schmucker, S., Von Ehr, J. R., Ballard, J., Saini, R., Xu, H., Ding, Y. Atomic precision lithography on Si. Journal of Vacuum Science & Technology B. 27 (6), 2764-2768 (2009).
  12. Arjmandi, N., Lagae, L., Borghs, G. Enhanced resolution of poly(methyl methacrylate) electron resist by thermal processing. Journal of Vacuum Science & Technology B. 27 (4), 1915-1918 (2009).
  13. Yang, J. K. W., Berggren, K. K. Using high-contrast salty development of hydrogen silsesquioxane for sub-10-nm half-pitch lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 25 (6), 2025-2029 (2007).
  14. Lin, J. A., Cowley, J. M. Calibration of the operating parameters for an HB5 STEM instrument. Ultramicroscopy. 19 (1), 31-42 (1986).
  15. Cord, B., Lutkenhaus, J., Berggren, K. K. Optimal temperature for development of poly(methylmethacrylate). Journal of Vacuum Science & Technology B. 25 (6), 2013-2016 (2007).
  16. Duan, H. G., Winston, D., Yang, J. K. W., Cord, B. M., Manfrinato, V. R., Berggren, K. K. Sub-10-nm half-pitch electron-beam lithography by using poly(methyl methacrylate) as a negative resist. Journal of Vacuum Science & Technology B. 28 (6), C6C58-C6C62 (2010).
  17. Dial, O., Cheng, C. C., Scherer, A. Fabrication of high-density nanostructures by electron beam lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 16 (6), 3887-3890 (1998).
  18. Kamcev, J., Germack, D. S., Nykypanchuk, D., Grubbs, R. B., Nam, C. Y., Black, C. T. Chemically Enhancing Block Copolymers for Block-Selective Synthesis of Self-Assembled Metal Oxide Nanostructures. ACS Nano. 7 (1), 339-346 (2013).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

STEM z korekcj aberracjirezyst PMMArezyst HSQtransfer wzorususzenie w punkcie krytycznymtrawienie plazmowelift off metalunanostrukturyzacja

Powiązane artykuły