Summary
समान आकार नैनोकणों संपर्क छेद पाली (मिथाइल methacrylate) में नमूनों आयाम (PMMA) photoresist फिल्मों इलेक्ट्रॉन बीम (ई-बीम) लिथोग्राफी द्वारा में उतार-चढ़ाव को दूर कर सकते हैं। प्रक्रिया संपर्क छेद में केंद्र और जमा नैनोकणों, photoresist reflow और प्लाज्मा और गीला नक़्क़ाशी कदम के द्वारा पीछा करने के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक funneling शामिल है।
Abstract
नैनो पैटर्न चरम पराबैंगनी (EUV) या इलेक्ट्रॉन बीम (ई-बीम) आकार में लिथोग्राफी प्रदर्शनी अप्रत्याशित बदलाव के साथ गढ़े। इस बदलाव फोटॉनों / इलेक्ट्रॉनों एक दिया नैनो क्षेत्र शॉट-शोर (एस एन) से उत्पन्न होने पर पहुंचने की संख्या में सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव के लिए जिम्मेदार ठहराया गया है। एसएन फोटॉनों / इलेक्ट्रॉनों की एक संख्या का वर्गमूल के व्युत्क्रमानुपाती बदलता रहता है। एक निश्चित खुराक के लिए, एसएन पारंपरिक (193 एनएम) ऑप्टिकल लिथोग्राफी के लिए की तुलना EUV और ई-किरण lithographies में बड़ा है। नीचे से ऊपर और ऊपर से नीचे patterning दृष्टिकोण नैनो छेद patterning में गोली मार दी शोर के प्रभाव को कम करने के लिए संयुक्त रहे हैं। विशेष रूप से, एक सिलिकॉन वेफर पर एक एमिनो silane surfactant स्वयं assembles कि बाद में एक PMMA-आधारित ई-किरण photoresist की एक 100 एनएम फिल्म के साथ स्पिन लेपित है। ई-बीम और बाद के विकास के संपर्क में छेद के नीचे में अंतर्निहित surfactant फिल्म को उजागर। नकारात्मक आरोप लगाया, साइट्रेट से ढकी, 20 एनएम जी के निलंबन में वेफर की सूईवर्ष नैनोकणों (जीएनपी) जमा छेद प्रति एक कण। उजागर छेद में सकारात्मक आरोप लगाया surfactant फिल्म electrostatically एक उजागर छेद है, जो स्थायी रूप से स्थितीय रजिस्ट्री फिक्स की केंद्र के लिए नकारात्मक आरोप लगाया nanoparticle funnels। अगले, photoresist बहुलक का गिलास संक्रमण तापमान के पास गर्म करके, photoresist फिल्म reflows और नैनोकणों समाई है। इस प्रक्रिया के छेद एस.एन. से प्रभावित मिटा देता है, लेकिन मजबूत इलेक्ट्रोस्टैटिक बंधन से घर में बंद जमा GNPs छोड़ देता है। ऑक्सीजन प्लाज्मा के साथ उपचार photoresist की एक पतली परत नक़्क़ाशी द्वारा GNPs को उजागर करता है। मेरे पास 2 का एक समाधान के साथ गीले-नक़्क़ाशी उजागर GNPs / KI वर्दी ई-बीम लिथोग्राफी द्वारा नमूनों indentations के केंद्र में स्थित छेद अर्जित करता है। प्रयोगों चलता है कि दृष्टिकोण 10% से नीचे करने के लिए 35% से एसएन की वजह से छेद के आकार में भिन्नता को कम कर देता प्रस्तुत किया। विधि नीचे 20 एनएम ट्रांजिस्टर संपर्क छेद के patterning सीमा फैली हुई है।
Introduction
कम्प्यूटेशनल क्षमता में तेजी से विकास, के रूप में मूर के नियम 1, 2 (1) द्वारा मात्रा, ऑप्टिकल लिथोग्राफी में प्रगतिशील अग्रिमों का परिणाम है। यह ऊपर से नीचे patterning तकनीक, प्राप्त संकल्प, आर में, जाने-माने रॉली प्रमेय 3 द्वारा दिया जाता है:
इधर, λ और एनए प्रकाश तरंग दैर्ध्य और संख्यात्मक एपर्चर, क्रमशः रहे हैं। ध्यान दें कि एनए = η · sinθ, जहां η लेंस और वेफर के बीच माध्यम का अपवर्तनांक है; θ = तन -1 (डी / 2L) व्यास के लिए, डी, लेंस की, और दूरी, एल, लेंस और वेफर के केंद्र के बीच। पिछले पचास वर्षों में, पत्थर के छापे संकल्प (क) प्रकाश स्रोत के उपयोग के माध्यम से सुधार हुआ हैएस, excimer लेजर, उत्तरोत्तर छोटे यूवी तरंग दैर्ध्य के साथ शामिल हैं; (ख) चतुर ऑप्टिकल डिजाइन चरण पारी मास्क 4 रोजगार; और (ग) उच्च एनए। हवा (η = 1) में जोखिम के लिए, एनए हमेशा कम एकता से है, लेकिन एक तरल शुरू करने से है इस तरह के पानी के रूप में 5 η> 1,, लेंस और वेफर के बीच के साथ, एनए 1 ऊपर उठाया जा सकता है, जिससे विसर्जन लिथोग्राफी के संकल्प में सुधार। वर्तमान में एक 20 एनएम नोड के लिए व्यवहार्य रास्तों और परे चरम यूवी स्रोतों (λ = 13 एनएम) या patterning तकनीक एक बहुपरती photoresist 6, 7 के जटिल डबल और चौगुनी संसाधन का उपयोग भी शामिल है।
नैनोमीटर लंबाई तराजू, सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव, शॉट-शोर (एस एन) की वजह से, lithogra के आयामों में एक नैनो क्षेत्र कारण परिवर्तन के भीतर पहुंचने फोटॉनों की संख्या में हैं पर phic पैटर्न। इन प्रभावों को उच्च ऊर्जा EUV प्रकाश और ई-मुस्कराते हुए, प्रणाली की जरूरत है कि परिमाण कम फोटॉनों / कणों के आदेश सामान्य ऑप्टिकल लिथोग्राफी 8 की तुलना करने के लिए जोखिम के साथ और अधिक स्पष्ट कर रहे हैं। अति सूक्ष्मग्राही रासायनिक प्रवर्धित (एक क्वांटम दक्षता के साथ> 1) photoresists भी एक रासायनिक photoreactive अणुओं की संख्या में परिवर्तन की वजह से एसएन उजागर nanoregions 9 में लागू करने, 10। कम संवेदनशीलता photoresists कि अब निवेश की जरूरत है इन प्रभावों को दबाने, लेकिन वे भी throughput कम।
आणविक स्तर पर, योगदान आणविक आकार के वितरण photoresist पॉलिमर के लिए निहित से लाइन-किनारे करने के लिए तैयार नहीं खुरदरापन आणविक 11 का उपयोग करके कम किया जा सकता है। एक दृष्टिकोण है कि नैनो की patterning यह ऊपर से नीचे प्रसंस्करण के लिए पूरक है, नीचे से ऊपर तरीकों 12 का इस्तेमाल होता हैएस = "xref"> 13 कि diblock पॉलिमर 14 का निर्देश दिया आत्म विधानसभा (डीएसए) पर विशेष रूप से निर्भर हैं। केंद्रक को निर्देशित करने के लिए और इस तरह के छेद या लाइनों के रूप में वांछित पैटर्न के बीच गैर वर्दी रिक्ति बनाने के लिए इन प्रक्रियाओं की क्षमता, चुनौती बनी हुई है। आणविक घटकों 15 के आकार के वितरण, 16 भी पैमाने पर और निर्माण 17, 18 की उपज को सीमित करता है। इसी प्रकार की समस्याओं नरम लिथोग्राफी 19 में नैनोकणों के microcontact मुद्रण की सीमा।
यह पत्र एक नई संकर दृष्टिकोण (चित्रा 1) कि electrostatically निर्देशित विधानसभा स्वयं के साथ क्लासिक ऊपर से नीचे प्रक्षेपण लिथोग्राफी जोड़ती एसएन / लाइन बढ़त खुरदरापन (LER) 20 के प्रभाव को कम करने के लिए के अध्ययन प्रस्तुत करता है। (2-aminoethyl) - सकारात्मक आत्म इकट्ठे monolayers एन की (SAMs) पर amine समूहों का आरोप लगाया-11 अमीनो undecyl-methoxy-silane (AATMS) PMMA फिल्म अंतर्निहित विकास के बाद सामने आ रहे हैं। एसएन प्रभावित छेद 25 में 24 - PMMA की नकारात्मक आरोप लगाया photoresist फिल्म electrostatically नकारात्मक, सोने के नैनोकणों (GNPs), साइट्रेट के साथ छाया आरोप लगाया funnels 21। पुनः प्रवाह PMMA photoresist की फिल्म में predeposited नैनोकणों समाई है।
चित्रा 1: रणनीति की योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व सटीक आकार के एनपीएस का उपयोग कर संपर्क छेद के patterning के लिए शॉट शोर और लाइन किनारे खुरदरापन के प्रभाव को दूर करने के लिए। इधर, महत्वपूर्ण आयाम (सीडी) छेद के वांछित व्यास है। दृष्टिकोण (चरण 1) silane अणु के एक आत्म इकट्ठे monolayer (एसएएम) ऑक्साइड सर्फ पर असर सकारात्मक आरोप लगाया amine समूहों जमा करने के साथ शुरू होता हैएक सिलिकॉन वेफर का इक्का। इसके बाद, ई-बीम लिथोग्राफी पैटर्न के लिए छेद प्रयोग किया जाता है (चरण 2 और 3) PMMA photoresist फिल्म, नीले रंग की परत, के रूप में इनसेट SEM छवि में सचित्र है, जो शॉट-शोर उत्पन्न करता है। लिथोग्राफी छेद के नीचे amine समूहों को उजागर करता है। चरण 4 नियंत्रित आकार, साइट्रेट से ढकी (नकारात्मक आरोप लगाया) इलेक्ट्रोस्टैटिक funneling (एफई) का उपयोग कर पत्थर के छापे से छापने से नमूनों छेद में सोने के नैनोकणों (GNPs) के जलीय चरण बयान पर जोर देता। चरण 5, 100 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने वेफर, PMMA, 110 डिग्री सेल्सियस के कांच संक्रमण तापमान नीचे में, चारों ओर पूर्व जमा नैनोकणों photoresist की reflow का कारण बनता है। नक़्क़ाशी उजागर कणों की ऑक्सीजन प्लाज्मा (चरण 6) GNPs को उजागर करता है, और बाद में गीला नक़्क़ाशी (आयोडीन) (चरण 7) के साथ PMMA मढ़ा GNPs के आकार के लिए इसी छेद बनाता है। जब प्रतिक्रियाशील आयन / गीला नक़्क़ाशी के साथ युग्मित, यह 2 Sio (चरण 8), 31 को photoresist में छेद पैटर्न हस्तांतरण करने के लिए संभव है। फिर सेसंदर्भ 20 से अनुमति के साथ छपी। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
oppositely आरोप लगाया GNPs और सब्सट्रेट पर अमाइन समूहों के बीच बातचीत इलेक्ट्रोस्टैटिक बाध्यकारी साइट से GNPs के विस्थापन से बचाता है। reflow कदम GNPs के रिश्तेदार स्थान रखता है लेकिन छेद और एस.एन. / LER के प्रभाव को मिटा देता है। प्लाज्मा / गीला नक़्क़ाशी कदम छेद सकल घरेलू उत्पाद का आकार है कि पुनर्जन्म। रिएक्टिव आयन नक़्क़ाशी 2 Sio हार्ड मुखौटा परतों को अपने पैटर्न हस्तांतरण। विधि एक नमूनों nanohole (एनएच) की तुलना में अधिक समान आकार नैनोकणों के प्रयोग पर निर्भर करता है, मानक विचलन के रूप में व्यक्त σ, इस तरह के सकल घरेलू उत्पाद σ <राष्ट्रीय राजमार्ग σ है। इस रिपोर्ट में यह कदम (4 और 5 चित्रा 1 में वर्णित) फैलाव और से नैनोकणों के बयान को शामिल करने पर केंद्रितउनके आसपास photoresist की reflow फायदे और विधि की सीमाओं का आकलन करने के लिए। दोनों चरणों के लिए सिद्धांत रूप में कर रहे हैं, बड़े substrates के लिए स्केलेबल, चिप्स पर आधुनिक एकीकृत सर्किट के उत्पादन के वर्तमान प्रवाह का कोई व्यापक संशोधन की जरूरत पड़ेगी।
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Protocol
1. Derivatize और सिलिकॉन वेफर्स की सतह विशेषताएँ
- अमेरिका के रेडियो निगम (आरसीए) सफाई समाधान SC1 और SC2 का उपयोग कर वेफर्स की सतह को साफ करें।
- Volumetrically निम्नलिखित रसायनों के मिश्रण से SC1 और SC2 तैयार:
SC1: एच 2 ओ 2: एनएच 4 OH: एच 2 ओ = 1: 1: 5 वी / वी और SC2: एच 2 ओ 2: एचसीएल: एच 2 ओ = 1: 1: 5 वी / वी।- 70 डिग्री सेल्सियस पर 10 मिनट के लिए SC1 में वेफर विसर्जित कर दिया, और फिर एक विआयनीकृत पानी से धो प्रदर्शन करते हैं।
- इसी तरह की एक SC2 के लिए प्रोटोकॉल (70 डिग्री सेल्सियस पर 10 मिनट, एक धोने के बाद) का पालन करें।
नोट: सफाई प्रक्रिया जैविक और ईओण दोष निकालता है और सिलिकॉन वेफर्स सिलिकॉन ऑक्साइड सतह पर silanol समूहों उत्पन्न करता है।
- AATMS के साथ सिलिकॉन वेफर्स की सतहों Derivatize
- 0.05 एम AATMS में साफ सिलिकॉन वेफर सेते (डी में तैयारRY टोल्यूनि) 20 मिनट के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर। 5 एक 100 डब्ल्यू sonicator में नाइट्रोजन गैस की एक धारा में 5 मिनट के लिए शुद्ध टोल्यूनि में कमरे के तापमान पर मिनट और सूखे के लिए sonicate।
- Derivatized सिलिकॉन वेफर्स की सतहों विशेषताएँ
- एक गोनियोमीटर और ImageJ सॉफ्टवेयर का उपयोग कर 25 संपर्क कोण को मापने।
- एक ellipsometer का उपयोग कर फिल्मों की मोटाई निर्धारित (वह-ने लेजर प्रकाश स्रोत, λ = 632.8 एनएम, 70 ° तय घटना कोण) 25।
- एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) 25 से सतह मौलिक रचना का अनुमान है।
2. ई-किरण patterning के
- स्पिन कोट photoresist (60 एस के लिए 4000 rpm पर AATMS- derivatized वेफर्स पर 2% पाली (anisole में मिथाइल methacrylate (PMMA))।
- 180 डिग्री सेल्सियस पर फिल्म prebake 120 S photoresist फिल्म शुष्क करने के लिए।
- उपाय photoresist फिल्म मोटाईएक ellipsometer का उपयोग कर। सुनिश्चित करें कि वह-ने लेजर प्रकाश स्रोत, λ = 632.8 एनएम, 70 डिग्री की एक घटना के कोण पर तय हो गई है। नमूना मंच का अनुकूलन डिटेक्टर संकेत अधिकतम करने के लिए इस तरह के सिलिकॉन वेफर के रूप में एक परावर्तक सतह का उपयोग कर। photoresist फिल्म मोटाई मापने के लिए संलग्न पीसी पर ellipsometer माप कार्यक्रम (GEMP) का उपयोग करें; इसके बारे में 100 एनएम होना चाहिए।
- ई-किरण एक्सपोजर:
- एक ई-किरण एलाइनर के एक उच्च निर्वात चैम्बर के लिए वेफर स्थानांतरण।
- एक पोकर डॉट छेद एक इलेक्ट्रॉन बीम (30 केवी वोल्टेज में तेजी, 37 पीए किरण वर्तमान) एक 10 माइक्रोन एपर्चर के माध्यम से गुजर रहा है और एक 24 μC / सेमी 3 खुराक उपलब्ध कराने का उपयोग कर पैटर्न बनाएँ।
- वांछित के रूप में छेद व्यास (80 एनएम) और पिच (200 एनएम) के एक पोकर डॉट प्रकार छेद पैटर्न उत्पादन के लिए आवश्यक पैटर्न पिच और खुराक को समायोजित करें।
- ई-किरण कक्ष से वेफर निकालें।
- Lithographic पैटर्न का विकास:
- शुरूके लिए 70 S मिथाइल isobutyl कीटोन / isopropyl शराब का एक समाधान (: 3 (V v) MIBK / आईपीए, 1) में पैटर्न विकास।
- 30 एस के लिए आईपीए में विसर्जन से अधिक विकसित करने के लिए आगे बढ़ें। 30 एस के लिए विआयनीकृत पानी में धोने से विकास को पूरा करें। नाइट्रोजन गैस की एक धारा में वेफर सूखी।
ई-किरण नमूनों छेद में GNPs 3. बयान
नोट: नमूनों छेद में GNPs के बयान दो अलग अलग तरीकों कार्यरत हैं।
- विसर्जित कर दिया जीएनपी समाधान में पूर्व नमूनों वेफर्स (विधि 1)।
- 24-48 घंटे के लिए सकल घरेलू उत्पाद निलंबन माध्यम में नमूना छोड़ दो, सकल घरेलू उत्पाद का आकार और छेद का व्यास के आधार पर। 7.0 x 10 11 एनपीएस / एमएल युक्त एक 20 एनएम, साइट्रेट से ढकी जीएनपी निलंबन का प्रयोग करें।
नोट: एक 10-100 एनएम से एक जीएनपी आकार और 5.7 से एक एकाग्रता रेंज काम कर सकते हैं एक्स 10 से 12 - 5.7 एक्स 10 के रूप में टेड पेला द्वारा प्रदान की 9 एनपीएस / एमएल,। ध्यान दें कि बयान घनत्व का अनुसरण करता हैप्रसार कानून ̴ (डीटी) 1/2, जहां विकास और टी nanoparticle और बयान समय के प्रसार गुणांक हैं, क्रमशः (यानी, छोटे कणों एक छोटे समय के बयान के लिए, के रूप में संदर्भ 20, चित्रा -2 सी में चर्चा लेने के लिए)।
- 24-48 घंटे के लिए सकल घरेलू उत्पाद निलंबन माध्यम में नमूना छोड़ दो, सकल घरेलू उत्पाद का आकार और छेद का व्यास के आधार पर। 7.0 x 10 11 एनपीएस / एमएल युक्त एक 20 एनएम, साइट्रेट से ढकी जीएनपी निलंबन का प्रयोग करें।
- नमूनों वेफर्स पर स्प्रे जमा GNPs (विधि 2)
- वाष्पीकरण द्वारा GNPs जमा करने के लिए, नमूनों सब्सट्रेट, क्षैतिज रखा पर GNPs का एक समाधान स्प्रे। हाथ से आयोजित स्प्रेयर (विधि 2) इतना है कि स्प्रे सब्सट्रेट सतह के लंबवत निर्देश दिया है ओरिएंट।
- निलंबन के समाधान के लिए पर्याप्त मात्रा स्प्रे पूरे सब्सट्रेट सतह गीला करने के लिए।
नोट: यह 10x द्वारा जीएनपी निलंबन कमजोर करने के लिए एक बड़ा छेद में एकाधिक नैनोकणों मजबूर कर से बचने के लिए आवश्यक हो सकता है। - एक गर्म थाली 30-35 डिग्री सेल्सियस पर 10 मिनट के लिए बनाए रखा नियंत्रित वाष्पीकरण का उत्पादन करने पर नमूने सेते हैं।
- बयान (या तो विधि द्वारा करने के बाद1 या विधि 2), हल्का ultrasonicate (100 डब्ल्यू) 50 S के लिए और नाइट्रोजन गैस की एक धारा में सूखे विआयनीकृत पानी में नमूने हैं।
4. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी इमेजिंग
नोट: शामिल परंपरागत ऊपर से नीचे और पार के अनुभागीय SEM इमेजिंग अध्ययन के दो प्रकार के।
- ऊपर से नीचे SEM छवियों के लिए, photoresist फिल्म को होने वाले नुकसान को रोकने के लिए ~ 300 μA के एक वर्तमान में एक ई-बीम 5 केवी का वोल्टेज में तेजी का उपयोग करें।
सावधानी: संभव सबसे कम वोल्टेज और वर्तमान सेटिंग photoresist में चेन तराश प्रतिक्रियाओं को कम करने के लिए आवश्यक हैं। ये श्रृंखला बँटवारा प्रतिक्रियाओं बहुलक, जो बारी में विरोध reflow नीचे वर्णित कदम के लिए परिचालन तापमान को प्रभावित करता है के कांच संक्रमण तापमान को कम। - क्रॉस-सेक्शन इमेजिंग:
- धूम-कोट मोटी सोने की फिल्म के 10 एनएम PMMA photoresist खत्म आयन बीम नुकसान को रोकने के। एक केंद्रित गा आयन बीम 30 केवी और 93 पर संचालित का प्रयोग करेंपीए छेद के माध्यम से कटौती करने के लिए। अपनी सामान्य क्षैतिज स्थिति से वेफर झुकने से पार अनुभाग SEM छवियों प्राप्त करते हैं।
नमूनों छेद में GNPs आसपास PMMA photoresist की 5. Reflow
- 3 मिनट है, जो पूर्व निर्धारित कांच संक्रमण तापमान नीचे है के लिए टी reflow (100 डिग्री सेल्सियस) पर एक गर्म थाली पर नमूनों substrates गर्मी, टी जी (110 डिग्री सेल्सियस), 950,000 जी / मोल PMMA की; बहुलक के लिए reflow की दर 1.7 ± 0.1 एनएम / एस था।
सावधानी: काफी तेजी से reflow, कि पहले शायद इलेक्ट्रॉन बीम को प्रदर्शन के दौरान बहुलक रीढ़ श्रृंखला की दरार की वजह से स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) के साथ इमेजिंग के दौरान ई-किरण को उजागर किया गया था, नमूनों क्षेत्रों के लिए हुई एक करने के लिए अग्रणी टी जी की कमी। इस अवलोकन जिन्होंने कहा कि एक्स-रे विकिरण के संपर्क टी को कम Keymeulen और सह कार्यकर्ताओं से अध्ययन के द्वारा समर्थित हैPMMA 26 ग्राम।
6. सूखी और गीले खोदना
- ऑक्सीजन प्लाज्मा reflow के बाद PMMA की एक पतली फिल्म के साथ कवर GNPs को बेनकाब करने के साथ पर्याप्त अवधि (55 S) के लिए सूखी-खोदना। ध्यान से एक ellipsometer या पतली फिल्म मोटाई मॉनिटर का उपयोग समय के एक समारोह के रूप में PMMA फिल्म नक़्क़ाशी की दर पर नजर रखने के।
नोट: एक भी छोटे नक़्क़ाशी अवधि GNPs का खुलासा नहीं कर सकते हैं, जबकि बहुत देर के लिए पूरी तरह से नक़्क़ाशी PMMA फिल्म को दूर करेगा। के लिए 950 केडीए PMMA, खोदना दर थी 1.5 एनएम / एस, जरूरत महसूस नक़्क़ाशी समय के 55 S। - Reflow के बाद संपर्क छेद आयोडीन की एक समाधान का उपयोग करने के तल पर गीले खोदना GNPs, आयोडीन क्रिस्टल (2) के 1.0 ग्राम, पोटेशियम आयोडाइड का 4.0 जी (केआई), और विआयनीकृत पानी के 40 एमएल, 10 मिनट के लिए हैं।
नोट: पोटेशियम आयोडाइड समाधान में आयोडीन की घुलनशीलता सुधार और सोने नक़्क़ाशी की सुविधा। आयोडीन के साथ सोने की प्रतिक्रिया (2AU + मेरे पास 2 → 2 aui) सोने का उत्पादनआयोडाइड, जो कमरे के तापमान पर जलीय घोल में थोड़ा घुलनशील है।
7। कण विस्थापन, घनत्व, और भरने के अंश की गणना
- छेद केंद्र और जीएनपी विस्थापन का पता लगाने:
- हाथ से, इन पंक्तियों के चौराहों पर पंक्तियों और छेद, क्रमशः के कॉलम के माध्यम से क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर सबसे फिट सीधे लाइनों की स्थापना की छेद केन्द्रों के लिए आकर्षित (चित्रा 2A और 2 बी)। गणना में कम से कम 500 + छेद को शामिल करें।
- मैन्युअल nanohole (यानी, विस्थापन) जहां यह जमा किया गया था (चित्रा 2 बी) के केंद्र के लिए स्थिति, प्रत्येक nanoparticle रिश्तेदार के आर, का निर्धारण।
- एक मानक स्प्रेडशीट प्रोग्राम का उपयोग कर विस्थापन histograms बनाम कण गिनती निर्धारित करते हैं।
- कण घनत्व की गणना: ρ = N (कणों की संख्या) / इकाई क्षेत्र (माइक्रोन 2):
- सबसे पहले, एक निश्चित चौड़ाई (≈R / 10, जहां आर छेद की त्रिज्या है) के साथ एक अंगूठी की कुंडलाकार क्षेत्र का निर्धारण और दो त्रिज्या (आर 1, आर 2) आर के विस्थापन पर (= (आर 1 से घिरा + आर 2) / 2); ।
- हिस्टोग्राम कदम 7.2 में निर्माण से कणों, एन की संख्या जोड़, क्षेत्र में, ऊपर।
- प्रक्रिया दोहराएँ के रूप में आर के एक समारोह के बारे में 10 बराबर आर = आर, छेद त्रिज्या पर समाप्त कदम उत्पन्न करते हैं।
नोट: के बाद reflow छेद गायब हो जाते हैं, छेद केन्द्रों के लिए सबसे फिट मूल्यों का निर्धारण करने के लिए सकल घरेलू उत्पाद पदों पर सबसे फिट क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर लाइनों आकर्षित। कदम 7.1 में के रूप में कण विस्थापन की गणना और प्रोटोकॉल कदम 7.2-7.4 में चित्रित निम्नलिखित निकालने संयुक्त σ कुल।
नोट: यहाँ, संयुक्त या कुल बयान और reflow कदम के कारण सकल घरेलू उत्पाद के समग्र विस्थापन को दर्शाता है।
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Representative Results
चित्रा 2 80 एनएम व्यास एक 60-100 एनएम-मोटी PMMA इलेक्ट्रोस्टैटिक funneling द्वारा संचालित इस फिल्म में नमूनों छेद में जमा 20 एनएम GNPs की एक SEM छवि को दर्शाता है। दूसरों 22 से मनाया के रूप में, प्रक्रिया छेद प्रति के बारे में एक कण में हुई। छेद के केन्द्र के आसपास के कणों का वितरण गाऊसी (शीर्ष सही इनसेट) था। अधिकांश छेद (93%) एक जीएनपी निहित है, और इन कणों का 95% केंद्र के 20 एनएम के भीतर हुई। इसके अलावा अनुकूलन, अन्यत्र चर्चा की, भरण-अंश और GNPs 20, 25 के एकत्रित सुधार की जरूरत है। चित्रा 2 बी और -2 सी वेफर के बड़े क्षेत्रों, पहले और photoresist की reflow के बाद से जमा GNPs के SEM छवियों से पता चलता। चर्चा खंड आगे मात्रात्मक विश्लेषण प्रस्तुत करता है।
चित्रा 2: (क) 20 एनएम व्यास GNPs 80 एनएम व्यास एक पिच, पी, 200 एनएम (ऊपर छोड़ दिया इनसेट) के द्वारा अलग छेद में जमा किया। छेद में से 93% एक nanoparticle होते हैं, और नैनोकणों के 95% केंद्र (नीले वृत्त) से 18 एनएम के भीतर हैं। शीर्ष सही इनसेट केंद्र से कण विस्थापन का एक गाऊसी वितरण, σ के साथ = 9.0 ± 0.1 एनएम से पता चलता है। (ख) SEM के बाद बयान, σ = 9 ± 1 एनएम एक बड़े क्षेत्र की छवि। (ग) ख रूप में ही) photoresist की reflow के बाद, σ = 11 ± 2 एनएम। संदर्भ 20 से अनुमति के साथ संशोधित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
बाष्पीकरणीय बयान को कम कर सकता24-48 घंटे के बयान 25 के लिए आवश्यक। नैनोकणों के dispersions नमूनों सतह पर लुप्त हो जाना करने के लिए अनुमति दी गई है, GNPs के रूप में अच्छी तरह से छेद में के रूप में PMMA फिल्म पर जमा। एक बफर समाधान में हल्के ultrasonication कमजोर PMMA पर GNPs बाध्य हटा दिया, छेद में केवल दृढ़ता से बंधे हुए कणों को छोड़कर। चित्रा 3 दिखाता है कि कैसे कई कणों उत्तरोत्तर केंद्रित आयनिक फैलाव में कम अंतर-कण प्रतिकर्षण की वजह से इस पद्धति का उपयोग छेद के लिए मजबूर किया जा सकता है। इस तरह के आयनिक स्क्रीनिंग प्रभाव से बचा जाना चाहिए, क्योंकि वे multiparticle अधिभोग की अनुमति दी और इलेक्ट्रोस्टैटिक funneling कि छेद के केंद्र के कण निर्देशन की दक्षता को कम कर दिया। , जमा फैलाव में GNPs की एकाग्रता को कम ultrasonication के साथ-साथ, संभावित छेद प्रति एक कण के बयान और अधिक तेजी से थोक समाधान चरण बयान के लिए अनुमति होगी। इस काम में, हम अनुकूलन नहीं थाआवश्यक शर्तों।
चित्रा 3: एक वाष्पीकरण तक चलने वाले 20 से अधिक मिनट के दौरान GNPs का बयान। नीचे SEM micrographs ई-बीम द्वारा नमूनों छेद के ऊपर से नीचे और पार के अनुभागीय दृश्य दिखाने के। संदर्भ 25 से अनुमति के साथ संशोधित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
पार के अनुभागीय SEM प्रोफ़ाइल उनके केन्द्रों की ओर झुका हुआ छेद sidewalls का प्रदर्शन किया। sidewall के कोण इष्टतम 90 डिग्री से भी कम था, photoresist मे इंटरफेस के करीब पहुंच पर अच्छी तरह से में एक बढ़ती हुई पार के अनुभागीय क्षेत्र बनाने। यह विन्यास गड्ड मनाया पैकिंग पैटर्न (बाएं) बताते हैंcles, उनके विस्थापन छेद के केंद्र से दूर का संकेत है। बेहतर है, ई-बीम ध्यान केंद्रित हवा और photoresist फिल्म के बीच इंटरफेस के नीचे, इस तरह के एक विरूपण साक्ष्य को समाप्त होगा।
पतला, PMMA photoresist 27 की ठोस फिल्म्स - 30 दव्र और कांच संक्रमण, टी जी के पास प्रवाह, 110 डिग्री सेल्सियस की। Photoresist बहुलक, PMMA की टी जी से नीचे 10 डिग्री तापमान, photoresist की एक धीमी गति से reflow शुरू की। नरम, तरल की तरह, बेजान राज्य में, photoresist फिल्म की सतह तनाव बढ़त वक्रता और खुरदरापन, LER प्रभाव की एक दमन में जिसके परिणामस्वरूप कम हो। आगे बढ़ाने तरल photoresist सामने पूरी तरह से के रूप में चित्रा 4, जहां छेद प्रति GNPs की संख्या अधिक थी में सचित्र, nanoholes घिरा जमा GNPs के साथ। नोट कैसे छेद सीमाओं से photoresist reflow मिट वेंफिल्म में nanoholes की ई पैटर्न। बहरहाल, दृढ़ता से बंधे हुए पैटर्न की स्थितीय रजिस्ट्री में बंद GNPs। उल्लेखनीय है, इन photoresist-reflow अध्ययनों साइट्रेट से ढकी GNPs Amine-समाप्त करने के लिए silanes के बंधन मजबूत इलेक्ट्रोस्टैटिक का पता चला। पहले और इस निष्कर्ष का समर्थन किया reflow के बाद GNPs के बयान के पैटर्न की समानता; चित्रा 4C (ख़बरदार इन्फ्रा) देखें।
चित्रा 4: जमा GNPs की स्थिति अपेक्षाकृत photoresist की reflow के प्रति असंवेदनशील हैं (पाठ देखें)। 250 एनएम छेद में जमा 60 एनएम GNPs के पैटर्न: (क) reflow से पहले, (ख) आंशिक reflow, और पूरा reflow के बाद (ग) के बाद। इस figur का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करेंई।
कदम और परिवर्तन के लिए इसी SEM छवियों में होने वाली समग्र अनुक्रम चित्रा 5 में दिखाया जाता है। चित्रा 5 ब में, इस फिल्म में छेद photoresist reflow के दौरान सिकुड़ गया है, जबकि छा प्रक्रिया कम से कम 3 मिनट (चित्रा 5C) में पूरा किया गया। ऑक्सीजन प्लाज्मा कि GNPs के शीर्ष पर मढ़ा, उन्हें हवा को उजागर photoresist का मोटा फिल्म etched। एक बार अवगत कराया, इन GNPs गीला etched KI / मैं 2 (चित्रा 5 डी) के आधार पर सोने नक़्क़ाशी समाधान का उपयोग कर रहे थे। व्यास के लिए विभिन्नता का गुणांक सकल घरेलू उत्पाद की मदद से प्रक्रिया द्वारा गठित छेद के लिए 9% थी। ध्यान दें कि इन अध्ययनों में, छेद से शुरू व्यास 80 से 20 समुद्री मील दूर है, जो दृष्टिकोण की ताकत को दिखाता है सिकुड़ गया। विधि का प्राथमिक सीमा Intr अनिश्चितताओं का एक संयोजन के कारण निर्मित छेद केंद्र की स्थिति में अनिश्चितता का परिचय है जीएनपी बयान और reflow विरोध दौरान oduced। वर्तमान चल रहे काम इन प्रभावों को संबोधित करने के लिए प्रयास करता है। सोने इसके अलावा, इस तरह के सिलिका (पतला एचएफ में etchable) के रूप में विभिन्न सामग्री के अन्य नैनोकणों, सामग्री और प्रसंस्करण लागत को कम करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। प्राथमिक आवश्यकता है कि nanoparticle / nanostructure सामग्री विरोध को प्रभावित किए बिना चुनिंदा etchable होना चाहिए।
चित्रा 5: SEM। छेद आकार की भिन्नता को कम करने के लिए कार्यरत चरणों के दौरान एकत्र छवियों। (क) बयान (24 घंटे)। (ख और ग) photoresist की Reflow (20 एस, 3 मिनट)। (घ) नक़्क़ाशी PMMA (ओ 2 प्लाज्मा: 55 एस) और सकल घरेलू उत्पाद (मैं 2 / KI समाधान के साथ गीला खोदना: 10 मिनट)।"> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
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Discussion
शॉट-शोर (एस एन) लिथोग्राफी में फोटॉनों या कणों (एन) के एक दिया नैनो-क्षेत्र में पहुंचने की संख्या में सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव का एक सरल परिणाम है; यह व्युत्क्रमानुपाती फोटॉनों / कणों की एक संख्या का वर्गमूल के लिए आनुपातिक है:
जहां एक और आर क्षेत्र और उजागर क्षेत्र के आकार, क्रमशः रहे हैं। उदाहरण के लिए, एक एआरएफ 193 एनएम (6.4-EV) excimer लेजर पैटर्न 50 एनएम छेद करने के लिए, प्राप्त फोटॉनों की संख्या लगभग 1 एक्स 10 6 52 MJ / 2 सेमी का जोखिम खुराक का उपयोग करते समय। एक 50 कीव ई-बीम स्रोत के लिए, 50 एमजे पहुंचाने इलेक्ट्रॉनों की संख्या / 2 सेमी 128 के बारे में होगा, जिसका अर्थ है कि एसएन का असर 100 ई बीम लिथोग्राफी लिए अधिक से अधिक बार होगा। इसके अलावा, फोटॉनों / इलेक्ट्रॉनों एक दिए गए क्षेत्र में पहुंचने की संख्या पैटर्न के क्षेत्र के साथ सीधे घट जाती है। नतीजतन, अलछेद है कि प्राप्त "समान" जोखिम परिणामों के आकार में ARGE में उतार-चढ़ाव होता है के रूप में छेद के आयाम कम हो जाती है तैयार किया जा सके। 35 एनएम 30 कीव ई-किरण के साथ चित्र 1 में दिखाया छेद के लिए, 1440 के बारे में इलेक्ट्रॉनों 24 μc / 2 सेमी की अपेक्षित खुराक देने के लिए। पैटर्न के लिए समान शर्तों के तहत 20 एनएम छेद, एक के बारे में 400 इलेक्ट्रॉनों, जो सैद्धांतिक एसएन सीमा (200 इलेक्ट्रॉन) मोर्यू 32 द्वारा दिए गए के करीब है की आवश्यकता होगी। वर्तमान में, एसएन के प्रभाव को दबाने के लिए एक ही रास्ता एक कम संवेदनशीलता photoresist है कि एक उच्च इलेक्ट्रॉन / फोटॉन खुराक की जरूरत के उपयोग के माध्यम से होता है। यह कम throughput और नैनो-patterning के लिए उच्च लागत की कीमत पर आता है। हमारे विधि पत्थर के छापे से छापने से नमूनों छेद के आकार को फिर से परिभाषित करने के लिए है, जबकि मूल स्थितीय रजिस्ट्री को बनाए रखने के monodisperse nanostructures का उपयोग करके आकार में उतार-चढ़ाव का असर कम कर देता है। रजिस्ट्री मजबूत इलेक्ट्रोस्टैटिक nanostructures के बंधन से तय हो गई हैसतह के लिए, इलेक्ट्रोस्टैटिक funneling द्वारा निर्देशित।
इस विधि में patterning की सफलता के दो प्रभाव पर निर्भर करता है। पहला छेद के आकार में भिन्नता है, और दूसरा छेद है कि स्थितीय रजिस्ट्री को प्रभावित भीतर नैनोकणों केंद्रित है। इस दृष्टिकोण (9%, या 19 ± 2 एनएम) के माध्यम से नमूनों छेद का व्यास के लिए विभिन्नता का गुणांक GNPs 20 के आकार (8%) के गुणांक के बराबर है। दूसरी ओर, के रूप में चित्रा 1 में पता चला, 35 एनएम (35 ± 9) छेद, इस दृष्टिकोण का उपयोग कर के बिना किए गए ई-किरण नमूनों, 35% की एक CV था। ई-किरण अकेले patterning इसी सीवी और भी बदतर हो जाते हैं जब 20 एनएम छेद fabricating जाएगा। एसएन 20 एनएम और 61% और 15% क्रमश: 80 एनएम छेद के लिए सीवी के मोटे अनुमान के साथ, सीवी के लिए आनुपातिक होना करने के लिए सेट किया जा सकता है। यहाँ प्रस्तुत विधि ई-किरण-Alon खत्म सीवी में कम से कम छह गुना (~ 61% / 9%) सुधार प्रदान करता है20 एनएम छेद के ई patterning। यहाँ तक कि 80 एनएम छेद के साथ शुरू, सीवी परिणामों में लगभग 60% सुधार (~ 15% / 9%) इस दृष्टिकोण के बाद होता है।
छेद (रजिस्ट्री) के ज्यामितीय केंद्र से दूर दूसरी प्रभाव चिंताओं कण बयान। इस आशय की दो योगदान कारकों छेद में GNPs के बयान (चित्रा 2 बी) और photoresist-reflow (चित्रा 2 सी) के बाद के बाद एकत्र SEM डेटा से निकाले गए थे। Nanoholes जिसमें वे रहते थे (चित्रा 2A) के केंद्र से GNPs के विस्थापन के सांख्यिकीय विश्लेषण से पता चला है कि समाधान चरण बयान के दौरान, छेद के केंद्र के बारे में GNPs के वितरण गाऊसी था, एक मानक विचलन के साथ (σ 9 एनएम, या लगभग आधा GNPs के व्यास का बयान)। विश्लेषण प्रक्रिया है, यह सोचते हैं कि कणों, औसत पर, छेद के केंद्र में रहने के लिए बराबर था, हालांकि व्यक्तिगत रूप से वे रा विस्थापित किया जा सकता हैndomly बयान के दौरान प्रसार के कारण।
दूसरी विस्थापन प्रभावित कारक photoresist reflow दौरान GNPs की गति के कारण है। परिणाम, चित्रा 4 में प्रस्तुत किया है, संकेत मिलता है कि सकारात्मक आरोप लगाया AATMS सैम इसलिए GNPs करने के लिए दृढ़ता से कहा कि वे photoresist की reflow के दौरान कदम नहीं बांधता है। इसी तरह की एक SEM छवियों का विश्लेषण (ख़बरदार सुप्रा) photoresist reflow के बाद एकत्र (चित्रा 2 सी) चरण कण स्थिति (यानी, रजिस्ट्री) बयान और reflow बाद में समग्र मानक विचलन (σ कुल) प्रदान की है। reflow विरोध के योगदान को निकालने के लिए, हम मान लिया है कि बयान और photoresist-reflow की प्रक्रिया छेद के केंद्र से कणों विस्थापित में स्वतंत्र प्रभाव, जैसे कि उत्पादन:
Σ के फिट मूल्यों का प्रयोग; बयान (9 ± 1 एनएम) और σ कुल (11 ± 2 एनएम), σ के निकाले मूल्य विरोध reflow 6 एनएम, जो तीन बार 20 एनएम GNPs में मानक विचलन के बराबर है होने का अनुमान था। इस तरह के एक कम मानक विचलन photoresist reflow प्रक्रिया के दौरान बाध्य कणों के विस्थापन पर एक बहुत ही नगण्य प्रभाव निकलता है। फिर भी, σ बयान सकल घरेलू उत्पाद के आकार के साथ सीधे भिन्न करने के लिए प्रकट होता है; इस प्रकार, यह महत्वपूर्ण सुधार की जरूरत है। कहीं और 20 प्रस्तुत एक मॉडल photoresist फिल्म और सैम के प्रभारी घनत्व स्थितीय रजिस्ट्री में सुधार करने के अनुकूलन चलता है। पर GNPs इलेक्ट्रोस्टैटिक पूर्वाग्रह और आरोप के उपयोग सहित कई तरीकों, वर्तमान में पता लगाया जा रहा है। ध्यान दें, जैसा कि ऊपर चर्चा की, कि एक SEM छवि विश्लेषण अनुकूलन के ऊपर प्रक्रिया के लिए एक सरल तरीका प्रदान करता है।
वाणिज्यिक avaiलगभग monodisperse जीएनपी कणों की lability सोने के नैनोकणों के चुनाव जरूरी था। सिद्धांत रूप में, इस तरह के सिलिका नैनोकणों उचित रूप से आरोप लगाया chelant साथ derivatized के रूप में अन्य सस्ती nanomaterials, भी उपयुक्त उम्मीदवार हैं। नैनोकणों के चयन के लिए प्राथमिक कसौटी उनकी monodispersity और नक़्क़ाशी के लिए अपनी संवेदनशीलता है। इलेक्ट्रोस्टैटिक funneling के लिए, सैम और एनपी पर उचित पूरक प्रभार मौजूद होना चाहिए। एनपीएस पर आरोप अपने जीटा संभावित है, जिसका संकेत है और परिमाण या तो समाधान या chelants पर आरोप के पीएच के माध्यम से देखते जा सकता है पर निर्भर करता है। इसी तरह, cationic या ऋणात्मक टर्मिनल अंत समूहों का चयन सैम पर सतह प्रभारी के संशोधन के लिए अनुमति देता है। 35 - तो सिद्ध, विधि आसानी से nanowires 33 के साथ पैटर्न खाई लाइनों तक फैली हुई है। विधि के समग्र सफलता के पूर्व नमूनों photore पर नियुक्ति के अनुकूलन और nanostructures भरने पर निर्भर करेगाsist फिल्मों, इलेक्ट्रोस्टैटिक, चुंबकीय, या ligand-बंधाव बातचीत का शोषण।
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Disclosures
लेखकों के पास खुलासे के लिए कुछ भी नहीं है।
Acknowledgments
इंटेल कॉर्पोरेशन अनुदान संख्या 414305 के माध्यम से इस काम वित्त पोषित है, और ओरेगन नैनो और Microtechnology पहल (ONAMI) मिलान धनराशि प्रदान की। हम कृतज्ञता इस काम के सभी चरणों में समर्थन और डॉ जेम्स ब्लैकवेल की सलाह स्वीकार करते हैं। विशेष धन्यवाद कण स्थिति के आँकड़ों का विश्लेषण करने के लिए आकर्षित किया Beasau और चेल्सी बेनेडिक्ट के लिए जाना। हम पांडुलिपि और डॉ कर्ट Langworthy के एक सावधान पढ़ने के लिए प्रोफेसर हॉल धन्यवाद ओरेगन, यूजीन विश्वविद्यालय में, या, ई-बीम लिथोग्राफी के साथ उनकी मदद के लिए।
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 |
References
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