Summary
Enhetlig storlek nanopartiklar kan ta bort svängningar i kontakt håldimensioner mönstrade i poly (metylmetakrylat) (PMMA) fotoresistfilmer från elektronstråle (E-stråle) litografi. Processen omfattar elektro kanalisera till centrum och inlåningsnanopartiklar i kontakt hål, följt av fotoresist återflöde och plasma och våt-etsningsstegen.
Abstract
Nano mönster tillverkade med extrem ultraviolett (EUV) eller elektronstråle (E-stråle) litografi uppvisar oväntade variationer i storlek. Denna variation har tillskrivits statistiska fluktuationer i antalet fotoner / elektroner som anländer vid en given nano-regionen som härrör från skott-brus (SN). SN varierar omvänt mot kvadratroten av ett antal fotoner / elektroner. För en fast dosering, är SN större i EUV och E-beam litografier än för traditionella (193 nm) optisk litografi. Bottom-up och top-down mönstring metoder kombineras för att minimera effekterna av hagelbrus i nano-håls mönstring. Specifikt, en amino-silan ytaktiva själv monterar på en kiselskiva som därefter spinnbelades med en 100 nm film av en PMMA-baserad elektronstråle fotoresist. Exponering för elektronstråle och den efterföljande utvecklingen avslöja den underliggande ytaktiv film vid bottnarna av hålen. Doppa skivan i en suspension av negativt laddad, citrat-tak, 20 nm ggamla nanopartiklar (BNP) insättningar en partikel per hål. Den exponerade positivt laddad ytaktiv film i hålet trattar elektrostatiskt den negativt laddade nanopartikeln till centrum av en exponerad hål, som är permanent fixerar positions registret. Nästa, genom uppvärmning nära glasövergångstemperaturen för fotoresist-polymer, återflöden fotoresistfilmen och uppslukar de nanopartiklar. Denna process raderar drabbats av SN hål men lämnar de deponerade BNI låsta på plats av en stark elektrostatisk bindning. Behandling med syrgasplasma exponerar BNI genom etsning av ett tunt skikt av fotoresisten. Våt-etsa de exponerade BNI med en lösning av I2 / KI ger likformiga hål placerade i mitten av fördjupningar mönstrade vid E-strålelitografi. Experimenten presenterade visar att metoden minskar variationen i storleken på hålen som orsakas av SN från 35% till under 10%. Metoden utvidgar mönstrings gränserna för transistorn kontakthål till under 20 nm.
Introduction
Den exponentiella tillväxten i beräkningskraft, som kvantifieras av Moores lag 1, 2 (1), är ett resultat av progressiva framsteg inom optisk litografi. I detta top-down mönsterteknik, den uppnåeliga upplösningen R, ges av den välkända Raleigh sats 3:
Här, λ och NA är ljusets våglängd och numerisk öppning, respektive. Notera att NA = η · sinθ, där η är brytningsindex för mediet mellan linsen och skivan; θ = tan -1 (d / 2l) för diametern, d, hos linsen, och avståndet, L, mellan centrum av linsen och skivan. Under de senaste femtio åren har litografiska upplösning förbättras genom användning av (a) ljuskällas, inklusive excimerlasrar, med allt mindre UV-våglängder; (b) smarta optiska mönster som utnyttjar fas-skift masker 4; och (c) högre NA. För exponering i luft (η = 1), är NA alltid mindre än ett, men genom att införa en vätska med η> 1, såsom vatten 5, mellan linsen och skivan kan NA höjas över ett, vilket förbättrar upplösningen av nedsänkning litografi. För närvarande livskraftiga vägar till en 20-nm nod och utanför inkluderar extrema UV-källor (λ = 13 nm) eller mönster tekniker med komplicerade dubbel och fyrdubbla bearbetning av en flerskiktad fotoresist 6, 7.
På nanometer-längdskalor, statistiska fluktuationer, som orsakas av shot-noise (SN), i antalet fotoner anländer inom en nano-region orsaka variation i dimensionerna hos lithogra phic mönster. Dessa effekter är mer uttalad med exponering för hög energi EUV ljus och E-balkar, system som behöver storleksordningar färre fotoner / partiklar jämfört med normal optisk litografi 8. Supersensitive kemiskt amplifierade (med en kvantverkningsgrad> 1) fotoresister introducerar också en kemisk SN som orsakas av en variation i antalet fotoreaktiva molekyler i exponerade nanoregions 9, 10. Lägre känslighet fotoresister som behöver längre exponeringar trycka dessa effekter, men också minska genomströmning.
På molekylär nivå, att bidraget linje-kant strävhet från molekylstorleksfördelning inneboende fotoresisten polymererna kan minskas genom att använda molekylära resister 11. Ett tillvägagångssätt som är komplementär till denna top-down bearbetning av nano mönstring är användningen av bottom-up metoder 12,s = "xref"> 13 som förlitar sig specifikt på den riktade självorganisering (DSA) av disegmentpolymerer 14. Förmågan hos dessa processer att styra kärnbildning och för att skapa icke-likformigt mellanrum mellan önskade mönster, såsom hål eller linjer, förblir utmanande. Storleksfördelningen av molekylära komponenter 15, 16 begränsar också omfattningen och utbytet av tillverkningen 17, 18. Liknande problem begränsa mikrokontakttryckning av nanopartiklar i mjuk litografi 19.
Detta dokument visar studier av en ny hybrid strategi (Figur 1) som kombinerar den klassiska top-down projektionslitografi med elektro riktade självorganisering att minska effekten av SN / linje kant ojämnhet (LER) 20. Positivt laddade amingrupper om själv monterade monolager (SAMS) av N - (2-aminoetyl)-11-Amino-undecyl-metoxi-silan (AATMS) ligger till grund för PMMA-film exponeras efter framkallning. Den negativt laddade fotoresistfilmen av PMMA elektro trattar negativt laddade guldnanopartiklar (BNI), utjämnade med citrat, 21-24 i SN drabbade hål 25. Re-flödet av PMMA fotoresist uppslukar predeposited nanopartiklar i filmen.
Figur 1: Schematisk bild av strategin för att undanröja verkningarna av skott-brus och linje kant ojämnhet för mönstring av kontakt hål med NP av exakt storlek. Här, är den kritiska dimensionen (CD) den önskade diametern av hålen. Det tillvägagångssätt (steg 1) börjar med avsättning av ett självmonterat monoskikt (SAM) av silanmolekylen bärande positivt laddade amingrupper på oxid surfess en kiselskiva. Därefter Elektronstrålelitografi används för att mönstra hålen (steg 2 och 3) i PMMA fotoresistfilmen, det blå skiktet, som genererar skott brus, som visas i den infällda SEM-bild. Litografi exponerar amingrupper på botten av hålen. Steg 4 innebär vattenfasen avsättningen av kontrollerad storlek, citrat-tak (negativt laddade) guldnanopartiklar (BNI) i litografiskt mönstrade hål med elektrotratt (EF). I steg 5, upphettning av rånet till 100 ° C, under glasövergångstemperaturen för PMMA, 110 ° C, orsakar återflöde av fotoresist runt deponerats i förväg nanopartiklar. Etsning överdrog PMMA med syreplasma (steg 6) exponerar BNI, och efterföljande våtetsning (jod) av de exponerade partiklarna (steg 7) skapar hål motsvarande storleken på BNI. När den kombineras med reaktiv jon / våtetsning, är det möjligt att överföra hålmönstret i fotoresisten till SiO 2 (steg 8) 31. Retryckt med tillstånd från referens 20. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Den elektrostatiska interaktionen mellan de motsatt laddade BNI och amingrupper på substratet förhindrar förskjutningen av BNI från bindningsstället. Reflow steg upprätthåller den relativa placeringen av BNI, men raderar hålen och effekterna av SN / LER. Plasma / våtetsning steg regenerera hål som har storleken på BNP. Reaktiv jonetsning överför deras mönster till SiO 2 hårt maskeringslager. Metoden bygger på att använda mer enhetlig storlek nanopartiklar än en mönstrad nanohole (NH), uttryckt som standardavvikelse, σ, så att σ BNP <σ NH. Denna rapport fokuserar på steg (4 och 5 som beskrivs i figur 1) som omfattar deponering av nanopartiklar från spridning ochåterflöde av fotoresisten runt dem för att bedöma fördelarna och begränsningarna hos metoden. Båda stegen är i princip skalbar till större substrat, som inte kräver någon omfattande modifikation av strömflödet för att producera moderna integrerade kretsar på chips.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. derivatisera och karakterisera ytan av kiselskivorna
- Rengör skivor med hjälp av Radio Corporation of America (RCA) rengöring lösningar SC1 och SC2.
- Förbered SC1 och SC2 av volumetriskt blanda följande kemikalier:
SC1: H2O 2: NH4OH: H2O = 1: 1: 5 volym / volym och SC2: H2O 2: HCl: H2O = 1: 1: 5 volym / volym.- Sänk skivan i SC1 under 10 minuter vid 70 ° C, och sedan utföra en avjoniserat vatten tvätt.
- Följer ett liknande protokoll för SC2 (10 min vid 70 ° C, följt av en tvätt).
OBS: Rengöringsproceduren tar bort organiska och joniska föroreningar och genererar silanolgrupper på kiseloxidytan på kiselskivorna.
- Derivatisera ytorna av kiselskivorna med AATMS
- Inkubera den rengjorda kiselskivan i 0,05 M AATMS (framställd i dry toluen) vid 80 ° C under 20 min. Sonikera 5 min i en 100 W sonikator vid rumstemperatur i ren toluen under 5 minuter och torka i en ström av kvävgas.
- Karaktärisera ytorna av de derivatiserade kiselskivor
- Mät kontaktvinkeln med hjälp av en goniometer och ImageJ programvara 25.
- Bestämma tjockleken av filmerna med användning av en ellipsometer (He-Ne-laserljuskällan, λ = 632,8 nm, fast infallsvinkel av 70 °) 25.
- Uppskatta ytan elementära sammansättningen genom röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) 25.
2. E-beam Mönstring
- Spin-coat fotoresist (2% poly (metylmetakrylat (PMMA) i anisol) på AATMS- derivatiserade wafers vid 4000 rpm under 60 s.
- Prebake filmen vid 180 ° C under 120 s för att torka fotoresistfilmen.
- Mäta fotoresistfilmen tjocklekenmed hjälp av en ellipsometer. Se till att He-Ne-laser ljuskälla, λ = 632,8 nm, är fixerad vid en infallsvinkel av 70 °. Optimera provsteget för att maximera detektorsignalen med användning av en reflekterande yta, såsom kiselskiva. Använd ellipsometer mätprogrammet (GEMP) på ansluten dator för att mäta fotoresistfilmen tjocklek; det bör vara ca 100 nm.
- E-beam exponering:
- Överför skivan till en hög vakuumkammare en elektronstråle Aligner.
- Skapa ett pokerpunkt hålmönster med hjälp av en elektronstråle (30 kV accelerationsspänning, 37 pA strålströmmen) som passerar genom en 10-um öppning och ger en 24 iC / cm3 dosering.
- Justera mönstret tonhöjd och dosering som behövs för att producera en poker dot-typ hål-mönster av den önskade håldiametern (80 nm) och delning (200 nm).
- Ta bort skivan från elektronstrålekammaren.
- Utveckla den litografiska mönster:
- Börjamönster utveckling i en lösning av metyl-isobutyl-keton / isopropylalkohol (MIBK / IPA, 1: 3 (volym: volym)) under 70 s.
- Fortsätta att utveckla ytterligare genom nedsänkning i IPA under 30 sek. Fullfölja utvecklingen av tvättning i avjoniserat vatten under 30 s. Torka skivan i en ström av kvävgas.
3. Deponering av BNI i E-beam-mönstrade hål
OBS: Deponering av BNI i mönstrade hål utnyttjar två olika metoder.
- Sänk pre-mönstrade skivor i BNI lösningar (metod 1).
- Låt provet i BNP suspensionsmediet för 24-48 timmar, beroende på storleken på BNP och diametrarna av hålen. Använd en 20-nm, citrat-utjämnade BNP suspension innehållande 7,0 x 10 11 NP / ml.
OBS: Man kan använda en BNP storlek 10-100 nm och ett koncentrationsintervall från 5,7 x 10 12 till 5,7 x 10 9 NPS / ml, som tillhandahålls av Ted Pella. Observera att avsättningen tätheten lyderdiffusionen lagen ̴ (Dt) 1/2, där D och t är diffusionskoefficienter av nanopartikeln och avsättningstiden, respektive (dvs., mindre partiklar tar kortare tid för avsättning, såsom diskuteras i referens 20, figur 2c).
- Låt provet i BNP suspensionsmediet för 24-48 timmar, beroende på storleken på BNP och diametrarna av hålen. Använd en 20-nm, citrat-utjämnade BNP suspension innehållande 7,0 x 10 11 NP / ml.
- Spray-insättning BNI på de mönstrade skivor (Metod 2)
- Att sätta in BNI genom avdunstning, spraya en lösning av BNI på det mönstrade substratet, placeras horisontellt. Orientera handhållen spruta (metod 2), så att sprayen riktas vinkelrätt mot substratytan.
- Spraya en tillräcklig volym av suspensionslösningen väter substratytan.
OBS: Det kan vara nödvändigt att späda BNI suspensionen genom 10x för att undvika att tvinga flera nanopartiklar i ett stort hål. - Inkubera proverna på en varm platta som hölls vid 30 till 35 ° C för framställning kontrollerad avdunstning under 10 min.
- Efter deponering (genom antingen Metod1 eller Metod 2), milt ultrasonicate (100 W) proven i avjoniserat vatten i 50 s och torra i en ström av kvävgas.
4. Svepelektronmikroskopi Imaging
OBS: Två typer av studier inblandade konventionell top-down och tvärsnitts SEM avbildning.
- För top-down SEM-bilder, använda en elektronstråleaccelerationsspänning på 5 kV vid en ström av ~ 300 iA för att förhindra skador på fotoresistfilmen.
Försiktighet: Den lägsta möjliga spänning och ström inställning är nödvändig för att minska kedjeklyvning reaktioner i fotoresisten. Dessa kedjeklyvning reaktioner reducera glasövergångstemperaturen för polymeren, vilket i sin tur påverkar den operativa temperaturen för resistmaterialet reflow steget beskrivet nedan. - Tvärsnitt avbildning:
- Spotta-coat 10 nm tjockt guldfilm över PMMA fotoresist att förhindra jon-stråle skador. Använd en fokuserad Ga jonstråle arbetade vid 30 kV och 93pA att skära igenom hålen. Erhålla tvärsnitt SEM-bilder genom lutning av skivan från dess normala horisontella läge.
5. Återflöde av PMMA fotoresist runt BNI i de mönstrade hål
- Värm de mönstrade substrat på en värmeplatta vid T återflöde (100 ° C) under 3 min, vilket är under det i förväg bestämda glasövergångstemperatur, Tg (110 ° C), av 950000 g / mol PMMA; hastigheten för omsmältning för polymeren var 1,7 ± 0,1 nm / s.
Varning: Betydligt snabbare återflöde inträffade för de mönstrade områden som tidigare hade utsatts för elektronstråle under avbildning med svepelektronmikroskop (SEM), kanske på grund av klyvning av polymerhuvudkedjan under exponering för elektronstrålen, vilket leder till en minskning av Tg. Denna observation stöds av studier från Keymeulen och medarbetare, som noterade att exponering för röntgenstrålning minskade Tg PMMA 26.
6. Torr- och våt etsnings
- Torretsning för tillräcklig varaktighet (55 s) med syreplasma för att exponera BNI täckt med en tunn film av PMMA efter omsmältning. Noggrant övervaka graden av PMMA film etsning som en funktion av tiden med hjälp av en ellipsometer eller tunnfilmstjocklek bildskärm.
OBS: En alltför kort etsning varaktighet får inte utsätta BNI, medan etsning för länge skulle helt ta bort PMMA filmen. För 950 kDa PMMA, etsningshastigheten var 1,5 nm / s, vilket kräver 55 s etsning tid. - Våt-etsnings BNI på botten av kontakthålen efter reflow med användning av en lösning av jod, innehållande 1,0 g jodkristall (I 2), 4,0 g kaliumjodid (Kl), och 40 ml avjoniserat vatten, under 10 min.
OBS: Kaliumjodid förbättrar lösligheten av jod i lösning och underlättar guld etsning. Reaktionen av guld med jod (2AU + I2 → två AUI) producerar guldjodid, som är något löslig i vattenhaltig lösning vid rumstemperatur.
7. Beräkning av partikelVolym, densitet, och Fill fraktion
- Lokalisera hålet centrum och BNP förskjutning:
- Hand, rita horisontella och vertikala bäst passar raka linjer genom rader och kolumner av hål, respektive att etablerade hålcentrum vid korsningarna av dessa linjer (figur 2a och 2b). Omfatta minst 500 + hål i beräkningarna.
- Manuellt bestämma positionen, r, för varje nanopartiklar i förhållande till centrum av nanohole (dvs förskjutningen), där den deponerades (figur 2b).
- Bestämma partikelantalet kontra förskjutnings histogram med en vanlig kalkylprogram.
- Beräkning av partikeldensiteten: ρ = N (antalet partiklar) / ytenhet (| j, m 2):
. - Summera antalet partiklar, N, i området från histogrammet konstruerat i steg 7,2, ovan.
- Upprepa proceduren som en funktion av r att generera cirka 10 lika stora steg slutar på r = R, hålet radie.
. OBS: Efter reflow hålen försvinner, rita bäst passar horisontella och vertikala linjer på BNI positioner för att bestämma de bäst passar värden för verktygets centrum. Beräkna partikel förskjutningar som i steg 7,1 och extrahera den kombinerade σ Total efter protokollet avgränsas i steg 7,2-7,4.
OBS: Här kombineras eller total hänvisar till den totala förskjutningen av BNP på grund av deponerings och reflow steg.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 2 visar en SEM-bild av 20 nm-BNI deponeras i hålen 80-nm diameter mönstrade i en 60-100 nm-tjock PMMA-film som drivs av elektrostatisk tratt. Som observerats av andra 22 processen resulterade i ungefär en partikel per hål. Fördelningen av partiklar runt centrum av hålen var Gaussisk (överst till höger infälld). De flesta hålen (93%) innehöll en BNP, och 95% av dessa partiklar inträffade inom 20 nm från centrum. Ytterligare optimering, diskuteras på annan plats, behövs för att förbättra fyllningen-fraktionen och centreringen av BNI 20, 25. Figur 2b och 2c visar SEM-bilder av de deponerade BNI från större regioner av wafern, före och efter reflow av fotoresisten. Diskussionen avsnitt presenteras ytterligare kvantitativ analys.
Figur 2: (a) BNI 20-nm diameter deponeras i hålen 80 nm diameter åtskilda av en stigning, P, av 200 nm (övre vänstra infälld). 93% av hålen innehåller en nanopartikel, och 95% av nanopartiklarna är inom 18 nm från centrum (blå cirkel). Det övre högra infällda bilden visar en Gauss-fördelning av partikel förskjutning från centrum, med σ = 9,0 ± 0,1 nm. (B) SEM-bild av ett stort område efter avsättning, σ = 9 ± 1 nm. (C) Samma som b) Efter återflöde av fotoresisten, σ = 11 ± 2 nm. Modifierad med tillstånd från referens 20. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Avdunstnings deponering skulle kunna minskade 24-48 h erfordras för avsättning 25. När dispersioner av nanopartiklar tilläts avdunsta på den mönstrade ytan, BNI avsatt på PMMA-film, samt i hål. Mild ultrasonication i en buffrad lösning avlägsnas svagt bundna BNI på PMMA, vilket innebär att endast de starkt bundna partiklarna i hålen. Figur 3 illustrerar hur flera partiklar skulle kunna tvingas in i hålen med hjälp av denna metod på grund av den reducerade interpartikel repulsion i progressivt koncentrerad jonisk dispersion. Sådana joniska screenings effekter bör undvikas, eftersom de tillät multiparticle beläggning och sänks effektiviteten hos den elektrostatiska Tratt som styr partikeln till mitten av hålet. Sänka koncentrationen av BNI i avsättnings dispersionen, tillsammans med ultrasonikering, skulle potentiellt medge avsättning av ett partikel per hål snabbare än bulk lösningsfas avsättning. I detta arbete har vi inte optimeranödvändiga villkoren.
Figur 3: Deponering av BNI under en förångning som varar mer än 20 min. De nedre SEM-mikrofotografier visar top-down och tvärsnittsvyer av hål mönstrade av elektronstråle. Modifierad med tillstånd från referens 25. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Tvärsnitts SEM profil visas hålet sidoväggar lutar mot sina centra. Vinkeln för sidoväggen var mindre än den optimala 90 °, vilket skapar en ökande tvärsnittsarea i brunnen på närmar fotoresisten-wafer gränssnitt. Denna konfiguration förklarar den observerade packningsmönster (vänster) av partilarna, vilket indikerar deras förskjutning bort från centrum av hålet. Bättre fokusering av elektronstråle, nedanför gränssnittet mellan luft och fotoresistfilmen, skulle eliminera en sådan artefakt.
Tunna, fasta filmer av PMMA fotoresist 27-30 vätskeform och flyta nära glasövergångs, Tg av 110 ° C. En temperatur 10 ° under Tg för fotoresist-polymer, PMMA, initierat en långsam återflöde av fotoresisten. I mjuknat, vätskeliknande, glasartat tillstånd, ytspänningen hos fotoresistfilmen reducerade kant krökning och grovhet, vilket resulterar i en dämpning av LER effekter. Den avancerande vätske fotoresist front helt uppslukas nanoholes, tillsammans med de avsatta BNI, såsom illustreras i figur 4, där antalet BNI per hål var hög. Notera hur fotoresist återflöde från hålet gränser raderas the mönster nanoholes i filmen. Trots starkt bundet BNI låsta i positionsregistret mönstret. Anmärkningsvärt, dessa fotoresist-återflöde studier visat stark elektrostatisk bindning av citrat-utjämnade BNI till aminterminerade silaner. Likheten av avsättningsmönstret BNI före och efter reflow stödde denna slutsats; se figur 4c (se nedan).
Figur 4: Positionerna för de deponerade BNI är relativt okänslig för återflöde av fotoresist (se texten). Mönster av de deponerade 60 nm BNI i 250 nm hål: (a) före återflöde, (b) efter partiell omsmältning, och (c) efter fullständig omsmältning. Klicka här för att se en större version av denna figure.
Den totala sekvensen av steg och de förändringar som sker i de motsvarande SEM-bilder visas i figur 5. I figur 5b, hålen i filmen krympte under fotoresist återflöde, medan drabbat avslutades på mindre än tre minuter (figur 5c). Syre plasma etsat tjockare film av fotoresist som överlagras ovanpå BNI, utsätta dem för luft. När utsatt dessa BNI var våt-etsas med hjälp av guld etsningslösning baserad på KI / I2 (Figur 5d). Variationskoefficienten för diametrarna var 9% för hålet som bildas av BNP-assisterad process. Notera att i dessa studier, utgångs diametern hos hålen krympte 80-20 nm, vilket illustrerar styrkan i tillvägagångssätt. Den primära begränsningen för metoden är införandet av osäkerheten i positionen för en åter hålcentrum på grund av en kombination av osäkerheter intr oduced under BNP avsättningen och motstå återflöde. Aktuell pågående arbetet försöker att ta itu med dessa effekter. Utöver guld kan andra nanopartiklar av olika material, såsom kiseldioxid (etsbara i utspädd HF), kan användas för att minska material- och processkostnader. Det primära kravet är att nanopartiklar / nanostrukturen måste vara selektivt etsas utan att påverka resistmaterialet.
Figur 5: SEM. Bilder som tagits emot under de steg som används för att minimera variationen av hålstorlekar. (A) Avsättning (24 h). (B och c) Återflöde av fotoresisten (20 s, 3 min). (d) Etsning PMMA (O 2 plasma: 55 s) och BNI (våt-etsnings med I2 / KI-lösning: 10 min)."> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Shot-brus (SN) i litografi är en enkel följd av statistiska fluktuationer i antalet fotoner eller partiklar (N) som anländer i en viss nano region; det är omvänt proportionell mot kvadratroten av ett antal fotoner / partiklar:
där A och R är området och storleken på det exponerade området, respektive. Till exempel, vid användning av en ArF 193-nm (6,4-eV) excimerlaser till mönster 50 nm-hål, är antalet fotoner som mottagits approximativt 1 x 10 6 vid exponeringsdos på 52 mJ / cm 2. För en 50 keV elektronstrålekälla, antalet elektroner som levererar 50 mJ / cm 2 skulle vara ungefär 128, vilket innebär att effekten av SN skulle vara 100 gånger så stor för e-strålelitografi. Vidare minskar antalet fotoner / elektroner anländer i en viss region direkt med området av mönstret. Följaktligen alarge fluktuation i storleken på hålen som erhöll "identiska" exponering resulterar sker som dimensionen hos det hål som skall utformad minskar. För de 35 nm hålen som visas i figur 1 med 30 keV elektronstråle, ca 1440 elektroner levererar den erforderliga dosen av 24 ^ c / cm2. Till mönstret 20 nm hål under identiska förhållanden, skulle en behöva omkring 400 elektroner, vilket är nära den teoretiska SN gränsen (200 elektroner) som ges av Moreau 32. För närvarande är det enda sättet att undertrycka effekten av SN genom användningen av en låg känslighet fotoresist som behöver en högre elektron / foton-dos. Det sker på bekostnad av lägre kapacitet och högre kostnader för nano-mönstring. Vår metod minskar effekten av storleksvariationer genom monodispersa nanostrukturer att omdefiniera storleken på litografiskt mönstrade hålen samtidigt som den ursprungliga positions registret. Registret fastställs av stark elektrostatisk bindning av nanostrukturertill ytan, styrd av elektrostatisk tratt.
Framgången för mönstringen i denna metod beror på två effekter. Den första är den variation i storleken på de hål, och den andra är den centrering av nanopartiklar inom hålen som påverkar den positionella registret. Variationskoefficienten för diametern av hålen mönstrade genom detta tillvägagångssätt (9%, eller 19 ± 2 nm) är jämförbar med koefficienten för storleken (8%) av BNI 20. Å andra sidan, vilket tydliggörs i fig 1, elektronstrålemönstrade 35 nm (35 ± 9) hål, göras utan att använda detta tillvägagångssätt, hade en CV av 35%. Motsvarande CV E-beam-alone mönstring skulle bli ännu värre när fabricera 20 nm hål. SN kan ställas in för att vara proportionell mot CV, med grova uppskattningar av CV för 20 nm och 80 nm hål på 61% och 15%, respektive. Den metod som presenteras här ger åtminstone en sexfaldig (~ 61% / 9%) förbättring av CV över E-beam-Alone mönstring av 20 nm hål. Även börjar med 80 nm-hål, nästan 60% förbättring av CV resultat (~ 15% / 9%) sker efter detta tillvägagångssätt.
Den andra effekten gäller partikelavsättning bort från den geometriska mitten av hålen (registret). Två bidragande faktorer till denna effekt extraherades från SEM uppgifter som samlats in efter avsättningen av BNI i hål (figur 2b) och efter fotoresist-reflow (Figur 2c). Den statistiska analysen av förskjutningen av BNI från centrum av de nanoholes där de bosatta (figur 2a) avslöjade att under den lösningsfas avsättning, fördelningen av BNI kring centrum av hålet var Gauss, med en standardavvikelse (σ Deposition) av 9 nm, eller ungefär halva diametern av BNI. Analysförfarandet var ekvivalent med under antagande att partiklarna i genomsnitt kvar i centrum för hålen, även individuellt kan de förskjutas randomly grund av diffusion under avsättningen.
Den andra faktorn som påverkar förskjutningen beror på rörelsen av BNI under fotoresist återflöde. Resultaten, som presenteras i Figur 4, tyder på att den positivt laddade AATMS SAM binder så starkt till BNI att de inte rör sig under återflöde av fotoresisten. En liknande analys av SEM-bilder (se ovan) samlas efter fotoresist omsmältning (Figur 2c) steg förutsatt att den totala standardavvikelsen (σ Total) i partikelpositioneringen (dvs register) efter avsättningen och reflow. Att extrahera bidrag motstå återflöde, antog vi att processerna för avsättning och fotoresist-reflow producera oberoende effekter på förskjutning partiklar från mitten av hålen, så att:
Använda monterade värdena σ; Deponering (9 ± 1 nm) och σ Total (11 ± 2 nm), den extraherade värdet av σ Resist-reflow uppskattades till 6 nm, som är jämförbar med tre gånger standardavvikelsen i de 20 nm BNI. En sådan låg standardavvikelse innebär en mycket försumbar effekt på förskjutningen av bundna partiklar under fotoresist omsmältningsprocessen. Ändå verkar σ Deposition att variera direkt med storleken på BNP; behöver man således betydande förbättringar. En modell som presenteras på annan plats 20 föreslår optimering av laddningsdensitet av fotoresistfilmen och SAM för att förbättra positions registret. Flera metoder, inklusive användning av elektro partiskhet och laddning på BNI, för närvarande undersöks. Notera, såsom diskuterats ovan, att en SEM-bild analys ger en enkel metod för ovanstående förfarande enligt optimering.
Den kommersiella Avallabilitet av nästan monodispersa BNI partiklar dikterade valet av guldnanopartiklar. I princip andra billiga nanomaterial, såsom kiseldioxid nanopartiklar derivatiserade med lämpligt laddade kelat, är också lämpliga kandidater. Det främsta kriteriet för val av nanopartiklar är deras monodispersitet och deras känslighet för etsning. För elektrotratt måste lämpliga kompletterande avgifter på SAM och NP vara närvarande. Laddningen på NP beror på dess zeta-potential, vars tecken och storlek kan avstämmas antingen genom lösningens pH eller laddningen på kelatbildande medel. På samma sätt, välja katjoniska eller anjoniska terminal ändgrupper möjliggör ändring av ytladdningen på SAM. Om fulländade, metoden sträcker lätt till mönster diket linjer med nanotrådar 33 - 35. Den totala framgången för förfarandet beror på att optimera placeringen och fylla nanostrukturer på pre-mönstrad photoreSist filmer, som utnyttjar elektro, magnetisk eller ligand-ligerings interaktioner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att lämna ut.
Acknowledgments
Intel Corporation finansierat detta arbete genom licensnummer 414.305, och Oregon Nanotechnology och mikro Initiative (ONAMI) gav motsvarande medel. Vi erkänner tacksamt stöd och råd av Dr James Blackwell i alla faser av detta arbete. Ett särskilt tack går till Drew Beasau och Chelsea Benedict för att analysera partikelpositionerings statistik. Vi tackar professor Hall för en noggrann läsning av manuskriptet och Dr. Kurt Langworthy, vid University of Oregon, Eugene, OR, för hans hjälp med elektronstrålelitografi.
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
- 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. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and J. Sci. 42 (255), 167-195 (1896).
- Levenson, M. D., Viswanathan, N. S., Simpson, R. A. Improving resolution in photolithography with a phase-shifting mask. IEEE Trans. Electron Devices. 29 (12), 1828-1836 (1982).
- French, R. H., Tran, H. V. Immersion Lithography: Photomask and Wafer-Level Materials. Annu. Rev. Mater. Res. 39 (1), 93-126 (2009).
- Borodovsky, Y. Complementary Lithography at Insertion and Beyond. Complementary Lithography - Stochastics Suppression and EUV, Electronics, Proc. Semicon. West, June 12, San Franscisco, , (2012).
- Reiser, A. Photoreactive Polymers: the Science and Technology of Resists. , John Wiley & Sons. (1989).
- Brunner, T. A. Why optical lithography will live forever. J. of Vac. Sci. & Technol. B: Microelectronics and Nanometer Structures. 21 (6), 2632-2637 (2003).
- Tran, H., Jackson, E., Eldo, J., Kanjolia, R., Rananavare, S. B. Photochemical reactivity of bis-carbamate photobase generators. Nanotechnology (IEEE-NANO), 2011 11th IEEE Conference, , 1683-1688 (2011).
- Hallett-Tapley, G. L., et al. Single component photoacid/photobase generators: potential applications in double patterning photolithography. J. Mater. Chem. C. 1 (15), 2657-2665 (2013).
- Krysak, M., De Silva, A., Sha, J., Lee, J. K., Ober, C. K. Molecular glass resists for next-generation lithography. Proc. SPIE: Advances in Resist Materials and Processing Technology XXVI. Henderson, C. L. 7273, 72732N (2009).
- Li, M., et al. Bottom-up assembly of large-area nanowire resonator arrays. Nat Nano. 3 (2), 88-92 (2008).
- Thiruvengadathan, R., et al. Nanomaterial processing using self-assembly-bottom-up chemical and biological approaches. Rep. Prog. Phys. 76 (6), 066501 (2013).
- Tsai, H. Y., et al. Pattern transfer of directed self-assembly (DSA) patterns for CMOS device applications. Proc.SPIE Advanced Etch Technology for Nanopatterning II. Zhang, Y., Oehrlein, G. S., Lin, Q. 8865, 86850L-86850L (2013).
- Hawker, C. J., Russell, T. P. Block Copolymer Lithography: Merging "Bottom-Up" with "Top-Down" Processes. MRS Bulletin. 30 (12), 952-966 (2005).
- Lin, Y., et al. Self-directed self-assembly of nanoparticle/copolymer mixtures. Nature. 434 (7029), 55-59 (2005).
- Cheng, J. Y., et al. Simple and Versatile Methods To Integrate Directed Self-Assembly with Optical Lithography Using a Polarity-Switched Photoresist. ACS Nano. 4 (8), 4815-4823 (2010).
- Wong, H. S. P., Bencher, C., Yi, H., Bao, X. Y., Chang, L. W. Block copolymer directed self-assembly enables sublithographic patterning for device fabrication. Proc. SPIE. Tong, W. . 8323, Alternative Lithographic Technologies IV, (2012).
- Chan, J. C., Hannah-Moore, N., Rananavare, S. B. Controlled Deposition of Tin Oxide and Silver Nanoparticles Using Microcontact Printing. Crystals. 5 (1), 116-142 (2015).
- Morakinyo, M. K., Rananavare, S. B. Reducing the effects of shot noise using nanoparticles. J. Mater. Chem. C. 3 (5), 955-959 (2015).
- Cui, Y., et al. Integration of Colloidal Nanocrystals into Lithographically Patterned Devices. Nano Lett. 4 (6), 1093-1098 (2004).
- Huang, H. W., Bhadrachalam, P., Ray, V., Koh, S. J. Single-particle placement via self-limiting electrostatic gating. Appl. Phys. Lett. 93 (7), 073110-073113 (2008).
- Ma, L. C., et al. Electrostatic Funneling for Precise Nanoparticle Placement: A Route to Wafer-Scale Integration. Nano Lett. 7 (2), 439-445 (2007).
- Richard Bowen, W., Filippov, A. N., Sharif, A. O., Starov, V. M. A model of the interaction between a charged particle and a pore in a charged membrane surface. Adv. Colloid Interface Sci. 81 (1), 35-72 (1999).
- Morakinyo, M. K., Rananavare, S. B. Positional control over nanoparticle deposition into nanoholes. Nanotechnology (IEEE-NANO), 2011 11th IEEE Conference, , 1677-1682 (2011).
- Keymeulen, H. R., et al. Measurement of the x-ray dose-dependent glass transition temperature of structured polymer films by x-ray diffraction. J. Appl. Phys. 102 (1), 013528 (2007).
- Feng, B. C. Resist Reflow Method for Making Submicron Patterned Resist Masks. US patent A. , (1977).
- You, J. H., et al. Position Shift Analysis in Resist Reflow Process for Sub-50 nm Contact Hole. Jpn. J. Appl. Phys. 48 (9), 096502 (2009).
- Montgomery, P. K., et al. Resist reflow for 193-nm low-K1 lithography contacts. Proc. SPIE Advances in Resist Technology and Processing XX. Fedynyshyn, T. H. 5039, 807-816 (2003).
- King, W. P., et al. Atomic force microscope cantilevers for combined thermomechanical data writing and reading. Appl. Phys. Lett. 78 (9), 1300-1302 (2001).
- Chuo, Y., et al. Rapid fabrication of nano-structured quartz stamps. Nanotechnology. 24 (5), 055304 (2013).
- Moreau, W. M. Semiconductor Lithography: Principles, Practices, and Materials. , Springer Science & Business Media. 419 (2012).
- Chan, J. C., Tran, H., Pattison, J. W., Rananavare, S. B. Facile pyrolytic synthesis of silicon nanowires. Solid-State Electron. 54 (10), 1185-1191 (2010).
- Tran, H. A., Rananavare, S. B. Synthesis and characterization of N- and P- doped tin oxide nanowires. (IEEE-NANO), 2011 11th IEEE Conference on Nanotechnology, , (2011).
- Tran, H. A., Rananavare, S. B. Ch. 39, Synthesis and Characterization of n- and p-Doped Tin Oxide Nanowires for Gas Sensing Applications. Nanoelectronic Device Applications Handbook . Morris, J. E., Iniewski, K. , CRC Press. (2013).
