Summary
Uniforme grootte nanodeeltjes kunnen schommelingen in contact gat afmetingen patroon in poly (methyl methacrylaat) (PMMA) fotolakfilms door elektronenstraal (E-beam) lithografie te verwijderen. Het proces omvat elektrostatische trechtervorming naar het centrum en deposito nanodeeltjes in contact gaten, gevolgd door fotoresist reflow en plasma- en nat-etsen stappen.
Abstract
Nano-patronen gefabriceerd met extreem ultraviolet (EUV) of electron-beam (E-beam) lithografie vertonen onverwachte verschillen in grootte. Deze variatie is toegeschreven aan statistische fluctuaties in het aantal fotonen / elektronen komen tot een bepaalde nano-regio gevolg van opname-noise (SN). De SN omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van een aantal fotonen / elektronen. Voor een vaste dosering, de SN is groter in EUV en E-beam lithografieën dan voor de traditionele (193 nm) optische lithografie. Bottom-up en top-down patroonvorming benaderingen worden gecombineerd om de effecten van geschoten geluid in nano-hole patronen te minimaliseren. Specifiek een amino-silaan surfactant zichzelf assembleert op een siliciumwafel die vervolgens roterend bedekken met een 100 nm film van een PMMA-basis E-beam fotoresist. Blootstelling aan de E-balk en de latere ontwikkeling onthullen de onderliggende oppervlakte-film bij de bodem van de gaten. Dompelen van de wafer in een opschorting van de negatief geladen, citraat afgedekt, 20 nm goude nanodeeltjes (BNP) deposito één deeltje per hole. De blootgestelde positief geladen oppervlakteactieve film in het gat trechters elektrostatisch de negatief geladen nanodeeltjes op het centrum van een gaatje, die permanent worden de positionele registratie. Vervolgens, door verwarmen bij de glasovergangstemperatuur van het fotoresist polymeer, de fotolaklaag doorloopt en overspoelt de nanodeeltjes. Dit proces wist de gaten beïnvloed door SN, maar laat het afgezette BNP plaats vergrendeld door sterke elektrostatische binding. Behandeling met zuurstofplasma blootstelt het BNP door etsen een dun laagje fotoresist. Nat-etsen van de belichte BNP met een oplossing van I2 / KI levert uniforme gaten in het midden van inkepingen gevormd door elektronenbundel lithografie. De experimenten laten dus zien dat de aanpak vermindert de variatie in de grootte van de gaten door SN van 35% tot minder dan 10%. De werkwijze breidt de patroonvorming grenzen van transistor contactgaten tot beneden 20 nm.
Introduction
De exponentiële groei van rekenkracht, zoals gekwantificeerd door de wet van Moore 1, 2 (1), is het resultaat van geleidelijke vooruitgang in optische lithografie. In deze top-down patroon techniek, de haalbare resolutie, R, wordt gegeven door de bekende Raleigh stelling 3:
Hier, λ en NA zijn het licht golflengte en numerieke lensopening, respectievelijk. NB NB = η · sinθ, waarbij η de brekingsindex van het medium tussen de lens en de wafer; θ = tan -1 (d / 2l) voor de diameter d van de lens, en de afstand L tussen het midden van de lens en de wafer. De afgelopen vijftig jaar heeft de lithografische resolutie verbeterd door het gebruik van (a) lichtbrons, waaronder excimer lasers met steeds kleinere UV golflengten; (b) slimme optische ontwerpen gebruik faseverschuiving maskers 4; en (c) hogere NA. Bij blootstelling aan de lucht (η = 1) NA is altijd kleiner dan één, maar door het introduceren van een vloeistof met η> 1, zoals 5 water, tussen de lens en de wafer, kan NA boven 1 verhoogd, zodat zij andere immersielithografie verbeteren. Nog levensvatbare paden een 20 nm-knooppunt en verder ook extreme UV bronnen (λ = 13 nm) of patroonvormingstechnieken gebruikt complexe dubbele en viervoudige bewerking van een meerlagige fotolak 6, 7.
Bij nanometer-lengteschalen, statistische fluctuaties, veroorzaakt door shot-noise (SN), het aantal fotonen aankomen binnen een nano-gebied veroorzaken variaties in de afmetingen van lithogra corticale patronen. Deze effecten zijn meer uitgesproken met blootstelling aan hoge-energie-EUV-licht en E-stralen, systemen die ordes van grootte minder fotonen / deeltjes nodig hebben in vergelijking met normale optische lithografie 8. Overgevoelige chemisch versterkte (met een kwantumrendement> 1) lichtgevoelige introduceren ook een chemische SN veroorzaakt door een variatie in het aantal fotoreactieve moleculen blootgesteld nanoregions 9, 10. Lagere gevoeligheid lichtgevoelige dat langere blootstelling moeten onderdrukken deze effecten, maar ze verminderen ook doorzet.
Op moleculaire schaal, de bijdrage aan lijn rand ruwheid van de moleculaire grootteverdeling inherent aan de fotoresist polymeren kunnen worden verminderd door moleculaire 11 resists. Een aanpak die complementair is aan deze top-down verwerking van nano-patroonvorming is het gebruik van bottom-up methoden 12,s = "xref"> 13 die beroept op de gerichte zelfassemblage (DSA) van diblokpolymeren 14. Het vermogen van deze processen direct kiemvorming en niet-uniforme afstand tussen gewenste patronen, zoals gaten of lijnen maken, blijft een uitdaging. De grootteverdeling van moleculaire componenten 15, 16 beperkt ook de omvang en opbrengst van fabricage 17, 18. Soortgelijke problemen beperken microcontactprinten van nanodeeltjes in zachte lithografie 19.
Dit artikel presenteert studies van een nieuwe hybride aanpak (Figuur 1) dat de klassieke top-down projectie lithografie met elektrostatisch gericht zelfassemblage combineert om het effect van SN / line-edge ruwheid (LER) 20 te verminderen. Positief geladen aminogroepen op zelf-geassembleerde monolagen (SAMs) N - (2-aminoethyl)-11-Amino-undecyl-methoxy-silaan (AATMS) achter de PMMA film blootgesteld na ontwikkeling. De negatief geladen fotolaklaag van PMMA elektrostatisch trechters negatief geladen gouden nanodeeltjes (BNP), afgedekt met citraat, 21-24 in-SN getroffen gaten 25. Opnieuw stroming van de PMMA fotoresist overspoelt predeposited nanodeeltjes in de film.
Figuur 1: Schematische weergave van de strategie om de gevolgen van de opname-noise en line-edge ruwheid te verwijderen voor de patroonvorming van contact gaten met behulp van NP van precieze grootte. Hier is de kritische dimensie (CD) is de gewenste diameter van de gaten. De benadering (stap 1) begint met afzetten van een zelf-geassembleerde monolaag (SAM) silaan molecule die positief geladen aminogroepen op het oxide brandingace van een silicium wafer. Vervolgens wordt E-lithografie gebruikt om de gaten patroon (stappen 2 en 3) in PMMA fotolaklaag, de blauwe laag die opname-lawaai ontstaat zoals weergegeven beeld de inzet SEM. Lithografie blootstelt aminegroepen onder in de gaten. Stap 4 behelst de waterfase afzetting van gecontroleerde-size, citraat bedekte (negatief geladen) gouden nanodeeltjes (BNP) in lithografisch patroon gaten met behulp van elektrostatische trechtervorming (EF). In stap 5 verhitten van de plak tot 100 ° C, beneden de glasovergangstemperatuur van het PMMA, 110 ° C, veroorzaakt de reflow van de fotoresist rond eerder afgegeven nanodeeltjes. Etsen bedekt met PMMA zuurstofplasma (stap 6) brengt BNP, en vervolgens nat-etsen (jodium) van de blootgestelde deeltjes (stap 7) creëert openingen overeenstemming met de diameter van het BNP. In combinatie met reactieve-ionen / nat-etsen, is het mogelijk om het gatenpatroon overdragen de fotoresist op SiO 2 (stap 8) 31. Opnieuwbedrukt met toestemming van referentie 20. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De elektrostatische interactie tussen de tegengesteld geladen BNP en aminegroepen op het substraat verhindert de verplaatsing van het BNP van de bindingsplaats. De reflow stap handhaaft de relatieve locatie van het BNP, maar wist de gaten en de effecten van SN / LER. Plasma / nat etsen stappen regenereren gaten dat de omvang van het BNP hebben. Reactief-ion etsen overdraagt hun patroon SiO 2 hard-masker lagen. De werkwijze berust op het gebruik van meer uniforme grootte nanodeeltjes dan gevormde nanohole (NH), uitgedrukt als de standaarddeviatie σ, zodat σ BNP <σ NH. Dit rapport staat stappen (4 en 5 in figuur 1 beschreven) waarbij de afzetting van nanodeeltjes uit dispersie en dereflow van de fotoresist om hen de voordelen en beperkingen van de methode te bepalen. Beide stappen zijn in beginsel schaalbaar tot grotere substraten, waarvoor geen uitgebreide modificatie van de stroom produceren moderne geïntegreerde circuits op chips.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. derivatiseren en karakteriseren van het oppervlak van de silicium wafers
- Reinig het oppervlak van wafers met behulp van Radio Corporation of America (RCA) reinigingsmiddelen SC1 en SC2.
- Bereid SC1 SC2 en volumetrisch door mengen van de volgende stoffen:
SC1: H 2 O 2: NH 4 OH: H2O = 1: 1: 5 v / v en SC2: H 2 O 2: HCl: H2O = 1: 1: 5 v / v.- Dompel de wafer in SC1 gedurende 10 min bij 70 ° C, en vervolgens een gedemineraliseerd water wassen.
- Ontwikkelen volgens het protocol voor SC2 (10 min bij 70 ° C, gevolgd door een was).
OPMERKING: De reinigingsprocedure verwijdert organische en ionische verontreinigingen genereert silanolgroepen op het siliciumoxide oppervlak van het silicium wafers.
- Derivatiseren het oppervlak van het silicium wafers met AATMS
- Incubeer de gereinigde siliciumwafel in 0,05 M AATMS (bereid in dry tolueen) bij 80 ° C gedurende 20 min. Sonificeer 5 min in een 100 W sonicator bij kamertemperatuur in zuivere tolueen gedurende 5 minuten en drogen in een stroom van stikstofgas.
- Kenmerken de oppervlakken van de gederivatiseerde siliciumwafels
- Meet het contact hoek met behulp van een goniometer en ImageJ software 25.
- Bepaal de dikte van de folies met een ellipsometer (He-Ne laser lichtbron, λ = 632,8 nm, vaste invalshoek van 70 °) 25.
- Schat de oppervlakte elementaire samenstelling van X-ray foto-elektron spectroscopie (XPS) 25.
2. E-beam patroonvorming
- Spin-laag fotoresist (2% poly (methyl methacrylaat (PMMA) in anisool) op AATMS- gederivatiseerde wafers bij 4000 rpm gedurende 60 s.
- Voorbakcellen de film bij 180 ° C gedurende 120 s op de fotolaklaag te drogen.
- Meet de fotolakfilmdiktemet een ellipsometer. Zorg ervoor dat de He-Ne laser lichtbron, λ = 632,8 nm, is vastgesteld op een invalshoek van 70 °. Optimaliseer de monstertafel het detectorsignaal maximaal met een reflecterend oppervlak zoals silicium wafer. Gebruik de ellipsometer meetprogramma (GEMP) op de bijgevoegde PC naar de fotolakfilmdikte meten; Het moet ongeveer 100 nm.
- E-beam exposure:
- Breng de wafer om een high-vacuümkamer van een E-beam aligner.
- Maak een poker dot gatenpatroon met behulp van een elektronenbundel (30 kV versnellende voltage, 37 pA straalstroom) die door een 10-um diafragma en het verstrekken van een 24 uC / cm 3 dosering.
- Pas het patroon veld en dosering als nodig is om een poker dot-type hole-patroon van het gewenste gat met een diameter (80 nm) en toonhoogte (200 nm) te produceren.
- Verwijder de wafer uit de E-beam kamer.
- Ontwikkel de lithografische patroon:
- Beginnenpatroonontwikkeling in een oplossing van methylisobutylketon / isopropylalcohol (MIBK / IPA, 1: 3 (v: v)) gedurende 70 s.
- Verder blijven ontwikkelen door onderdompeling in IPA gedurende 30 s. Voltooiing van de ontwikkeling door wassen in gedemineraliseerd water gedurende 30 s. Drogen van de wafel in een stroom stikstofgas.
3. Afzetting van BNP in-E-beam patroon Holes
LET OP: Afzetting van BNP in gedessineerde gaten maakt gebruik van twee verschillende methoden.
- Dompel pre-patroon wafers in BNP oplossingen (methode 1).
- Laat het monster in het BNP suspensiemedium voor 24-48 uur, afhankelijk van de grootte van het BNP en de diameters van de gaten. Gebruik een 20-nm-citraat bedekte BNP suspensie die 7,0 x 10 11 NP / mL.
NB: Men kan een BNP maat 10-100 nm en een concentratiegebied van 5,7 in dienst x 10 12-5,7 x 10 9 NP / ml, zoals bepaald door Ted Pella. Merk op dat de afzetting dichtheid gehoorzaamtde diffusie wet ̴ (Dt) 1/2, waarbij D en t diffusie coëfficiënten van de nanodeeltjes en depositie tijd, respectievelijk (dat wil zeggen, kleinere deeltjes neem een kortere tijd voor afzetting, zoals besproken in referentie 20, figuur 2c).
- Laat het monster in het BNP suspensiemedium voor 24-48 uur, afhankelijk van de grootte van het BNP en de diameters van de gaten. Gebruik een 20-nm-citraat bedekte BNP suspensie die 7,0 x 10 11 NP / mL.
- Spray-deposit BNP op het patroon wafers (Methode 2)
- Om BNP deponeren door verdamping, spuit een oplossing van BNP op het patroon substraat, horizontaal geplaatst. Oriënteren in de hand gehouden sproeier (methode 2), zodat de nevel loodrecht is gericht op het substraatoppervlak.
- Spuit een voldoende volume van de suspensieoplossing op het gehele substraatoppervlak bevochtigen.
NB: Het kan nodig zijn om de BNP schorsing verdunnen van 10x om te voorkomen dwingt meerdere nanodeeltjes in een groot gat. - Incubeer monsters op een hete plaat gehouden op 30-35 ° C voor gecontroleerde verdamping te produceren voor 10 min.
- Na afzetting (door een van beide methode1 of werkwijze 2), mild ultrasonicate (100 W) de monsters in gedeïoniseerd water gedurende 50 s en droog in een stroom stikstofgas.
4. Scanning Electron Microscopy Imaging
LET OP: Er zijn twee soorten van studies die betrokken zijn gebruikelijke top-down en cross-sectionele SEM beeldvorming.
- Voor bovenaf SEM afbeeldingen Gebruik een elektronenbundel versnellingsspanning van 5 kV bij een stroom van 300 uA ~ beschadiging van de fotoresist film te voorkomen.
Voorzichtig: De laagst mogelijke spanning en stroom instelling nodig om ketensplitsing reacties in de fotoresist te verminderen. Deze ketenbreuk reacties te verminderen de glasovergangstemperatuur van het polymeer, waardoor de bedrijfstemperatuur van de resist reflow stap hieronder beschreven beïnvloedt. - Dwarsdoorsnede beeldvorming:
- Sputter-coat 10 nm van dikke gouden folie over PMMA fotolak aan ion-beam schade te voorkomen. Gebruik een gefocusseerde ionenbundel Ga bedreven bij 30 kV en 93pA door de gaten te snijden. Verkrijgen dwarsdoorsnede SEM foto's door het kantelen van de wafer uit zijn normale horizontale stand.
5. Opnieuw plaatsen van PMMA fotoresist rond BNP in de Patterned Gaten
- Verwarm de gevormde substraten op een hete plaat bij T terugvloeiing (100 ° C) gedurende 3 min, hetgeen lager is dan de vooraf bepaalde glasovergangstemperatuur, Tg (110 ° C) van 950.000 g / mol PMMA; het tarief van reflow voor het polymeer was 1,7 ± 0,1 nm / s.
Voorzichtig: Aanzienlijk sneller reflow zich voor het patroon gebieden die eerder aan de elektronenbundel waren blootgesteld tijdens de beeldvorming met scanning elektronenmicroscopie (SEM), misschien vanwege de splitsing van de polymère hoofdketen tijdens blootstelling aan de elektronenbundel, waardoor een verlaging van Tg. Deze observatie wordt ondersteund door studies van Keymeulen en medewerkers, die opmerkt dat blootstelling aan röntgenstraling verkleinde T26 g PMMA.
6. droog- en nat-etsen
- Droog etsen voldoende tijd (55 s) met zuurstof-plasma BNP bedekt met een dunne film van PMMA na reflow bloot. nauwlettend de snelheid van etsen PMMA film als functie van de tijd met een ellipsometer of dunne laagdikte monitor.
LET OP: Een te korte duur etsen misschien niet de BNP bloot te leggen, terwijl het etsen te lang zou volledig de PMMA film te verwijderen. Voor 950 kDa PMMA, de etssnelheid was 1,5 nm / s, noodzakelijk 55 s van het etsen tijd. - Nat etsen BNP onderaan de contactgaten na reflow met een oplossing van jood, bevattende 1,0 g jodium kristallen (I 2), 4,0 g kaliumjodide (KI) en 40 ml gedeïoniseerd water, gedurende 10 minuten.
OPMERKING: kaliumjodide verbetert de oplosbaarheid van jood in oplossing en vergemakkelijkt goud etsen. De reactie van goud met jodium (2AU + I 2 → 2 AUI) produceert goudjodide, die slecht oplosbaar in waterige oplossing bij kamertemperatuur.
7. Berekening van de Particle Verplaatsing, dichtheid, en Fill Fraction
- Lokaliseren van de boring en het BNP verplaatsing:
- Met de hand tekenen horizontale en verticale best passende rechte lijn door de rijen en kolommen van gaten, respectievelijk vaste boringen op de snijpunten van deze lijnen (figuur 2a en 2b). Ten minste 500 + gaten in de berekeningen.
- De positie, r, van elk nanodeeltje opzichte van het midden van de nanohole (dwz de verplaatsing), waarin is aangebracht (figuur 2b) handmatig vaststellen.
- Bepaal het aantal deeltjes versus verplaatsing histogrammen met behulp van een standaard spreadsheetprogramma.
- Berekening van de deeltjesdichtheid: ρ = N (aantal deeltjes) / oppervlakte-eenheid (um 2):
. - Som het aantal deeltjes, N, in het gebied van het histogram uitgevoerd in stap 7.2, hierboven.
- Herhaal de procedure als functie van r tot ongeveer 10 gelijke stappen eindigt bij r = R de straal gat genereren.
. OPMERKING: Nadat de reflow gaten verdwijnen, trekt best passende horizontale en verticale lijnen op het BNP posities om de best-fit waarden vast te stellen voor het gat centra. Bereken het deeltje verplaatsingen als in stap 7.1 en haal de gecombineerde σ Total volgens het protocol afgebakend in stappen 7,2-7,4.
OPMERKING: Hier, gecombineerde of totale verwijst naar de totale verplaatsing van BNP door de depositie reflow stappen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 2 toont een SEM afbeelding van 20 nm-BNP gedeponeerd in 80-nm diameter gaten gevormd in een 60-100 nm dikke PMMA film gedreven door elektrostatische trechtervorming. Zoals opgemerkt door anderen 22, het proces resulteerde in ongeveer één deeltje per hole. De verdeling van deeltjes rond het midden van de gaten was Gauss (rechtsboven inzet). Meest gaten (93%) bevatte een BNP en 95% van deze deeltjes zich binnen 20 nm van het centrum. Verdere optimalisatie, elders besproken, is nodig om de vulling-fractie en de centrering van de BNP's 20, 25 te verbeteren. Figuur 2b en 2c toont SEM beelden van de afgezette BNP van grotere gebieden van de wafel, voor en na reflow van de fotoresist. De discussie paragraaf geeft verdere kwantitatieve analyse.
Figuur 2: (a) 20-nm diameter BNP gedeponeerd in 80 nm diameter gaten van elkaar gescheiden door een worp, P, van 200 nm (linksboven inzet). 93% van de gaten bevatten één nanodeeltje en 95% van de nanodeeltjes binnen 18 nm van het centrum (blauwe cirkel). Rechtsboven inzet toont een Gauss-verdeling van het deeltje verplaatsing van het centrum, met σ = 9,0 ± 0,1 nm. (B) SEM beeld van een groot gebied na afzetting, σ = 9 ± 1 nm. (C) Hetzelfde als b) na reflow van de fotoresist, σ = 11 ± 2 nm. Gewijzigd met toestemming van referentie 20. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De verdampende afzetting zou kunnen verminderen24-48 h de gewenste depositie 25. Wanneer dispersies van nanodeeltjes mochten verdampen op het oppervlak met patroon, BNP afgezet op de PMMA film, en in gaten. Milde ultrasone trillingen in een gebufferde oplossing verwijderd zwak gebonden BNP op de PMMA, waardoor alleen de sterk gebonden deeltjes in de gaten. Figuur 3 illustreert hoe meerdere deeltjes kan worden gedwongen gaten met deze methode vanwege de verminderde afstoting tussen de deeltjes in het geleidelijk geconcentreerde ionische dispersie. Dergelijke ionische screening effecten worden vermeden, omdat ze lieten veeldeeltjes bezetting en verlaagde efficiëntie van de elektrostatische trechtervorming dat het deeltje doorstuurt naar het midden van het gat. Verlagen van de concentratie van BNP in het deponeren dispersie, samen met ultrasone trillingen, zou leiden tot het vrijgeven van de afzetting van één deeltje per gat sneller dan de bulk oplossingsfase depositie. In dit werk, hebben we niet het optimaliseren van denoodzakelijke voorwaarden.
Figuur 3: Afzetting van BNP tijdens een verdamping die langer dan 20 min. De onderste SEM microfoto tonen top-down en dwarsdoorsneden gaten patroon van E-beam. Gewijzigd met toestemming van referentie 25. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De cross-sectionele SEM profiel getoond het gat zijwanden schuin ten opzichte van hun centra. De hoek van de zijwand was minder dan de optimale 90 °, om een toenemende dwarsdoorsnede in de put bij het naderen van de fotoresist-wafer interface. Deze configuratie verklaart de waargenomen verpakking patroon (links) van de partikelen, met vermelding van hun verplaatsing weg van het midden van het gat. Betere focussering van de elektronenbundel, onder het grensvlak tussen lucht en de fotoresist film, zou een dergelijke artefact elimineren.
Dunne, solide films van PMMA fotoresist 27-30 vloeibaar te maken en de stroom in de buurt van het glas overgang, Tg, van 110 ºC. Een temperatuur 10 ° onder de Tg van het fotoresist polymeer, PMMA, geïnitieerd langzaam reflow van de fotoresist. In de zacht, vloeistof-achtige, glasachtige toestand, de oppervlaktespanning van de fotolaklaag verlaagde de rand kromming en ruwheid, leidt tot onderdrukking van LER effecten. De uitlopende vloeibare fotoresist voor volledig overspoeld nanogaatjes, samen met de afgezette BNP, zoals geïllustreerd in figuur 4, waarbij het aantal BNP per gat was hoog. Merk op hoe de fotoresist reflow van het gat grenzen gewist the patroon van nanogaatjes in de film. Niettemin sterk gebonden BNP vastgezet in de positie register van het patroon. Opmerkelijk is dat deze fotolak-reflow studies toonden sterke elektrostatische binding van het citraat bedekte BNP tot amine-beëindigd silanen. De gelijkenis van de depositie patroon van het BNP voor en na reflow ondersteunde deze conclusie; zie figuur 4c (zie hieronder).
Figuur 4: De posities van de gedeponeerde BNP relatief ongevoelig voor de reflow van de fotoresist (zie tekst). Patronen van de afgezette 60 nm BNP in 250-nm holes: (a) voor reflow, (b) na gedeeltelijke reflow, en (c) na volledige reflow. Klik hier om een grotere versie van deze figur bekijkene.
De algemene volgorde van stappen en de veranderingen in de overeenkomstige SEM beelden zijn weergegeven in figuur 5. In figuur 5b, de gaten in de folie gekrompen tijdens reflow fotoresist, terwijl overspoelt proces in minder dan 3 minuten (figuur 5c) voltooid. Zuurstofplasma geëtst het dikkere film van fotolak die overlay op de top van BNP, bloot te stellen aan de lucht. Eenmaal blootgesteld, deze BNP waren nat-geëtst met behulp van goud ets oplossing op basis van KI / I 2 (Figuur 5d). De variatiecoëfficiënt voor de diameters was 9% voor het gat gevormd door de BNP-geassisteerde proces. Merk op dat in deze studies het uitgangsmateriaal diameter van de gaten kromp 80-20 nm, die de sterkte van het principe onderstreept. De belangrijkste beperking van de methode wordt de onzekerheid in de positie van een ontspannen boring door een combinatie van onzekerheden intr oduced tijdens het BNP afzetting en het weerstaan reflow. Huidige lopende werkzaamheden pogingen om deze effecten aan te pakken. Naast goud, andere nanodeeltjes van verschillende materialen, zoals siliciumdioxide (etsbaar in verdund HF), kan worden gebruikt om materiaal en verwerkingskosten verlagen. De primaire eis is dat de nanodeeltjes / nanostructuur selectief etsbare zonder de resist materiaal moet zijn.
Figuur 5: SEM. Beelden tijdens de stappen gebruikt om de variatie van gatafmetingen minimaliseren verzameld. (A) Deposito (24 uur). (B en c) het opnieuw plaatsen van de fotoresist (20 s, 3 min). (d) Etsen PMMA (O 2 plasma: 55 s) en het BNP (nat-ets met I 2 / KI-oplossing: 10 min)."> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Shot-noise (SN) in lithografie is een eenvoudige gevolg van statistische fluctuaties in het aantal fotonen of deeltjes (N) aankomst in een bepaalde nano-regio; is omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van een aantal fotonen / deeltjes:
waarin A en R de stippellijn de grootte van het blootgestelde gebied, respectievelijk. Bijvoorbeeld, bij gebruik van een ArF-193 nm (6,4 eV) excimer laser patroon 50-nm gaten, het aantal fotonen ontving ongeveer 1 x 10 6 in een dosis blootstelling van 52 mJ / cm2. Voor een 50 keV elektronenbundel bron, het aantal elektronen leveren van 50 mJ / cm 2 zou ongeveer 128 zijn, wat impliceert dat het effect van SN zou 100 keer groter voor E-beam lithografie. Bovendien is het aantal fotonen / elektronen aankomen in een bepaald gebied afneemt direct met de oppervlakte van het patroon. Bijgevolg alarge schommelingen in de omvang van gaten die "identiek" exposure resultaten ontvangen optreedt als de afmeting van het gat worden gemaakt afneemt. Voor de 35 nm gaten in figuur 1 met het 30 keV elektronenbundel ongeveer 1440 elektronen leveren de vereiste dosis van 24 uC / cm2. Symbolen 20 nm gaten onder identieke omstandigheden, zou men ongeveer 400 elektronen, dat dicht bij de theoretische limiet SN (200 elektronen) van de Moreau 32 nodig. Momenteel is de enige manier om het effect van SN onderdrukken is door het gebruik van een lage gevoeligheid fotoresist die een hogere elektron / foton dosis moet. Dit gaan ten koste van lagere doorzet en hogere kosten voor nano-patroonvorming. Onze methode vermindert het effect van grootte schommelingen door monodisperse nanostructuren om de grootte van het lithografisch gevormde gaten herdefiniëren behoud van de oorspronkelijke positie register. Het register wordt vastgesteld door de sterke elektrostatische binding van nanostructurenhet oppervlak, geleid door elektrostatische trechtervorming.
Het succes van de patronen in deze methode is afhankelijk van twee effecten. De eerste is de variatie in de afmetingen van de gaten en de tweede is de centrering van de nanodeeltjes in de gaten die de positionele register beïnvloeden. De variatiecoëfficiënt voor de diameter van de gaten gevormd door deze benadering (9% of 19 ± 2 nm) is vergelijkbaar met de coëfficiënt van de grootte (8%) van het BNP 20. Anderzijds, zoals geopenbaard in figuur 1, de E-bundel-gevormde 35 nm (35 ± 9) gaten, die zonder deze benadering had een CV van 35%. De bijbehorende CV van E-beam-alone patroonvorming zou nog erger worden wanneer het vervaardigen van 20 nm gaten. De SN kan worden ingesteld in verhouding tot de te CV, met ruwe schattingen van cv voor 20 nm en 80 nm gaten aan 61% en 15%, respectievelijk. De hier gepresenteerde methode biedt tenminste een zesvoudige (~ 61% / 9%) verbetering in de CV via e-beam-alone patroonvorming van 20 nm gaten. Zelfs ab 80-nm gaten, bijna 60% verbetering van CV resultaten (~ 15% / 9%) plaatsvindt na deze benadering.
Het tweede effect heeft betrekking op de depositie van deeltjes van het geometrische midden van de gaten (register). Twee factoren hiertoe werden uit SEM data verzameld na de afzetting van BNP in gaten (figuur 2b) en na fotoresist-reflow (figuur 2c). De statistische analyse van de verplaatsing van BNP van het centrum van de nanogaatjes waarin zij verbleven (figuur 2a) onthulde dat gedurende de oplossingsfase afzetting, de verdeling van BNP over het midden van het gat was Gaussian, met een standaardafwijking (σ deposition) van 9 nm, of ongeveer de helft van de diameter van BNP. De analyseprocedure kwam overeen met de veronderstelling dat de deeltjes gemiddeld blijven op het centrum van gaten, hoewel zij afzonderlijk kunnen worden verplaatst randomly door diffusie tijdens de afzetting.
De tweede factor die van invloed verplaatsing door de beweging van BNP in de fotoresist reflow. Resultaten, weergegeven in figuur 4, tonen aan dat de positief geladen AATMS SAM bindt zo sterk te BNP dat ze niet bewegen tijdens reflow van de fotoresist. Een soortgelijke analyse van de SEM foto's (zie boven) verzameld na de fotoresist reflow (figuur 2c) stap op voorwaarde dat de totale standaarddeviatie (σ Total) in het deeltje positionering (dwz registry) na de afzetting en reflow. Om de bijdrage van resist reflow extraheren we aangenomen dat het proces van depositie fotoresist-reflow produceren onafhankelijke effecten bij het verplaatsen van deeltjes van het centrum van openingen, zodat:
Uitgerust met de waarden van σ; Depositie (9 ± 1 nm) en σ Totaal (11 ± 2 nm), de geëxtraheerde waarde van σ Resist-reflow werd geschat op 6 nm, wat vergelijkbaar is met driemaal de standaardafwijking in de 20 nm BNP zijn. Zo'n lage standaarddeviatie impliceert een zeer verwaarloosbaar effect op de verplaatsing van gebonden deeltjes tijdens de fotoresist reflow proces. Toch is de σ Deposition blijkt direct af van de grootte van het BNP; Er is dus een aanzienlijke verbetering. Een model elders gepresenteerd 20 stelt het optimaliseren van de lading dichtheid van de fotolaklaag SAM en de positionele register verbeteren. Verschillende methoden, waaronder het gebruik van elektrostatische vooringenomenheid en lading op BNP, worden momenteel onderzocht. Dat, zoals hierboven besproken, dat een SEM-analyse verschaft een eenvoudige werkwijze voor de bovenstaande werkwijze van optimalisatie.
De commerciële beschiklabiliteit van bijna monodisperse BNP deeltjes dicteerde de keuze van de gouden nanodeeltjes. In principe andere goedkope nanomaterialen, zoals silica nanodeeltjes gederivatiseerd met geschikte geladen chelator, zijn ook geschikte kandidaten. Het belangrijkste criterium voor de selectie van nanodeeltjes is hun monodispersiteit en hun gevoeligheid voor etsen. Voor elektrostatische trechtervorming, moeten passende aanvullende ladingen op de SAM en NP aanwezig zijn. De lading op NPs afhankelijk van de zeta potentiaal, die teken en de grootte kan worden ingesteld hetzij door de pH van de oplossing of de lading van chelaatvormers. Evenzo selecteren kationogene of anionogene eindstandige eindgroepen maakt de aanpassing van oppervlaktelading op het SAM. Als geperfectioneerd, de methode gemakkelijk strekt zich uit tot patroon geul lijnen met nanodraden 33-35. Het succes van de werkwijze hangt af van het optimaliseren van de plaatsing en het vullen nanostructuren op vooraf gevormde photoresist films, het benutten van elektrostatische, magnetische, of ligand-ligatie interacties.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Intel Corporation gefinancierd dit werk door middel van subsidie nummer 414.305, en de Oregon Nanotechnologie en microtechnologie Initiative (ONAMI) voorzien matching funds. Wij dankbaar erkennen de ondersteuning en advies van Dr. James Blackwell in alle fasen van dit werk. Speciale dank gaat uit naar Drew Beasau en Chelsea Benedict voor het analyseren deeltje positionering statistieken. Wij danken Professor Hall voor een zorgvuldige lezing van het manuscript en Dr. Kurt Langworthy, aan de Universiteit van Oregon, Eugene, OR, voor zijn hulp bij E-lithografie.
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).
