Summary
Jevnstore nanopartikler kan fjerne svingninger i kontakthulldimensjoner mønstret i poly (metylmetakrylat) (PMMA) fotoresist filmer av elektronstråle (E-stråle) litografi. Prosessen innebærer elektrotrakt til sentrum og innskuddsnanopartikler i kontakt hull, etterfulgt av fotoresist reflow og plasma- og våt-etsing trinn.
Abstract
Nano-mønstre fabrikkert med ekstrem ultrafiolett (EUV) eller elektronstråle (E-stråle) litografi utstillingen uventede variasjoner i størrelse. Denne variasjon har blitt tilskrevet statistiske fluktuasjoner i antall fotoner / elektroner som ankommer ved en gitt nano-region som følge av skudd-støy (SN). SN varierer inverst med kvadratroten av et antall fotoner / elektroner. For en fast dosering, er SN større i EUV og E-stråle litografier enn for tradisjonell (193 nm) optisk litografi. Bottom-up og top-down mønstrings tilnærminger kombineres for å minimalisere virkningene av skutt støy i nano-hulls mønster. Nærmere bestemt, et amino-silan overflateaktive selv setter sammen på en silisiumskive som deretter ring belagt med et 100 nm film av en PMMA-baserte E-stråle-fotoresist. Eksponering til E-bjelke og den påfølgende utvikling avdekke det underliggende overflateaktive film ved bunnen av hullene. Dyppe kjeks i en suspensjon av negativt ladet, citrat-capped, 20 nm ggamle nanopartikler (BNP) innskudd en partikkel per hull. Den eksponerte positivt ladet overflateaktivt middel film i hullet elektrostatisk trakter den negativt ladede nanopartikkel til sentrum av en eksponert hullet, som permanent fikserer posisjons registret. Deretter ved oppvarming nær glassovergangstemperaturen for polymeren fotoresist, flyter det fotoresistente film og omslutter nanopartikler. Denne prosessen sletter hullene er berørt av SN men forlater avsatt GNPs låst på plass av sterke elektro bindende. Behandling med oksygenplasma eksponerer GNPs ved å etse et tynt lag av fotoresist. Wet-etse de eksponerte GNPs med en løsning av I 2 / KI gir ensartede hull ligger i sentrum av fordypninger mønstrede av E-beam litografi. Forsøkene viser at den presenterte fremgangsmåten reduserer variasjonen i størrelsen på hullene forårsaket av SN fra 35% til under 10%. Fremgangsmåten utvider mønstrings grensene for transistoren kontakthullene til under 20 nm.
Introduction
Den eksplosive veksten i regnekraft, som kvantifiseres ved Moores lov 1, 2 (1), er et resultat av progressive fremskritt i optisk litografi. I denne top-down mønster teknikk, den oppnåelige oppløsning, R, er gitt av den kjente Raleigh teorem 3:
Her, λ og NA er lys bølgelengde og numerisk apertur, henholdsvis. Legg merke til at NA = η · sinØ, hvor η er brytningsindeksen for mediet mellom linsen og skiven; θ = tan-1 (d / 2l) for diameteren, d, til linsen, og avstanden, l, mellom sentrum av linsen og skiven. I løpet av de siste femti år har den litografiske oppløsningen forbedres ved bruk av (a) lyskildes, inkludert excimer lasere, med gradvis mindre UV bølgelengder; (b) smarte optisk design syssels fase skift masker 4; og (c) høyere NA. For eksponering i luft (η = 1), er NA alltid mindre enn enhet, men ved å innføre en væske med η> 1, slik som vann 5, mellom linsen og skiven, kan NA være forhøyet over en, for derved å forbedre oppløsningen av nedsenking litografi. Foreløpig levedyktige veier til en 20-nm node og utover inkluderer ekstreme UV-kilder (λ = 13 nm) eller mønstrings teknikker ved hjelp av komplekse doble og firedoble behandlingen av en flerlags fotoresist 6, 7.
Ved nanometer-lengdeskala, statistiske svingninger, forårsaket av skudd-støy (SN), i antallet av fotoner som kommer innen et nano-region forårsake variasjon i dimensjonene lithogra pHIC mønstre. Disse effektene er mer uttalt med eksponering for høy energi EUV lys og E-bjelker, systemer som trenger størrelsesordener færre fotoner / partikler i forhold til normal optisk litografi 8. Super kjemisk forsterket (med en kvantevirkningsgrad> 1) fotoresister også innføre en kjemisk SN forårsaket av en variasjon i antallet av fotoreaktive molekyler i utsatte nanoregions 9, 10. Lavere følsomhet photoresists som trenger lengre eksponeringer undertrykke disse effektene, men også redusere gjennomstrømningen.
På den molekylære skala, til bidraget line-kant ruhet fra molekylstørrelsefordeling som ligger til fotoresist polymerer kan bli redusert ved hjelp av molekylære motstår 11. En tilnærming som er komplementær til denne top-down prosessering av nano-mønster er bruk av bottom-up metoder 12,s = "xref"> 13 som er avhengige spesifikt på den rettede selvbygging (DSA) av diblokk polymerer 14. Evnen av disse fremgangsmåter for å lede kjernedannelse og for å skape ikke-uniform avstand mellom ønskede mønstre, som for eksempel hull eller ledninger, forblir utfordrende. Størrelsesfordelingen av molekylære komponenter 15, 16 også begrenser omfanget og utbyttet av fabrikasjons 17, 18. Lignende problemer begrense mikro utskrift av nanopartikler i myk litografi 19.
Dette notatet presenterer studier av en ny hybrid tilnærming (figur 1) som kombinerer klassisk top-down projeksjon litografi med elektro rettet selvbygging for å redusere effekten av SN / line-edge ruhet (LER) 20. Positivt ladet amingrupper på selv-sammensatte enkeltsjikt (SAMS) N - (2-aminoetyl)-11-Amino-undecyl-metoksy-silan (AATMS) som ligger under PMMA-filmen blir eksponert etter fremkalling. Den negativt ladet fotoresist film av PMMA elektro trakter negativt ladet gull nanopartikler (GNPs), avkortet med citrate, 21-24 i SN-påvirket hull 25. Re-flyt av PMMA fotoresist omslutter predeposited nanopartikler i filmen.
Figur 1: Skjematisk fremstilling av strategien for å fjerne effekten av shot-noise og line-edge ruhet for fordelingen av kontakt hullene ved hjelp av NPs av nøyaktig størrelse. Her er den kritiske dimensjon (CD) er den ønskede diameteren av hullene. Tilnærmingen (trinn 1) begynner med å avsette en selv-sammenstilt monolaget (SAM) silan-molekyl som bærer positivt ladede amingrupper på oksydet surfeess av en silisiumskive. Deretter blir E-stråle-litografi som brukes til å mønster hullene (trinn 2 og 3) i PMMA fotoresistent film, det blå lag, som genererer shot-noise, som vist i den innfelte SEM-bilde. Litografi eksponerer amingrupper i bunnen av hullene. Trinn 4 innebærer vannfasen deponering av kontrollert størrelse, citrat-avkortet (negativt ladet) gullnanopartikler (GNPs) i litografisk mønstrede hullene ved hjelp av elektrotrakt (EF). I trinn 5, varme skiven til 100 ° C, under glassovergangstemperaturen for PMMA, 110 ° C, fører til at flyt av fotoresist rundt forhånds avsatt nanopartikler. Etsing belagt PMMA med oksygenplasma (trinn 6) eksponerer GNPs, og etterfølgende våt-etsing (jod) av de eksponerte partikler (trinn 7) danner hull som tilsvarer størrelsen på GNPs. Når dette kombineres med reaktiv-ione / våt-etsing, er det mulig å overføre hullmønsteret i fotoresist på SiO2 (trinn 8) 31. Retrykt med tillatelse fra referanse 20. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Den elektrostatiske interaksjon mellom de motsatt ladede GNPs og amingrupper på substratet hindrer forskyvning av GNPs fra bindingssetet. Den reflow trinnet opprettholder den relative plasseringen av GNPs men sletter hullene og effektene av SN / LER. Plasma / våte etsetrinn regenerere hull som har størrelsen av BNP. Reaktiv-ion etsing overfører sitt mønster til SiO 2 hard-maske lag. Metoden baserer seg på bruk av mer ensartet størrelse nanopartikler enn en mønstret nanohole (NH), uttrykt som standardavvik, σ, slik at σ BNP <σ NH. Denne rapporten fokuserer på trinn (4 og 5 som er beskrevet i figur 1) som involverer avsetning av nanopartikler fra dispersjonen og denflyt av fotoresist rundt dem for å vurdere fordeler og begrensninger av fremgangsmåten. Begge trinnene er, i prinsippet, skalerbar til større substrater, krever ingen utstrakt modifikasjon av den strømflyten for fremstilling av moderne integrerte kretser på brikker.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. derivatisere og karakterisere overflaten av silisiumskiver
- Rengjør overflaten av wafere ved hjelp av Radio Corporation of America (RCA) rengjøring løsninger SC1 og SC2.
- Forbered SC1 og SC2 ved volumetrisk blanding følgende kjemikalier:
SC1: H 2 O 2: NH4OH: H2O = 1: 1: 5 vol / vol og SC2: H 2 O 2: HCI: H2O = 1: 1: 5 vol / vol.- Senk wafer i SC1 i 10 minutter ved 70 ° C, og deretter utføre en avionisert vann vask.
- Følge en lignende protokoll for SC2 (10 min ved 70 ° C, etterfulgt av en vask).
MERK: Rengjøringsprosedyren fjerner organiske og ioniske urenheter og genererer silanolgrupper på silisiumoksid overflaten av silisiumskiver.
- Derivatisere overflater av silisium wafere med AATMS
- Inkuber renset silikonplaten i 0,05 M AATMS (fremstilt in dry toluen) ved 80 ° C i 20 min. Sonikere i 5 minutter i en 100 W sonikator ved romtemperatur i ren toluen i 5 minutter og tørk i en strøm av nitrogengass.
- Karakter overflatene av de derivatiserte silisiumwafere
- Mål kontaktvinkelen ved hjelp av et goniometer og ImageJ programvare 25.
- Bestemme tykkelsen av filmene ved anvendelse av en ellipsometer (He-Ne-laser lyskilde, λ = 632,8 nm, festet insidens vinkel på 70 °) 25.
- Beregn overflaten elementsammensetningen av X-ray fotoelektron spektroskopi (XPS) 25.
2. E-bjelke Mønster
- Spin-coat fotoresist (2% poly (metyl-metakrylat (PMMA) i anisol) på AATMS- derivatiserte wafere ved 4000 rpm i 60 s.
- Prebake filmen ved 180 ° C i 120 s for å tørke den fotoresistent film.
- Mål fotoresist filmtykkelseved hjelp av en ellipsometer. Kontroller at He-Ne laser lyskilde, λ = 632,8 nm, er fast med en forekomst vinkel på 70 °. Optimal prøven trinnet for å maksimere detektorsignalet ved å bruke en reflekterende overflate slik som silisiumskive. Bruk ellipsometer måleprogrammet (GEMP) på den tilkoblede PCen for å måle fotoresist filmtykkelse; Det bør være omtrent 100 nm.
- E-bjelke eksponering:
- Overfør wafer til en høy vakuumkammer av en E-stråle aligner.
- Opprett en poker prikk hull mønster ved hjelp av en elektronstråle (30 kV akselererende spenning, 37 pA strålestrømmen) går gjennom en 10-mikrometer blenderåpning og gir en 24 mikrochipen / cm3 dosering.
- Justere mønsteret banen og dosering som trengs for å produsere en poker dot-type hole-mønsteret til ønsket hull diameter (80 nm) og pitch (200 nm).
- Fjerne skiven fra den E-stråle-kammer.
- Utvikle litografiske mønster:
- Begynnemønster utvikling i en løsning av metylisobutylketon / isopropylalkohol (MIBK / IPA, 1: 3 (v: v)) i 70 sek.
- Fortsett å utvikle seg videre ved nedsenking i IPA i 30 s. Ferdigstille utviklingen ved å vaske i avionisert vann i 30 s. Tørk det platen i en strøm av nitrogengass.
3. Avsetning av GNPs inn E-bjelke-mønstrede Holes
MERK: Nedfall av GNPs i mønstrede hull bruker to forskjellige metoder.
- Fordyp pre-mønstrede wafere i BNP-løsninger (metode 1).
- La prøven i BNP suspensjonsmedium for 24-48 timer, avhengig av størrelsen av BNP, og diameteren til hullene. Bruk en 20-nm, citrat-capped BNP suspensjon inneholdende 7,0 x 10 11 NPs / ml.
MERK: Man kan ansette en BNP størrelse 10-100 nm og et konsentrasjonsområde fra 5,7 x 10 12 til 5,7 x 10 9 NPs / ml, som tilbys av Ted Pella. Legg merke til at deponering tetthet adlyderdiffusjonen lov ̴ (Dt) 1/2, hvor D og t er diffusjonskoeffisienter av nanopartikkel og avsetningstiden, henholdsvis (dvs. mindre partikler ta en kortere tid for avsetning, som beskrevet i referanse 20, figur 2c).
- La prøven i BNP suspensjonsmedium for 24-48 timer, avhengig av størrelsen av BNP, og diameteren til hullene. Bruk en 20-nm, citrat-capped BNP suspensjon inneholdende 7,0 x 10 11 NPs / ml.
- Spray-pant GNPs på de mønstrede wafere (metode 2)
- For å sette GNPs ved fordampning, spray en løsning av GNPs på det mønstrede underlaget som er lagt horisontalt. Orientere håndholdt sprøyte (metode 2), slik at sprayen er rettet vinkelrett på substratoverflaten.
- Spray et tilstrekkelig volum av suspensjonen løsningen for å fukte hele substratoverflaten.
MERK: Det kan være nødvendig å fortynne BNP suspensjon ved 10x for å unngå å tvinge flere nanopartikler inn i et stort hull. - Inkuber prøvene på en varm plate holdt ved 30-35 ° C for å produsere kontrollert fordampning i 10 min.
- Etter avsetning (ved enten metode1 eller metode 2), mildt ultrasonicate (100 W) prøvene i avionisert vann i 50 s og tørre i en strøm av nitrogengass.
4. Scanning elektronmikroskopi Imaging
MERK: To typer studier involvert konvensjonell top-down og tverrsnitts SEM bildebehandling.
- For top-down SEM bilder, bruker du en e-bjelke akselererende spenning på 5 kV ved en strøm på ~ 300 uA for å hindre skade på fotoresist filmen.
Forsiktig: lavest mulig spenning og strøm innstilling er nødvendig for å redusere kjedespalting reaksjoner i fotoresisten. Disse kjedespalting reaksjonene redusere glassdannelsestemperaturen for polymeren, som i sin tur påvirker det operative temperatur for å motstå flyt trinn beskrevet nedenfor. - Tverrsnitt bildebehandling:
- Frese-coat 10 nm tykk gull film over PMMA fotoresist å hindre ion-bjelke skade. Bruk en fokusert Ga ionstrålen operert ved 30 kV og 93pA å skjære gjennom hullene. Skaff tverrsnitt SEM bilder ved å vippe wafer fra sin normale horisontal stilling.
5. Reflow av PMMA fotoresist rundt GNPs i mønstret Holes
- Varm mønstrede underlag på en varm plate ved T flyt (100 ° C) i 3 minutter, som er under den forhåndsbestemte glassovergangstemperatur, T g (110 ° C), fra 950 000 g / mol PMMA; frekvensen av flyt for polymeren var 1,7 ± 0,1 nm / s.
Forsiktig: Betydelig hurtigere gjenflyt oppstått for de mønstrede områder som tidligere var blitt eksponert for e-stråle under avbildning med scanning elektronmikroskopi (SEM), kanskje på grunn av spaltning av den polymere hovedkjede ved eksponering for elektronstrålen, noe som fører til en reduksjon av T g. Denne observasjonen støttes av studier fra Keymeulen og medarbeidere, som bemerket at eksponering for røntgenstråling redusert Tg PMMA 26.
6. tørr- og våt-ets
- Tørr-ets for tilstrekkelig varighet (55 r) med oksygenplasma for å eksponere GNPs dekket med en tynn film av PMMA etter flyt. Følg nøye med frekvensen av PMMA film etsning som en funksjon av tid ved hjelp av en ellipsometer eller tynn filmtykkelse monitor.
MERK: En altfor kort etsing varighet kan ikke utsette GNPs, mens etsning for lenge vil fullstendig fjerne PMMA film. For 950 kDa PMMA, etsehastigheten var 1,5 Nm / s, nødvendig 55 s av etsing tid. - Våt-etse GNPs på bunnen av kontakt hullene etter gjenflyt ved hjelp av en oppløsning av jod, inneholdende 1,0 g jod krystall (I 2), 4,0 g av kaliumjodid (KI), og 40 ml avionisert vann, i 10 minutter.
MERK: Kaliumjodid forbedrer oppløseligheten av jod i oppløsningen og letter gull etsing. Reaksjonen av gull med jod (2AU + I 2 → 2 AUI) produserer gulljodid, noe som er lite oppløselig i vandig oppløsning ved værelsestemperatur.
7. Beregning av partikkel Displacement, tetthet, og Fyll Fraction
- Finne hullet sentrum og GNP forskyvning:
- For hånd, trekker horisontale og vertikale best tilpasning rette linjer mellom rader og kolonner av hull, henholdsvis til etablerte senteravstanden for hullene på kryss av disse linjer (figur 2a og 2b). Ta med minst 500 + hull i beregningene.
- Bestemme posisjonen, r, av hver nanopartikler i forhold til midten av nanohole (dvs. forskyvning), hvor det ble avsatt (figur 2b) manuelt.
- Bestem partikkelmengde versus forskyvning histogram ved hjelp av en standard regnearkprogram.
- Beregning av partikkeltetthet: ρ = N (antall partikler) / Unit Area (um 2):
. - Sum antall partikler, N, som ligger i området fra histogrammet konstruert i trinn 7.2, ovenfor.
- Gjenta fremgangsmåten som en funksjon av r for å generere omtrent 10 like trinn som terminerer ved r = R, hullet radius.
. MERK: Etter at reflow hullene forsvinner, tegne best tilpasning horisontale og vertikale linjer på BNP stillinger for å bestemme den optimale verdier for hullsentre. Beregn partikkel forskyvninger som i trinn 7,1 og trekke den kombinerte σ Total følge protokollen avgrenset i trinn 7.2-7.4.
MERK: Her kombineres eller total refererer til den totale forskyvning av BNP på grunn av deponering og reflow trinn.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 2 viser et SEM-bilde av 20 nm-GNPs avsatt på 80 nm diameter hull mønstrede i en 60-100 nm tykk film PMMA drevet av elektrotrakt. Som observert av andre 22, prosessen resulterte i omtrent en partikkel per hull. Fordelingen av partikler rundt sentrum av hullene var Gaussian (øverst til høyre innfelt). De fleste hullene (93%) inneholdt en BNP, og 95% av disse partiklene skjedde innenfor 20 nm fra sentrum. Ytterligere optimalisering, diskutert andre steder, er nødvendig for å forbedre fyll-fraksjonen og sentrering av den GNPs 20, 25. Figur 2b og 2c viser SEM bilder av de avsatte GNPs fra større områder av skiven, før og etter den flyt av fotoresist. Diskusjonen delen presenterer ytterligere kvantitativ analyse.
Figur 2: (a) 20-nm diameter GNPs deponert i 80 hull nm diameter adskilt av en pitch, P, på 200 nm (øverst til venstre innfelt). 93% av hullene inneholde en nanopartikkel, og 95% av nanopartikler er innenfor 18 nm fra sentrum (blå sirkel). Øverst til høyre innfelt viser en gaussisk fordeling av partikkelforflytningen fra sentrum, med σ = 9,0 ± 0,1 nm. (B) SEM-bilde av et stort område etter avsetning, σ = 9 ± 1 nm. (C) Samme som b) etter gjenflyt av fotoresist, σ = 11 ± 2 nm. Modifisert med tillatelse fra referanse 20. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Fordamping deponering kan reduserede 24-48 h kreves for deponering 25. Når dispersjoner av nanopartikler fikk lov til å fordampe på mønstret overflate, GNPs avsatt på PMMA-filmen, samt i hullene. Mild ultralydbehandling i en bufret oppløsning fjernet svakt bundet GNPs på PMMA, slik at bare de sterkt bundne partikler i hullene. Figur 3 illustrerer hvordan flere partikler kan bli tvunget inn i hullene ved hjelp av denne metode på grunn av redusert inter-partikkel repulsjon i den progressivt konsentrerte ionisk dispersjon. Slike ioniske screening effekter bør unngås, ettersom de tillater multiparticle belegg og senket effektiviteten av den elektrostatiske trakt som dirigerer partikkelen til midten av hullet. Å senke konsentrasjonen av GNPs i avsetnings dispersjonen, sammen med ultralydbehandling, vil gjøre det mulig for avsetning av en partikkel pr hull hurtigere enn bulkløsningen faseavsetning. I dette arbeidet har vi ikke optimaliserenødvendige betingelser.
Figur 3: Nedfall av GNPs under en fordampning som varer mer enn 20 min. Bunn SEM mikrografer viser top-down og tverrsnitt med hull mønstret av E-beam. Modifisert med tillatelse fra referanse 25. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tverrsnitts SEM profilen som vises hullveggene vippet mot sine sentre. Vinkelen til sideveggen var mindre enn den optimale 90 °, noe som skaper et økende tverrsnittsareal i brønnen ved nærmer fotoresisten skive grensesnitt. Denne konfigurasjonen forklarer den observerte pakking mønster (venstre) av partisykluser, indikerer deres forskyvning bort fra midten av hullet. Bedre fokusering av E-stråle, under grenseflaten mellom luft og fotoresisten film, ville eliminere en slik gjenstand.
Tynne, solide filmer av PMMA fotoresist 27-30 kondensere og renne i nærheten av glass overgang, T g, 110 ºC. En temperatur på 10 ° under den T g av fotoresist polymer, PMMA, satt i gang en langsom flyt av fotoresist. I myknet, væskelignende, glassaktig tilstand, overflatespenningen av fotoresisten film reduserte kantkrumning og ujevnheter, noe som resulterer i en undertrykkelse av ler effekter. Den rykkende væske fotoresist fram helt oppslukt nanoholes, sammen med de avsatte GNPs, som vist i figur 4, hvor antallet GNPs per hull var høy. Legg merke til hvordan fotoresist reflow fra hullet grenser slettet the mønster av nanoholes i filmen. Likevel, sterkt bundet GNPs låst inn i posisjons registeret av mønsteret. Bemerkelsesverdig, disse fotoresist-reflow studier viste sterk elektro binding av citrate-capped GNPs til amin-ende silaner. Likheten av deponering mønster av GNPs før og etter reflow støttet denne konklusjonen; se figur 4c (se nedenfor).
Figur 4: Posisjonene av de avsatte GNPs er forholdsvis ufølsomme overfor flyt av fotoresisten (se teksten). Mønstre av de avsatte 60 nm GNPs i 250 nm-hull: (a) før reflow, (b) etter delvis flyt, og (c) etter fullstendig reflow. Klikk her for å se en større versjon av denne figure.
Den generelle sekvens av trinn og endringene som oppstår i de tilsvarende SEM bilder er vist i figur 5. I figur 5b er hullene i filmen krympet i løpet av fotoresist flyt, mens den henger prosessen ble fullført på mindre enn 3 min (figur 5c). Oksygen plasma etset tykkere film av fotoresist som kledde på toppen av GNPs, utsette dem for luft. Når utsatt, disse GNPs var våt-etset ved hjelp av gull etsning løsning basert på KI / I2 (figur 5d). Variasjonskoeffisienten for diametrene var 9% for hullet som dannes av BNP-assistert prosess. Legg merke til at i disse studiene, utgangs diameteren av hullene krympet 80-20 nm, som viser styrken av tilnærmingen. Den primære begrensning av fremgangsmåten er innføring av usikkerheten i posisjonen til et gjenskapt hull sentrum på grunn av en kombinasjon av usikkerheter intr oduced løpet av BNP deponering og motstå flyt. Nåværende pågående arbeid forsøker å løse disse effektene. Foruten gull, andre nanopartikler av forskjellige materialer, for eksempel silika (etchable i fortynnet HF), kan brukes for å redusere materialer og behandlingskostnader. Det primære krav er at nanopartikkel / nanostrukturen må være selektivt etchable uten å påvirke motstå materiale.
Figur 5: SEM. Bilder som er samlet i løpet av fremgangsmåten som anvendes for å minimalisere variasjonen av hullstørrelser. (A) Avsetning (24 timer). (B og c) med tilpasset flyt av fotoresist (20 s, 3 min). (d) etsing PMMA (O to plasma: 55 s) og BNP (våt-etsing med I2 / KI-løsning: 10 min)."> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Skudd-støy (SN) i litografi er en enkel følge av statistiske variasjoner i antallet av fotoner eller partikler (N) som ankommer i en gitt nano-region; Det er omvendt proporsjonal med kvadratroten av et antall fotoner / partikler:
hvor A og r er arealet og størrelsen på det eksponerte område, henholdsvis. For eksempel, ved bruk av en ArF 193 nm (6,4-eV) excimer laser til mønster 50 nm-hull, er det antall fotoner som mottas ca. 1 x 10 til 6 ved eksponering dose på 52 mJ / cm 2. For en 50 keV E-stråle-kilde, det antall elektroner som leverer 50 mJ / cm 2, vil være omtrent 128, noe som tyder på at virkningen av SN ville være 100 ganger større for E-stråle-litografi. Videre er antall fotoner / elektroner som ankommer i en gitt region avtar direkte med arealet av mønsteret. Derfor alarge variasjoner i størrelsen på hull som mottatt "identiske" eksponering resultater opptrer når dimensjon av hullet for å være utformet avtar. For de 35 nm hullene er vist i figur 1, med den 30 keV E-bjelke, omtrent 1440 elektroner levere den nødvendige dose på 24 mikrochipen / cm2. Å mønster 20 nm hull under identiske forhold, ville man trenge om lag 400 elektroner, som er nær den teoretiske SN grense (200 elektroner) gitt av Moreau 32. For tiden, er den eneste måten å undertrykke virkningen av SN ved bruk av en lav-følsomhet fotoresist som trenger en høyere elektron / foton dose. Den kommer på bekostning av lavere gjennomstrømming og høyere kostnader for nano-mønster. Vår metode reduserer effekten av svingninger størrelse ved hjelp av monodisperse nanostrukturer for å redefinere størrelsen på litografisk mønstrede hull samtidig opprettholde den opprinnelige posisjon registret. Registret fastsettes av sterke elektro binding av nanostrukturertil overflaten, styrt av elektrotrakt.
Suksessen av mønster i denne fremgangsmåten avhenger av to effekter. Den første er variasjonen i størrelsen på hullene, og den andre er en sentrering av nanopartikler i hullene som påvirker posisjons registret. Variasjonskoeffisienten for diameteren av hullene mønstrede gjennom denne tilnærmingen (9%, eller 19 ± 2 nm) er sammenlignbar med den koeffisient av størrelsen (8%) av GNPs 20. På den annen side, som vist i figur 1, E-stråle-mønstrede 35 nm (35 ± 9) hull, gjort uten å bruke denne metode, hadde en CV på 35%. Den tilsvarende CV av E-stråle-stående mønster vil bli enda verre når fabrikere 20 nm hull. SN kan settes til å være proporsjonal med CV, med grove anslag over CV for 20 nm og 80 nm hull på 61% og 15%, henholdsvis. Metoden som presenteres her gir en forbedring på minst seks ganger (~ 61% / 9%) i CV via e-beam-Alone fordelingen av 20 nm hull. Selv starter med 80 nm-hull, nesten 60% forbedring i CV resultater (~ 15% / 9%) forekommer etter denne fremgangsmåten.
Den andre effekten gjelder partikkelavsetning bort fra det geometriske sentrum av hullene (register). To faktorer som bidrar til denne effekten ble hentet fra SEM data samlet inn etter deponering av GNPs i hull (figur 2b) og etter fotoresist-reflow (figur 2c). Den statistiske analyse av forskyvningen av GNPs fra sentrum av de nanoholes i hvilken de bopel (figur 2a) viste at i løpet av oppløsning-fase avsetning, fordelingen av GNPs om senteret av hullet var Gaussisk, med et standardavvik (σ nedfall) av 9 nm, eller omtrent halvparten av diameteren GNPs. Analysefremgangsmåten var tilsvarende forutsatt at partiklene i gjennomsnitt forblir i midten av hullene, selv om hver for seg kan de være forskjøvet randomly på grunn av diffusjon under avsetningen.
Den andre faktor som påvirker forskyvning er på grunn av bevegelse av GNPs løpet av fotoresist flyt. Resultatene presentert i Figur 4, viser at de positivt ladede AATMS SAM bindes så sterkt til GNPs at de ikke beveger seg under reflow av fotoresist. En tilsvarende analyse av SEM bilder (se ovenfor) oppsamlet etter at fotoresisten flyt (Figur 2c) trinn tilgjengelig den generelle standardavvik (σ Totalt) i partikkel posisjonering (dvs. register) etter avsetningen og flyt. Hvis du vil trekke bidraget fra motstå reflow, antok vi at prosessene for deponering og fotoresist-reflow produsere uavhengige effekter i fortrenge partikler fra sentrum av hull, slik at:
Bruke montert verdier av σ; Avsetning (9 ± 1 nm) og σ Sum (11 ± 2 nm), den ekstraherte verdien av σ Resist-flyt ble anslått til å være 6 nm, noe som kan sammenlignes med tre ganger standardavviket i de 20 nm GNPs. Et slikt lavt standardavvik innebærer en meget ubetydelig effekt på forskyvningen av bundne partikler under fotoresisten reflowprosessen. Ikke desto mindre synes det σ Deposition å variere direkte med størrelsen av BNP; derfor må det betydelige forbedringer. En modell presentert et annet sted 20 antyder optimalisering av ladningstetthet på den fotoresistent film og SAM for å forbedre posisjons registret. Flere metoder, herunder bruk av elektro skjevhet og belastning på GNPs, blir nå undersøkt. Legg merke til, som diskutert ovenfor, at et SEM-bilde-analyse tilveiebringer en grei metode for ovennevnte prosess med optimalisering.
Den kommersielle availabilitet av nesten monodisperse BNP partikler diktert valget av gull nanopartikler. I prinsippet, andre billige nanomaterialer, som for eksempel silika nanopartikler derivatisert med riktig ladet chelatdanner, er også egnede kandidater. Det primære kriteriet for valg av nanopartikler er deres monodispersitet og deres mottakelighet for etsing. For elektrotrakt, må nødvendige utfyllende ladninger på SAM og NP være til stede. Ladningen på NPS avhenger av zeta potensial, hvis fortegn og størrelse kan stilles inn enten gjennom pH-verdien i oppløsningen, eller ladningen på chelanter. På samme måte velger kationiske eller anioniske terminale endegrupper gjør det mulig for modifisering av overflateladningen på SAM. Hvis perfeksjonert, metoden strekker seg lett til mønster grøft linjer med nanotråder 33 - 35. Den totale suksessen av metoden vil avhenge optimalisere plassering og fylle nanostrukturer på pre-mønstret photore, består i filmer, utnytter elektro, magnetisk eller ligand-ligerings interaksjoner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noe å avsløre.
Acknowledgments
Intel Corporation finansiert dette arbeidet gjennom tilskudd nummer 414 305, og Oregon nanoteknologi og mikroteknologi Initiative (ONAMI) gitt samsvarende midler. Vi erkjenner takknemlig støtte og råd av Dr. James Blackwell i alle faser av dette arbeidet. En spesiell takk går til Drew Beasau og Chelsea Benedict for å analysere partikkel posisjonering statistikk. Vi takker professor Hall for en grundig lesning av manuskriptet og Dr. Kurt Langworthy, ved University of Oregon, Eugene, OR, for hans hjelp med E-beam litografi.
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).
