Vi bruger en aberration-korrigeret scanning transmissions elektronmikroskop til at definere encifrede nanometer mønstre i to udbredte elektronstråle modstår: poly (methylmethacrylat) og brint silsesquioxane. Modstå mønstre kan replikeres i målet materiale valg med encifrede nanometer troskab med liftoff, plasma ætsning, og modstå infiltration af organometallics.
Vi demonstrere udvidelse af electron-beam litografi ved hjælp af konventionelle modstår og mønster overførsel processer til etcifrede nanometer dimensioner ved at ansætte en aberration-korrigeret scanning transmissions elektronmikroskop som værktøjet eksponering. Her præsenterer vi resultaterne af etcifrede nanometer mønstre af to udbredte elektronstråle modstår: poly (methylmethacrylat) og brint silsesquioxane. Metoden opnår sub-5 nanometer funktioner i poly (methylmethacrylat) og sub-10 nanometer opløsning i brint silsesquioxane. High-fidelity overførsel af disse mønstre i målet materiale valg kan udføres ved hjælp af metal lift-off, plasma etch, og modstå infiltration med organometallics.
Protokollen præsenteret i dette håndskrift giver vejledning for at definere mønstre med encifrede nanometer opløsning i poly (methylmethacrylat) (PMMA) og brint silsesquioxane (HSQ), der er to fælles electron-beam modstår anvendes i høj opløsning mønstre af electron-beam litografi. Vi opnår disse resultater ved hjælp af en aberration-korrigeret scanning transmissions-elektronmikroskop (STEM) som værktøjet eksponering, udstyret med et mønster generator til at kontrollere elektronstrålen. Efter modstå eksponering, kan nanoskala mønstre overføres til en lang række mål materialer1, således at fabrikation af nye enheder på encifrede nanometer opløsning.
Tidligere undersøgelser har vist at electron-beam litografi (kvægleukose) er i stand til at definere mønstre i resist materialer med dimensioner i sub-10 nm skala2,3,4,5,6. Men for dimensioner omkring 4 nm, disse demonstrationer har kræves ikke-standardiserede procedurer såsom brug af bistå strukturer7 eller lang eksponering gange for selv at udvikle modstår8. Andre nanopatterning teknikker, såsom elektronstråle induceret deposition9 eller scanning probe litografi10,11, har vist sig i stand til at opnå sub-4 nm beslutning, selv om disse kræver betydeligt længere eksponering gange sammenlignet med kvægleukose.
Moderne dedikeret kvægleukose systemer producerer elektron bjælker med spot størrelser i de få nanometer længde skala (2-10 nm), hvilket gør definerende mønstre med sub-10 nm beslutning meget vanskeligt. I modsætning hertil gennemfører vores protokol kvægleukose ved hjælp af en aberration-korrigeret STÆNGEL, som er en stærkt optimeret instrument for materielle karakterisering på Ångstrøm længdeskalaer. Denne forskel giver mulighed for rutinemæssig mønstre af record-breaking Litografisk funktioner med enkelt nanometer opløsning1. Mens state-of-the-art, kommerciel aberration-korrigeret STILK systemer koster i rækken af millioner af dollars, de er tilgængelige til brug i flere nationale brugeren faciliteter og nogle er tilgængelig uden omkostninger.
Den mest kritiske trin i protokollen fokuserer elektronstråle før eksponering. Dette er nødvendigt for at nå højeste opløsning mønstre. Når du udfører flere eksponeringer (f.eks., når en TEM chip har flere vinduer og enkelte er at være mønstrede), er det vigtigt at fokusere strålen før hver eksponering på afstand ved de fleste 5 μm fra området eksponering. Protokollen indeholder også trin for at kontrollere stråle fokus før og efter eksponering på to ekstreme holdninger af området mønstre (øverste og nederste hjørner), som giver mulighed for en konstatering af om nogle defocusing opstod under mønstre, for eksempel skyldes en membran der lokalt på skrå i regionen mønstre.
Endnu et vigtigt skridt i denne protokol bruger kritiske punkt tørring (CPD) tørre prøver efter udvikle eksponerede modstå mønstre. Uden dette trin vil mønstre ofte sammenbrud på grund af de mønstrede strukturer (dvs., mønstrede modstå tværgående dimensioner mindre end tykkelsen) høj størrelsesforhold. De fleste CPD systemer levere en standard 2″ wafer indehaveren. Men da TEM chips er meget små og de mønstrede strukturer er ganske delikat, de kan blive beskadiget under CPD processen når de placeres i holdere designet til større prøver. Figur 3 viser en in-house løsning for CPD af TEM chips ved hjælp af en standard wafer indehaveren. De to vafler, med en aktivering af flow hul i midten, vedlægge TEM chip og beskytte det fra turbulent strømning under CPD-processen.
Bestemmelse af optimal modstå filmtykkelse forsøger at balancere konkurrerende krav. På den ene side, det skal være så tynde som muligt for at opnå den højeste opløsning og undgå mønster sammenbrud, men på den anden side, det bør være tyk nok til mønster overførsel applikationer såsom lift-off og ætsning. Denne protokol bruger 1% HSQ, hvilket er den laveste fortynding kommercielt tilgængelige og hvis yderligere fortynding i laboratoriet er ikke anbefalet (vores erfaring viser, at fortyndet HSQ fører ofte til delvis crosslinking). Men da fortyndet PMMA giver reproducerbare resultater, denne protokol bruger 1% for positive-tone PMMA (30 nm tykkelse) og 0,5% og 1% for negativ tone (15 og 30 nm tykkelse, henholdsvis). Vi har fundet, at positive-tone PMMA modstå ikke lider af mønster sammenbrud som negative-tone PMMA, således anvendelsen af tyndere tykkelse for negativ tone som vist i tabel 1. Derudover negativ-tone PMMA har ~ 50% tykkelse tab efter e-beam eksponering (og før udvikling), så den endelige tykkelse for negativ-tone PMMA er ~ 7 til 15 nm. (De 1,7 og 1,8 nm funktioner fra figur 4 har ca. 7 nm modstå tykkelse, som er på grænsen af mønster kollaps.) PMMA mønstre vist i figur 4 bruge ikke et CPD skridt; dog hvis den findes, anbefaler denne protokol brug af CPD efter udviklingen af PMMA mønstre. Derimod fandt vi CPD at være kritisk til HSQ forarbejdning skyldes, at det ikke kan fortyndes yderligere (for at opnå tyndere tykkelse), og fordi tykkere HSQ mønstre er nødvendige for at bruge som en Radering maske (f.eks. til etch silicium, som vist i figur 5 ).
Positiv-tone PMMA mønstre i figur 4 var belagt med en tynd metallisk film til at øge kontrasten i imaging. De støtter oplysninger i arbejdet i Manfrinato mfl. 1 viser, at effekten af denne metallisk belægning på metrologi af mønstre er ubetydelig. Vi mener ligeledes, at resultaterne vist i figur 5 for HSQ modstå ikke afhænger drastisk især valget af TEM vindue struktur baseret på den ultra-tynde tykkelsen af laget underliggende Si.
Til bedste af vores viden er alle de målinger, der er beskrevet i afsnittet repræsentant resultater for positive og negative tone PMMA1 (figur 4) de mindste funktioner rapporteret i litteraturen til dato1,7 , 12 , 16 , 17. Manfrinato mfl. 1 viste også sub-5 nm mønster overførsel, fra modstå et target materiale, ved hjælp af konventionelle metal lift-off (for positive-tone PMMA) og sekventiel infiltration syntese18 af ZnO (for negative-tone PMMA). Resultaterne vist i figur 5 for HSQ er ikke den mindste rapporterede funktioner7. Men denne protokol er nyttig for at opnå reproducerbare funktioner i HSQ med en opløsning bedre end 10 nm, og viser et etcifret mønstre af silicium strukturer.
Protokollen præsenteres her beskriver en proces for mønster vilkårlige strukturer med enkelt ciffer nanometer-opløsning ved hjælp af konventionelle elektronstråle modstår PMMA og HSQ. Derudover viser resultaterne vist her og i Ref. 1, at sådanne mønstre kan overføres med high fidelity til en target materiale valg.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning anvendes ressourcer af Center for funktionelle nanomaterialer, som er videnskaben facilitet en amerikanske DOE Office, ved Brookhaven National Laboratory under Kontraktnr. DE-SC0012704.
Plasma asher | Plasma Etch | PE-75 | Located in class 100 cleanroom |
Silicon Nitride 5 nm thick TEM Windows (9 SMALL Windows) | TEM windows.com | SN100-A05Q33A | |
TEM chip holder for resist coating | Home made | ||
27 nm thick c-Si TEM Windows | TEMwindows.com | Custom order | |
A2 950K PMMA diluted in anisole to 0.5-1.0% by weight | MicroChem | M230002 | |
HSQ (1% solids XR-1541) e-beam resist in MIBK | Dow Corning | XR-1541-001 | |
Spinner | Reynolds Tech | ReynoldsTech Flo-Spin system | Located in class 100 cleanroom |
Hot plate | Brewer Science | CEE 1300X | Located in class 100 cleanroom |
Spectral reflectometer | Filmetrics | F20 | Located in class 1000 cleanroom |
Bath circulator | Thermo Scientific | Neslab RTE 740 | Located in class 100 cleanroom |
Optical microscope | Nikon | Eclipse L200N | Located in class 1000 cleanroom |
MIBK/IPA 1:3 developer | MicroChem | M089025 | |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | 221465 | |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | 31434 | |
Isopropyl Alcohol, ACS Reagent Grade | Fisher Scientific | MK303202 | |
TEM chip holder for critical point drying | Home made | ||
Critical point drying system | Tousimis | Autosamdri-815B, Series C | Located in class 100 cleanroom |
Aberration-corrected STEM | Hitachi | HD 2700C | |
Pattern generation system | JC Nabity Lithography Systems | NPGS v9 | |
Scanning Electron Microscope (SEM) | Hitachi | S-4800 | |
Reactive ion etcher | Oxford Instruments | Plasmalab 100 | Located in class 1000 cleanroom |