我们使用一个畸变校正扫描透射电子显微镜来定义两个广泛使用的电子束抵抗的单数字纳米模式: 聚甲基丙烯酸甲酯和氢 silsesquioxane。通过发射、等离子蚀刻和 organometallics 的抗渗, 可以将抗性模式复制到单位纳米保真度选择的目标材料中。
通过采用畸变校正扫描透射电镜作为曝光工具, 我们演示了用传统的抗性和模式传递过程对单位纳米尺寸进行电子束光刻的推广。在这里, 我们提出了两个广泛使用的电子束抵抗的单数字纳米模式的结果: 聚甲基丙烯酸甲酯和氢 silsesquioxane。该方法实现了聚甲基丙烯酸甲酯的 sub-5 纳米特征和 sub-10 在氢 silsesquioxane 中的纳米分辨率。这些模式的高保真转移到目标材料的选择可以使用金属升降, 等离子蚀刻, 并抵制渗透与 organometallics。
本手稿中提出的协议为在聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 和氢 silsesquioxane (HSQ) 中定义具有单位数纳米分辨率的模式提供了指导, 这是两种常用的电子束抵抗, 用于电子束光刻高分辨率图案。我们使用一种像差校正扫描透射电子显微镜 (词干) 作为曝光工具, 配备了用于控制电子束的模式发生器来实现这些结果。在抵抗曝光后, 纳米级的模式可以转移到各种目标材料1, 从而使新的设备在一个数字的纳米分辨率制造。
以前的研究表明电子束光刻 (EBL) 能够在 sub-10 纳米尺度2、3、4、5、6等维度的抗性材料中定义模式。然而, 对于大约4毫微米的尺寸, 这些演示要求非标准程序, 如使用辅助结构7或长期暴露时间为自我发展抵抗8。其他 nanopatterning 技术, 如电子束诱导沉积9或扫描探针光刻10,11, 已证明能够实现 sub-4 纳米分辨率, 虽然这些需要显著比 EBL 更长的曝光时间。
现代专用 EBL 系统在少数纳米长度尺度 (2-10 nm) 中产生光斑大小的电子束, 这使得定义模式与 sub-10 纳米分辨率非常困难。相比之下, 我们的协议实现 EBL 使用一个畸变矫正阀杆, 这是一个高度优化仪器的材料表征在埃长度尺度。这种差异允许常规模式的记录打破光刻特征与单纳米分辨率1。虽然最先进的, 商业畸变矫正的茎系统成本在数以百万计的美元, 它们可用于几个国家的用户设施, 有些是可访问的, 没有成本。
该协议中最关键的一步是在曝光前聚焦电子束。这是实现最高分辨率模式所必需的。当执行多个曝光 (例如,当 TEM 芯片有多个窗口, 每一个被图案), 重要的是要重新调整光束之前, 每次曝光的距离为5微米从曝光区。该协议还包括在曝光前和之后检查光束焦点的步骤, 在阵列区域的两个极端位置 (顶部和底部角) 上, 这样可以确定在阵列中是否发生了一些离焦现象, 例如由于在图形区域中局部倾斜的膜。
该协议的另一个重要步骤是在开发暴露的抗性模式后, 使用临界点干燥 (国家方案文件) 干燥样品。如果没有这一步, 模式将经常崩溃, 因为图案结构的高纵横比 (即,花纹的抵抗横向尺寸小于厚度)。大多数系统提供标准的 2 “晶片持有人。然而, 由于 TEM 芯片是非常小的和图案的结构是相当微妙的, 他们可能会被损坏的过程中, 当被放置在设计为较大的样品的持有人。图 3显示了使用标准晶圆架的 TEM 芯片的内部解决方案。这两个晶片, 在中心有一个流动的孔, 它包围了 TEM 芯片, 并保护它不受湍流流动的过程中。
最佳抗膜厚度的测定试图平衡竞争要求。一方面, 它应该尽可能薄, 以达到最高的分辨率和避免模式崩溃, 但另一方面, 它应该是足够厚的模式转移应用, 如升降和蚀刻。这个协议使用 1% HSQ, 这是最低的稀释在商业上可利用, 并且在实验室进一步稀释不推荐 (我们的经验表明稀释的 HSQ 经常导致部份交联)。然而, 由于稀释 pmma 确实提供了可重现的结果, 此协议使用1% 为正色调 PMMA (30 毫微米厚度) 和0.5% 和1% 为阴性口气 (15 和30毫微米厚度, 分别)。我们发现, 正色调 pmma 抗不受模式崩溃的负面色调 PMMA, 因此使用较薄的厚度为负数, 如表 1所示。此外, 在电子束曝光 (和开发前), 负色调 pmma 有 ~ 50% 厚度损失, 所以负色调 pmma 的最终厚度为7至 15 nm。(图 4中的1.7 和 1.8 nm 特征有大约7毫微米抵抗厚度, 这是在模式崩溃的极限.)图 4所示的 PMMA 模式没有使用一个持续进修的步骤;但是, 如果可用, 本议定书建议在发展 PMMA 模式后使用国家方案文件。与此相反, 我们发现, 由于不能进一步稀释 (以达到更薄的厚度), 并且由于需要更厚的 HSQ 模式作为蚀刻掩模 (例如,如图5所示, 蚀刻硅, 所以 HSQ 处理至关重要. ).
图 4中的正色调 PMMA 图案被涂上薄薄的金属膜, 以增加成像过程中的对比度。Manfrinato 工作中的支持信息. 1表明, 这种金属涂层对模式计量的影响是微不足道的。同样, 我们认为,图 5中所示的 HSQ 抗性的结果, 并没有很强地依赖于基于 Si 层超薄厚度的 TEM 窗口结构的特殊选择。
据我们所知, 所有的测量结果中描述的正负色调 PMMA1 (图 4) 是在文献中报告的最小的特征迄今1,7,12,16,17. Manfrinato等。1也证明了 sub-5 nm 模式转移, 从抵抗到目标材料, 使用常规金属升降 (为正色调 pmma) 和顺序渗透合成18氧化锌 (为阴性口气 pmma)。图 5中显示的 HSQ 的结果不是最小的报告特征7。但是, 此协议对于在 HSQ 中获得超过 10 nm 的分辨率的可重现特性非常有用, 并演示了硅结构的单数字模式。
本文介绍了一种用传统电子束抵抗 PMMA 和 HSQ 对任意结构进行单数字纳米分辨的方法。此外, 在这里和参考文献1显示的结果表明, 这种模式可以转移高保真度的目标材料的选择。
The authors have nothing to disclose.
这项研究使用了功能性纳米材料中心的资源, 这是美国能源部科学设施办公室, 在布鲁克黑文国家实验室根据合同编号。DE-SC0012704。
Plasma asher | Plasma Etch | PE-75 | Located in class 100 cleanroom |
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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 | |
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