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Engineering

El uso de nanopartículas de sacrificio para eliminar los efectos del ruido de disparo en orificios de contacto fabricadas por haz de electrones de litografía

Published: February 12, 2017 doi: 10.3791/54551
Automatic Translation
1, 2
1Department of Chemistry, Portland State University, 2Logic Technology Department, Intel Corporation

Summary

Uniformemente nanopartículas de tamaño pueden eliminar las fluctuaciones en contacto dimensiones de los orificios estampados en poli (metacrilato de metilo) (PMMA películas) fotorresistentes por haz de electrones (haz de electrones) litografía. El proceso implica la canalización electrostática para el centro y cerca de depósito nanopartículas en orificios de contacto, seguido de reflujo fotoprotector y los pasos del plasma y de grabado en húmedo.

Abstract

Las nano-patrones fabricados con luz ultravioleta extrema (EUV) o por haz de electrones (haz de electrones) litografía exhiben variaciones inesperadas en tamaño. Esta variación se ha atribuido a fluctuaciones estadísticas en el número de fotones / electrones que llegan a un nano-región determinada derivada de disparo-ruido (SN). El SN varía inversamente a la raíz cuadrada de un número de fotones / electrones. Para una dosis fija, el SN es mayor en EUV y de rayos E litografías que para los tradicionales (193 nm) litografía óptica. enfoques de abajo arriba y de arriba hacia abajo de modelado se combinan para minimizar los efectos de ruido de disparo en los patrones de nano-agujero. Específicamente, un amino-silano tensioactivos auto-ensambla en una oblea de silicio que está posteriormente mediante revestimiento por centrifugación con una película de 100 nm de un fotorresistente E-beam basado en PMMA. La exposición al haz de electrones y el posterior desarrollo descubrir la película de tensioactivo subyacente en el fondo de los agujeros. Sumergiendo la oblea en una suspensión de carga negativa, citrato límite máximo, 20 nm gnanopartículas de edad (PNB) los depósitos de una partícula por el agujero. La película tensioactivo cargado positivamente expuesta en el agujero embudos electrostáticamente la nanopartícula cargada negativamente al centro de un agujero expuesto, que fija de forma permanente el registro de posición. A continuación, mediante calentamiento cerca de la temperatura de transición vítrea del polímero de resina fotosensible, la película de resina fotosensible y reflujos envuelve a las nanopartículas. Este proceso borra los agujeros afectados por SN, pero deja los PNB depositados bajo llave en su lugar por una fuerte unión electrostática. El tratamiento con plasma de oxígeno expone los PNB por ataque químico una capa fina de la resina fotosensible. Wet-grabado los PNB expuestas con una solución de I2 / KI produce agujeros uniformes ubicados en el centro de muescas estampadas mediante litografía por haz de electrones. Los experimentos presentados muestran que el enfoque reduce la variación en el tamaño de los agujeros causados ​​por SN de 35% a menos del 10%. El método se extiende de los límites de modelado de orificios de contacto transistor hasta por debajo de 20 nm.

Introduction

El crecimiento exponencial de la potencia de cálculo, tal como se cuantifica por la ley de Moore 1, 2 (1), es un resultado de los avances progresivos en la litografía óptica. En esta técnica de modelado de arriba hacia abajo, la resolución alcanzable, R, viene dada por el conocido teorema de Raleigh 3:

Ecuación 1

Aquí, λ y NA son la longitud de onda de la luz y la apertura numérica, respectivamente. Tenga en cuenta que NA = η · sinθ, donde η es el índice de refracción del medio entre la lente y la oblea; θ = tan -1 (d / 2 l) para el diámetro, d, de la lente, y la distancia, l, entre el centro de la lente y la oblea. Durante los últimos cincuenta años, la resolución litográfica ha mejorado a través del uso de (a) la fuente de luzs, incluyendo láseres excimer, con longitudes de onda UV progresivamente más pequeños; (b) Los diseños ópticos inteligentes que emplean máscaras de desplazamiento de fase 4; y (c) mayor NA. Para la exposición en el aire (η = 1), NA es siempre menor que la unidad, pero con la introducción de un líquido con η> 1, tal como agua 5, entre la lente y la oblea, NA puede ser elevado por encima de 1, lo que mejora la resolución de litografía de inmersión. Actualmente caminos viables a un nodo de 20 nm y más allá incluyen fuentes de UV extremas (λ = 13 nm) o técnicas de modelado utilizando procesamiento dobles y cuádruples complejo de un fotoprotector de varias capas 6, 7.

A escalas de nanómetros de longitud, fluctuaciones estadísticas, causadas por ruido de disparo (SN), en el número de fotones que llegan dentro de una variación de causa nano-región en las dimensiones de lithogra patrones to s grá fico. Estos efectos son más pronunciados con la exposición a la luz EUV de alta energía y haces E, sistemas que necesitan órdenes de magnitud menor número de fotones / partículas en comparación con la litografía óptica normal de 8. Supersensible amplificado químicamente (con un rendimiento cuántico> 1) las resinas fotosensibles también introducen un SN química causada por una variación en el número de moléculas fotorreactivos en nanoregions expuestas 9, 10. Bajar las resinas fotosensibles de sensibilidad que necesitan exposiciones más largas suprimen estos efectos, sino que también reducen el rendimiento.

En la escala molecular, la contribución a la línea de borde rugosidad de la distribución del tamaño molecular inherentes a los polímeros de resina fotosensible puede reducirse mediante el uso resiste moleculares 11. Un enfoque que es complementaria a este procesamiento de arriba hacia abajo de la nano-patrón es el uso de métodos de abajo hacia arriba 12,s = "xref"> 13 que se basan específicamente en el autoensamblaje dirigido (DSA) de polímeros de dos bloques 14. La capacidad de estos procesos para dirigir la nucleación y para crear separación no uniforme entre los patrones deseados, tales como agujeros o líneas, sigue siendo un reto. La distribución del tamaño de los componentes moleculares de 15, 16 también limita la escala y el rendimiento de la fabricación 17, 18. Problemas similares limitan la impresión por microcontacto de las nanopartículas en la litografía blanda 19.

Este trabajo presenta los estudios de un nuevo enfoque híbrido (Figura 1) que combina la litografía de proyección de arriba hacia abajo clásico con auto-ensamblaje dirigido de forma electrostática para reducir el efecto de la rugosidad SN / línea de borde (LER) 20. Con carga positiva grupos amina en monocapas autoensambladas (SAM) de N - (2-aminoetil)-11-Amino-undecilo-metoxi-silano (AATMS) que se basa la película de PMMA están expuestos después del desarrollo. La película de resina fotosensible cargada negativamente de PMMA electrostáticamente embudos de carga negativa nanopartículas de oro (PNB), coronados con citrato, 21 - 24 en los agujeros 25 SN afectadas. Re-flujo de la resina fotosensible PMMA envuelve nanopartículas predepositada en la película.

Figura 1
Figura 1: Representación esquemática de la estrategia para eliminar los efectos del ruido de disparo y la rugosidad del borde de línea para el patrón de agujeros de contacto utilizando NPs de tamaño preciso. Aquí, la dimensión crítica (CD) es el diámetro deseado de los agujeros. El enfoque (paso 1) comienza con la deposición de una capa monomolecular auto-ensamblada (SAM) de la molécula de silano que lleva grupos amina de carga positiva en el surf óxidoas de una oblea de silicio. A continuación, la litografía de haz de electrones se utiliza para patrón de los orificios (pasos 2 y 3) en PMMA película fotorresistente, la capa azul, lo que genera ruido de disparo, como se ilustra la imagen de la inserción en SEM. Litografía expone grupos amina en la parte inferior de los agujeros. Paso 4 implica la deposición en fase acuosa de tamaño controlado, (con carga negativa) nanopartículas de oro de citrato-tope (PNB) en los agujeros por litografía estampadas utilizando canalización electrostática (EF). En el paso 5, el calentamiento de la oblea a 100 ° C, por debajo de la temperatura de transición vítrea del PMMA, 110 ° C, hace que el reflujo de la resina fotosensible alrededor de nanopartículas depositados previamente. Aguafuerte superpone PMMA con plasma de oxígeno (paso 6) expone los PNB, y el posterior ataque químico húmedo (yodo) de las partículas expuestas (paso 7) crea agujeros correspondientes al tamaño de los PNB. Cuando se combina con reactivo de iones / húmedo de grabado, es posible transferir el patrón de agujeros en la fotoprotección de SiO 2 (etapa 8) 31. Reimpreso con el permiso de referencia 20. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La interacción electrostática entre los PNB de carga opuesta y grupos amina sobre el sustrato impide el desplazamiento de los PNB del sitio de unión. El paso de reflujo mantiene la posición relativa de los PNB pero borra los agujeros y los efectos de la SN / LER. De plasma / pasos grabado húmedo regeneran agujeros que tienen el tamaño de la PNB. -Grabado por iones reactivos transfiere su patrón de SiO2 capas de máscara dura. El método se basa en el uso de más uniformemente las nanopartículas de tamaño de un nanohole modelado (NH), expresada como la desviación estándar, σ, de manera que σ PNB <σ NH. Este informe se centra en los pasos (4 y 5 descritos en la Figura 1) que supongan la deposición de nanopartículas de dispersión y lareflujo de la fotoprotección alrededor de ellos para evaluar las ventajas y limitaciones del método. Ambas etapas son, en principio, escalable para sustratos más grandes, que no requiere de una amplia modificación del flujo de corriente de la producción de circuitos integrados modernos en los chips.

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Protocol

1. Caracterizar y derivar la superficie de las obleas de silicio

  1. Limpiar la superficie de las obleas utilizando Radio Corporation of America (RCA) Soluciones de limpieza SC1 y SC2.
  2. Preparar SC1 y SC2 mezclando volumétricamente los siguientes productos químicos:
    SC1: H 2 O 2: NH4OH: H2O = 1: 1: 5 v / v y SC2: H 2 O 2: HCl: H2O = 1: 5 v / v:. 1
    1. Sumergir la oblea en SC1 durante 10 minutos a 70 ° C, y luego realizar un lavado con agua desionizada.
    2. Sigue un protocolo similar para SC2 (10 min a 70 ° C, seguido de un lavado).
      NOTA: El procedimiento de limpieza elimina las impurezas orgánicas e iónicos y genera grupos silanol en la superficie de óxido de silicio de las obleas de silicio.
  3. Derivatizar las superficies de las obleas de silicio con AATMS
    1. Incubar la oblea de silicio limpiado en 0,05 M AATMS (preparado en dtolueno ry) a 80 ° C durante 20 min. Someter a ultrasonidos durante 5 minutos en un sonicador de 100 W a temperatura ambiente en tolueno puro durante 5 min y secar en una corriente de gas nitrógeno.
  4. Caracterizar las superficies de las obleas de silicio derivatizadas
    1. Medir el ángulo de contacto usando un software ImageJ goniómetro y 25.
    2. Determine el espesor de las películas utilizando un elipsómetro (fuente de luz láser de He-Ne, λ = 632,8 nm, ángulo de incidencia fijo de 70 °) 25.
    3. Estimar la composición elemental de superficie mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) 25.

2. Patrones de haz de electrones

  1. fotoprotector spin-capa (2% de poli (metacrilato de metilo (PMMA) en anisol) en obleas derivatizados AATMS- a 4.000 rpm durante 60 s.
  2. Precocido la película a 180 ° C durante 120 s para secar la película de resina fotosensible.
  3. Medir el espesor de la película fotorresistenteusando un elipsómetro. Asegúrese de que la fuente de luz láser de He-Ne, λ = 632,8 nm, se fija en un ángulo de incidencia de 70 °. Optimizar la etapa de muestra para maximizar la señal del detector mediante una superficie reflectante como oblea de silicio. Utilice el programa de medición ellipsometer (GEMP) en el PC conectado para medir el espesor de la película fotorresistente; que debe ser de aproximadamente 100 nm.
  4. La exposición de haz de electrones:
    1. La transferencia de la oblea a una cámara de alto vacío de un alineador de haz de electrones.
    2. Crear un patrón de agujeros de puntos de póquer utilizando un haz de electrones (30 kV tensión de aceleración, 37 de corriente de haz pA) que pasa a través de una abertura 10-micras y proporcionando una dosis 24 mu c / cm 3.
    3. Ajustar el tono patrón y la dosis según sea necesario para producir un agujero-patrón de póquer de tipo punto del diámetro deseado orificio (80 nm) y el paso (200 nm).
    4. Retire la oblea de la cámara de haz de electrones.
  5. Desarrollar el patrón litográfica:
    1. Empezardesarrollo del patrón en una solución de metil isobutil cetona / alcohol isopropílico (MIBK / IPA, 1: 3 (v: v)) durante 70 s.
    2. Continuar con el desarrollo ulterior por inmersión en IPA durante 30 s. Completar el desarrollo de un lavado en agua desionizada durante 30 s. Se seca la oblea en una corriente de gas nitrógeno.

3. La deposición de PNB en los agujeros de rayos E-modelado

NOTA: La deposición de PNB en los agujeros estampados emplea dos métodos diferentes.

  1. Sumergir las obleas de pre-modelado en soluciones PNB (método 1).
    1. Deja la muestra en el medio de suspensión PNB durante 24-48 h, dependiendo del tamaño del PIB y los diámetros de los agujeros. Utilice a 20 nm, suspensión PNB citrato-tapa que contenga 7,0 x 10 11 PN / ml.
      NOTA: Se puede emplear un tamaño de PNB de 10-100 nm y un rango de concentración de 5,7 x 10 12 - 5,7 x 10 9 PN / ml, según lo previsto por Ted Pella. Tenga en cuenta que la densidad de deposición obedecela ley de difusión ̴ (Dt) 1/2, donde D y T son coeficientes de difusión de la época de nanopartículas y la deposición, respectivamente (es decir, las partículas más pequeñas tomar un tiempo más corto para la deposición, como se explica en la referencia 20, la Figura 2c).
  2. PNB por pulverización de depósitos sobre las obleas modeladas (método 2)
    1. Para depositar PNB por evaporación, pulverizar una solución del PNB sobre el sustrato modelado, colocado en posición horizontal. Oriente el pulverizador de mano (Método 2), de modo que la pulverización se dirige perpendicularmente a la superficie del sustrato.
    2. Rociar un volumen suficiente de la solución en suspensión para mojar toda la superficie del sustrato.
      NOTA: Puede ser necesario diluir la suspensión PNB por 10x para evitar forzar múltiples nanopartículas en un agujero grande.
    3. Incubar las muestras en una placa caliente mantenida a 30-35 ° C para producir la evaporación controlada para 10 min.
  3. Después de la deposición (por el Método1 o el método 2), ligeramente ultrasonicate (100 W) las muestras en agua desionizada durante 50 s y seca en una corriente de gas nitrógeno.

Imagen 4. Microscopía Electrónica de Barrido

NOTA: Hay dos tipos de estudios que participan de arriba hacia abajo convencional y sección transversal de imágenes SEM.

  1. Para arriba hacia abajo imágenes de SEM, utilizar un haz de electrones voltaje de aceleración de 5 kV a una corriente de ~ 300 mu para evitar daños a la película de resina fotosensible.
    Precaución: El más bajo posible tensión y el ajuste actual son necesarias para reducir las reacciones de escisión de la cadena en la fotoprotección. Estas reacciones de escisión de cadenas reducen la temperatura de transición vítrea del polímero, que a su vez afecta a la temperatura de funcionamiento de la etapa de reflujo resistir describe a continuación.
  2. Sección transversal de imágenes:
    1. Por pulverización catódica capa de 10 nm de espesor sobre una película de oro PMMA fotoprotector para evitar daños por haz de iones. Utilizar un haz de iones Ga operado a 30 kV y 93pA para cortar a través de los agujeros. Obtener de sección transversal SEM imágenes por la inclinación de la oblea de su posición horizontal normal.

5. Reflujo de PMMA Fotorresina alrededor de PNB en los agujeros modelados

  1. Calentar los sustratos estructurados sobre una placa caliente a T reflujo (100 ° C) durante 3 min, lo que está por debajo de la temperatura de transición de vidrio pre-determinado, T g (110 ° C), de 950.000 g / mol PMMA; la tasa de reflujo para el polímero fue de 1,7 ± 0,1 nm / s.
    Precaución: reflujo significativamente más rápido se produjo para las áreas estampadas que previamente habían sido expuestas al haz de electrones durante la formación de imágenes con microscopio electrónico de barrido (SEM), tal vez debido a la escisión de la cadena principal polimérica durante la exposición al haz de electrones, lo que lleva a una reducción de la T g. Esta observación es apoyada por los estudios de Keymeulen y compañeros de trabajo, quienes señalaron que la exposición a la radiación de rayos X reduce el Tg de PMMA 26.

6. Dry- y Wet-grabado

  1. Dry-grabado de duración suficiente (55 s) con oxígeno-plasma para exponer PNB cubiertos con una fina capa de PMMA después del reflujo. vigilar cuidadosamente la tasa de PMMA grabado película como una función del tiempo usando un elipsómetro o monitor de espesor de película delgada.
    NOTA: Una duración demasiado corta grabado no puede exponer a los PNB, mientras que el grabado durante demasiado tiempo eliminaría por completo la película de PMMA. Por 950 kDa PMMA, la velocidad de grabado fue de 1,5 nm / s, lo que requiere 55 s de tiempo de grabado.
  2. PNB Wet-grabado en la parte inferior de los orificios de contacto después del reflujo utilizando una solución de yodo, que contiene 1,0 g de cristal de yodo (I 2), 4,0 g de yoduro de potasio (KI) y 40 ml de agua desionizada, durante 10 min.
    NOTA: El potasio yoduro mejora la solubilidad del yodo en solución y facilita el grabado de oro. La reacción de oro con yodo (I + 2AU 2 → 2 AUI) produce oroyoduro, que es ligeramente soluble en solución acuosa a temperatura ambiente.

7. El cálculo de los desplazamientos de partículas, densidad, y Relleno Fracción

  1. Localizar el centro del agujero y el desplazamiento PNB:
    1. Con la mano, dibujar líneas rectas de mejor ajuste horizontal y vertical a través de las filas y columnas de agujeros, respectivamente, a los centros de los agujeros establecidos en las intersecciones de estas líneas (Figura 2a y 2b). Incluye por lo menos más de 500 agujeros en los cálculos.
    2. Determinar manualmente la posición, r, de cada nanopartícula con respecto al centro de la nanohole (es decir, el desplazamiento) en la que se deposita (Figura 2b).
  2. Determinar la cantidad de partículas en comparación con los histogramas de desplazamiento usando un programa de hoja de cálculo estándar.
  3. El cálculo de la densidad de las partículas: ρ = N (número de partículas) / unidad de área (m 2): En primer lugar, determinar el área anular de un anillo con una anchura fija (≈R / 10, donde R es el radio del orificio) y limitada por dos radios (r 1, r 2) en un desplazamiento de r (= (r 1 + r 2) / 2); Ecuación 2 .
  4. Suma el número de partículas, N, en el área a partir del histograma construido en el paso 7.2, anteriormente.
  5. Repetir el procedimiento como una función de r para generar unos 10 pasos iguales que terminan en r = R, el radio del agujero.
  • Montar la densidad de partículas en comparación con los datos de desplazamiento a una curva de Gauss no lineal usando un procedimiento menos cuadrados (Figura 2a, recuadro) 20. Extraer la desviación estándar de desplazamiento (deposición σ) para la deposición y su incertidumbre apropiado.
  • Repetir lo anteriorprocedimiento para los patrones de SEM obtenidos después de la de reflujo resina fotosensible usando una imagen SEM muestra en la Figura 2c.
    NOTA: Después de que los agujeros de reflujo desaparecen, dibujar líneas horizontales y verticales que mejor se ajustan a las posiciones PNB para determinar los valores de ajuste óptimo para los centros de los agujeros. Calcular los desplazamientos de partículas como en el paso 7.1 y extraer el total combinado σ siguiendo el protocolo delineado en los pasos 7,2-7,4.
    NOTA: Aquí, combinado o total se refiere al desplazamiento global del PNB debido a las etapas de deposición y de reflujo.
  • Determinar la fracción de llenado mediante la estimación de la relación entre el número de agujeros llenos con el número total de agujeros, la figura 2b.

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    Representative Results

    La Figura 2 muestra una imagen SEM de los PNB 20 nm depositados en agujeros de diámetro 80 nm estampadas en una película de PMMA 60-100 nm de espesor impulsado por canalización electrostática. Como se ha observado por otros 22, el proceso dio como resultado aproximadamente una partícula por hoyo. La distribución de las partículas alrededor del centro de los agujeros era de Gauss (margen superior derecho). La mayoría de los agujeros (93%) contenían un PNB, y el 95% de estas partículas se produjo dentro de 20 nm del centro. Una mayor optimización, discutido en otra parte, es necesaria para mejorar el relleno fracción y el centrado de la PNB 20, 25. Figura 2b y 2c muestra imágenes de SEM de los PNB depositado a partir de regiones más grandes de la oblea, antes y después del reflujo de la resina fotosensible. La sección de discusión presenta un mayor análisis cuantitativo.

    "Figura Figura 2: (a) PNB diámetro de 20 nm depositados en agujeros 80 nm de diámetro separadas por un lanzamiento, P, de 200 nm (parte superior izquierda del recuadro). El 93% de los agujeros contiene una nanopartícula, y el 95% de las nanopartículas se encuentran dentro de 18 nm del centro (círculo azul). El margen superior derecho muestra una distribución de Gauss del desplazamiento de partículas desde el centro, con σ = 9,0 ± 0,1 nm. (B) Imagen SEM de un área grande después de la deposición, σ = 9 ± 1 nm. (C) Igual que b) después de que el reflujo de la fotoprotección, σ = 11 ± 2 nm. Modificado con permiso de referencia 20. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

    La deposición por evaporación podría reducirlas 24-48 h necesarios para la deposición 25. Cuando se les permitió dispersiones de nanopartículas que se evapore en la superficie modelada, PNB deposita sobre la película de PMMA, así como en los agujeros. ultrasonicación leve en una solución tamponada eliminado débilmente ligado PNB en el PMMA, dejando sólo las partículas fuertemente unidas en los agujeros. La Figura 3 ilustra cómo las partículas múltiples podrían ser forzados en los agujeros usando este método debido a la repulsión entre las partículas reducida en la dispersión iónica progresivamente concentrado. Tales efectos de cribado iónicos deben evitarse, ya que permite la ocupación multiparticle y bajaron la eficiencia de la canalización electrostática que dirige la partícula al centro del agujero. La reducción de la concentración de PNB en la dispersión de depósito, junto con ultrasonicación, potencialmente permitir la deposición de una partícula por agujero más rápidamente que la deposición en fase de solución a granel. En este trabajo, no optimizar elcondiciones necesarias.

    figura 3
    Figura 3: La deposición de PNB durante una evaporación que dura más de 20 min. Las micrografías de SEM muestran vistas inferiores de arriba hacia abajo y la sección transversal de los agujeros modelados por haz de electrones. Modificado con permiso de referencia 25. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

    El perfil de sección transversal SEM muestra las paredes laterales del agujero inclinado hacia sus centros. El ángulo de la pared lateral era menor que la óptima 90 °, la creación de un área creciente de la sección transversal en el pozo al acercarse a la interfaz de resina fotosensible-oblea. Esta configuración explica el patrón de embalaje observado (izquierda) del particulos, lo que indica su desplazamiento de distancia del centro del agujero. Mejor de enfoque del haz de electrones, por debajo de la interfaz entre el aire y la película de resina fotosensible, eliminaría un artefacto tal.

    Las películas delgadas y sólidas de PMMA fotoprotector 27-30 licuan y fluyen cerca de la transición vítrea, Tg, de 110 ºC. Una temperatura de 10 ° por debajo de la Tg del polímero de resina fotosensible, PMMA, inició un reflujo lento de la resina fotosensible. En el estado ablandado, líquido-como, vidrioso, la tensión superficial de la película fotorresistente reduce la curvatura del borde y la rugosidad, lo que resulta en una supresión de los efectos LER. El frente fotorresistente líquido avanzar nanoagujeros envolvió por completo, junto con los PNB depositados, como se ilustra en la Figura 4, donde el número de los PNB por hoyo era alta. Nótese cómo el reflujo fotoprotector de las fronteras del agujero borrado THpatrón de correo nanoagujeros en la película. No obstante, se unió fuertemente PNB bloqueados en el registro de posición del patrón. Sorprendentemente, estos estudios revelaron fotoprotector-reflujo fuerte unión de los PNB de citrato-tope para terminados en amina-silanos electrostática. La similitud del patrón de deposición de los PNB antes y después del reflujo apoyado esta conclusión; véase la Figura 4c (vide infra).

    Figura 4
    Figura 4: Las posiciones de los PNB depositados son relativamente insensibles a la de reflujo de la fotoprotección (véase el texto). Los patrones de los depositados 60 nm PNB en los agujeros 250 nm: (a) antes de reflujo, (b) después del reflujo parcial, y (c) después del reflujo completa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de este figurmi.

    La secuencia general de pasos y los cambios que ocurren en las imágenes SEM correspondientes se muestran en la Figura 5. En la figura 5b, los orificios de la película se redujeron durante el reflujo resina fotosensible, mientras que el proceso que envuelve se completó en menos de 3 min (Figura 5c). El plasma de oxígeno grabada la película más gruesa de resina fotosensible que ha quedado cubierta en la parte superior de los PNB, exponiéndolos al aire. Una vez expuesto, estos eran los PNB húmedo grabado usando solución de ataque basado en el oro KI / I2 (Figura 5d). El coeficiente de variación de los diámetros fue del 9% para el agujero formado por el proceso asistido por PNB. Tenga en cuenta que en estos estudios, el diámetro de partida de los agujeros se redujo desde 80 hasta 20 nm, que ilustra la fuerza del enfoque. La principal limitación de este método es la introducción de la incertidumbre en la posición de un centro del agujero recreado debido a una combinación de las incertidumbres intr oduced durante la deposición PNB y el reflujo de resistir. trabajo en curso actual intenta abordar estos efectos. Además de oro, otras nanopartículas de diferentes materiales, tales como sílice (grabable en HF diluido), se pueden utilizar para reducir los materiales y los costes de procesamiento. El requisito principal es que la nanopartícula / nanoestructura debe ser selectivamente grabable sin afectar el material de resistir.

    Figura 5
    Figura 5: SEM. Imágenes tomadas durante las etapas empleadas para minimizar la variación del tamaño de los agujeros. (A) deposición (24 h). (B y c) de reflujo de la resina fotosensible (20 s, 3 min). (d) Aguafuerte PMMA (plasma de O2: 55 s) y el PNB (húmedo-grabado con una solución de I2 / KI: 10 min)."> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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    Discussion

    Shot-ruido (SN) en la litografía es una simple consecuencia de las fluctuaciones estadísticas en el número de fotones o partículas (N) que llegan a un nano-región determinada; es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de un número de fotones / partículas:

    Ecuación 3

    donde A y R son el área y el tamaño de la región expuesta, respectivamente. Por ejemplo, cuando se utiliza un ArF 193-nm (6,4-eV) láser excimer para patrón de agujeros de 50 nm, el número de fotones recibidos es de aproximadamente 1 x 10 6 en la dosis de exposición de 52 mJ / cm 2. Para una fuente de haz de electrones 50 keV, el número de electrones entrega de 50 mJ / cm 2 sería de alrededor de 128, lo que implica que el efecto de la SN sería de 100 veces mayor para la litografía de haz de electrones. Además, el número de fotones / electrones que llegan en una región dada disminuye directamente con el área de la pauta. En consecuencia, alarge fluctuación en el tamaño de los agujeros que han recibido los resultados de la exposición "idénticas" se presenta como la dimensión del agujero que se hace a mano disminuye. A los 35 hoyos nm mostradas en la Figura 1 con el 30 keV E-haz, a unos 1440 electrones administrar la dosis requerida de 24 mu c / cm 2. Para patrón de agujeros 20 nm en condiciones idénticas, se necesitaría alrededor de 400 electrones, que está cerca del límite teórico SN (200 electrones) dada por Moreau 32. Actualmente, la única manera de suprimir el efecto de SN es a través del uso de una resina fotosensible de baja sensibilidad que necesita una dosis más alta de electrones / fotones. Viene a costa de menor rendimiento y costos más altos para nano-patrón. Nuestro método reduce el efecto de las fluctuaciones de tamaño mediante el uso de nanoestructuras monodispersas de redefinir el tamaño de los agujeros litográficamente estampadas mientras se mantiene el registro de posición inicial. El registro es fijado por la fuerte unión de nanoestructuras electrostáticaa la superficie, guiado por canalización electrostática.

    El éxito de los patrones en este método depende de dos efectos. La primera es la variación en los tamaños de los orificios, y el segundo es el centrado de las nanopartículas dentro de los agujeros que afectan el registro de posición. El coeficiente de variación para el diámetro de los agujeros estampados a través de este enfoque (9%, o 19 ± 2 nm) es comparable con el coeficiente de la superficie (8%) de los PNB 20. Por otra parte, como se revela en la Figura 1, el E-haz de modelado 35 nm (35 ± 9) agujeros, hecha sin el uso de este enfoque, tenía un CV de 35%. El CV correspondiente del patrón de haces E-solo sería aún peor cuando la fabricación de 20 nm agujeros. El SN se puede configurar para ser proporcional a la CV, con estimaciones aproximadas de los CV de 20 nm y 80 nm a los agujeros 61% y 15%, respectivamente. El método presentado aquí proporciona una mejora de al menos seis veces (~ 61% / 9%) en la CV por e-beam-alone patrón de agujeros 20 nm. Incluso comenzando con agujeros de 80 nm, la mejora de casi el 60% en los resultados de CV (~ 15% / 9%) se produce después de este enfoque.

    La segunda deposición preocupaciones efectos de partículas de distancia desde el centro geométrico de los orificios (registro). Dos factores que contribuyen a este efecto se extrajeron de los datos recogidos SEM después de la deposición de los PNB en los agujeros (Figura 2b) y después de fotoprotector reflujo (Figura 2c). El análisis estadístico del desplazamiento de los PNB del centro de los nanoagujeros en los que residían (Figura 2a) reveló que durante la deposición en fase de solución, la distribución de los PNB alrededor del centro del agujero era gaussiana, con una desviación estándar (σ deposición) de 9 nm, o más o menos la mitad del diámetro de los PNB. El procedimiento de análisis fue equivalente a suponer que las partículas, en promedio, permanecen en el centro de los agujeros, aunque individualmente que pueden ser desplazados randomly debido a la difusión durante la deposición.

    El segundo factor que afecta el desplazamiento es debido al movimiento de los PNB durante el reflujo fotorresistente. Los resultados, presentados en la Figura 4, indican que la carga positiva AATMS SAM se une tan fuertemente a PNB que no se mueven durante el reflujo de la resina fotosensible. Un análisis similar de imágenes de SEM (vide supra) recogidos después de la de reflujo fotorresistente (Figura 2c) paso proporciona la desviación estándar total (σ Total) en el posicionamiento de las partículas (es decir, registro) después de la deposición y reflujo. Para extraer la contribución de resistir a reflujo, se asumió que los procesos de deposición y fotoprotector reflujo producen efectos independientes en el desplazamiento de partículas desde el centro de los agujeros, de forma que:

    Ecuación 4

    Usando los valores ajustados de σ; Deposición (9 ± 1 nm) y σ total (11 ± 2 nm), el valor extraído de σ Resist-reflujo se estimó en 6 nm, que es comparable a tres veces la desviación estándar en los 20 nm PNB. una desviación estándar baja tal implica un efecto muy significativo sobre el desplazamiento de partículas unidas durante el proceso fotoprotector reflujo. Sin embargo, la deposición σ parece variar directamente con el tamaño de la PNB; por lo tanto, necesita mejoras significativas. Un modelo que se presenta en otro lugar 20 sugiere la optimización de la densidad de carga de la película de resina fotosensible y SAM para mejorar el registro de posición. Existen varios métodos, incluyendo el uso de sesgo electrostática y carga en PNB, se están estudiando actualmente. Tenga en cuenta, como se discutió anteriormente, que un análisis de imagen SEM proporciona un método sencillo para el proceso anterior de la optimización.

    La dis comerciallabilidad de partículas PNB casi monodispersas dictada la elección de las nanopartículas de oro. En principio, otros nanomateriales de bajo costo, tales como nanopartículas de sílice derivados con quelante cargada adecuadamente, también son candidatos adecuados. El criterio principal para la selección de las nanopartículas es su monodispersidad y su susceptibilidad a ataque químico. Para canalización electrostática, cargos complementarios apropiados en el SAM y NP deben estar presentes. La carga en NPs depende de su potencial zeta, cuyo signo y magnitud se puede ajustar bien a través del pH de la solución o de la carga de quelantes. Del mismo modo, la selección de grupos finales terminales catiónicos o aniónicos permite la modificación de la carga superficial en el SAM. Si perfeccionado, el método se extiende fácilmente a las líneas de trincheras patrón con nanocables de 33 - 35. El éxito general del método dependerá de la optimización de la colocación y llenado de nanoestructuras en photore pre-estampadapelículas sist, explotando electrostáticas, interacciones magnéticas, o ligando de ligación.

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    Disclosures

    Los autores no tienen nada que revelar.

    Acknowledgments

    Intel Corporation financió este trabajo a través de la subvención número 414.305, y la Iniciativa de Nanotecnología y Micro Oregon (ONAMI) proporcionó fondos de contrapartida. Agradecemos el apoyo y el asesoramiento del Dr. James Blackwell en todas las fases de este trabajo. Un agradecimiento especial a dibujó Beasau y Chelsea Benedict para el análisis de las estadísticas de posicionamiento de partículas. Agradecemos al profesor Hall para una lectura cuidadosa del manuscrito y el Dr. Kurt Langworthy, de la Universidad de Oregon, Eugene, Oregón, por su ayuda con la litografía por haz de electrones.

    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

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    Ingeniería No. 120 E-beam / litografía EUV canalización electrostática se resisten a reflujo grabado por plasma
    El uso de nanopartículas de sacrificio para eliminar los efectos del ruido de disparo en orificios de contacto fabricadas por haz de electrones de litografía
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    Rananavare, S. B., Morakinyo, M. K.… More

    Rananavare, S. B., Morakinyo, M. K. Use of Sacrificial Nanoparticles to Remove the Effects of Shot-noise in Contact Holes Fabricated by E-beam Lithography. J. Vis. Exp. (120), e54551, doi:10.3791/54551 (2017).

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