Vi bruker et avvik-korrigert skanning transmission elektronmikroskop definere ett siffer nanometer mønstre i to brukte elektronstråle motstår: poly (methyl methacrylate) og hydrogen silsesquioxane. Motstå mønstre kan replikeres i målet materialet til valg med enkelt siffer nanometer gjengivelse bruker oppskytning, plasma etsing, og motstå infiltrasjon av organometallics.
Viser vi forlengelse av elektronstråle litografi bruker konvensjonelle motstår og mønster overføring behandler énsifrede nanometer dimensjoner ved å bruke et avvik-korrigert skanning transmission elektronmikroskop som verktøyet eksponering. Her presenterer vi resultatene av énsifrede nanometer mønstre av to brukte elektronstråle motstår: poly (methyl methacrylate) og hydrogen silsesquioxane. Metoden oppnår sub-5 nanometer funksjoner i poly (methyl methacrylate) og sub-10 nanometer oppløsning i hydrogen silsesquioxane. Hi-Fi-overføring av disse mønstrene i målet materialer valgfrihet utføres med metall lift-off, plasma etch, og motstå infiltrasjon med organometallics.
Protokollen presentert i dette manuskriptet gir veiledning for å definere mønstre med enkelt siffer nanometer oppløsning i poly (methyl methacrylate) (PMMA) og hydrogen silsesquioxane (HSQ), som er to vanlige elektronstråle motstår brukt i høyoppløselig mønstre av elektronstråle litografi. Vi oppnå disse resultatene med et avvik-korrigert skanning overføring elektronmikroskop (STEM) som verktøyet eksponering, utstyrt med en mønster generator for å kontrollere elektronstråle. Etter motstå eksponering, kan nanoskala mønstre overføres til en rekke mål materialer1, dermed muliggjør fabrikasjon av romanen enheter med ett siffer nanometer oppløsning.
Tidligere studier har vist at elektronstråle litografi (EBL) er i stand til å definere mønstre i motstå materialer med dimensjoner i sub-10-nm skalere2,3,4,5,6. Men for dimensjoner rundt 4 nm, disse demonstrasjoner har kreves ikke-standard prosedyrer som bruk av hjelpe strukturer7 eller lang eksponering ganger for selv utvikling motstår8. Andre nanopatterning teknikker, har som elektronstråle indusert deponering9 eller scanning probe litografi10,11, bevist oppnå sub-4 nm oppløsning, selv om disse krever betydelig lengre lukkertider sammenlignet med EBL.
Moderne EBL systemadministratorer produsere holder elektronstrålene på linje med spot størrelser i noen nanometer lengde skalaen (2-10 nm), som gjør definere mønstre med sub-10 nm oppløsning svært vanskelig. I kontrast, implementerer våre protokollen EBL bruker en villfarelse-korrigert STAMMEN, som er en optimalisert instrument for materielle karakterisering på angstrom lengde skalaer. Denne forskjellen kan rutinemessig mønstre av rekordhøy litografisk funksjoner med enkelt nanometer løsning1. Mens state-of-the-art, kommersielle avvik-korrigert STEM systemer koster i størrelsesorden millioner av dollar, de er tilgjengelige for bruk i flere nasjonale bruker fasiliteter og noen er tilgjengelig uten kostnad.
Det viktigste trinnet i protokollen fokuserer elektronstråle før eksponering. Dette er nødvendig for å oppnå høyeste oppløsningen mønstre. Når du utfører flere eksponeringer (f.eks når en TEM chip har flere vinduer og hver er blir mønster), er det viktig å refokusere strålen før hver eksponering i en avstand på ved mest 5 μm fra eksponering området. Protokollen inneholder også fremgangsmåten for å kontrollere strålen fokus før og etter eksponering ved to ekstreme posisjoner av området mønstre (øvre og nedre hjørner), som gjør en beslutning på om noen defocusing under mønstre, for eksempel skyldes et membranen er lokalt skrå i regionen mønstre.
Et annet viktig skritt i denne protokollen bruker kritisk punkt tørking (CPD) tørke prøver etter å utvikle den utsatte motstå mønstre. Uten dette trinnet vil ofte mønstre kollapse på grunn av høy størrelsesforhold mønstret strukturer (dvs. mønstret motstå lateral dimensjoner mindre enn tykkelse). De fleste CPD systemer leverer en standard 2″ wafer holder. Men siden TEM chips er svært små og mønstret strukturer er ganske delikat, kan de bli skadet under CPD prosessen når den plasseres i holdere designet for større prøver. Figur 3 viser en intern løsning for CPD av TEM chips med en standard wafer holder. To wafere, med flyt-muliggjør hull på center, omslutter TEM chip og beskytte den mot turbulente flyt under CPD prosessen.
Bestemmelse av den optimale motstå filmen tykkelsen prøver å balansere konkurrerende krav. På den ene siden, det skal være så tynne som mulig å oppnå den høyeste oppløsningen og unngå mønster kollaps, men på den annen side, det skal være tykk nok for mønster overføre programmer som lift-off og etsning. Denne protokollen bruker 1% HSQ, som er den laveste fortynning kommersielt tilgjengelig og som ytterligere fortynning i laboratoriet anbefales ikke (vår erfaring viser at utvannet HSQ fører ofte til delvis crosslinking). Siden utvannet PMMA gir reproduserbar resultater, bruker imidlertid denne protokollen 1% for positiv tone PMMA (30 nm tykkelse) og 0,5% og 1% for negative tone (15 og 30 nm tykkelse, henholdsvis). Vi har funnet at positiv tone PMMA motstå ikke lide fra mønster kollaps som negative-tone PMMA, dermed bruk av tynnere tykkelse for negative tone som vist i tabell 1. I tillegg har negativ-tone PMMA ~ 50% tykkelse tap etter e-utsatt (og før utvikling), slik at siste tykkelsen på negative-tone PMMA er ~ 7 til 15 nm. (1,7 og 1,8 nm funksjonene fra Figur 4 har ca 7 nm motstå tykkelse, som er på grensen av mønster kollaps.) PMMA mønstre vises i Figur 4 brukte ikke en CPD trinn; men hvis anbefaler denne protokollen bruk av CPD etter utviklingen av PMMA mønstre. Derimot fant vi CPD å være kritisk for HSQ behandling skyldes at det ikke kan videre bli utvannet (for å oppnå tynnere tykkelse) og fordi tykkere HSQ mønstre er nødvendig for å bruke som en etsning maske (f.eks til etch silisium som vist i figur 5 ).
Positiv tone PMMA mønstre i Figur 4 ble belagt med en metallisk tynnfilm å øke kontrasten under bildebehandling. Støtter informasjon i arbeidet med Manfrinato et al. 1 viser at effekten av denne metallisk belegg på Justervesenet mønstre er ubetydelig. Tilsvarende anser vi at resultatene som vises i figur 5 for HSQ motstå ikke stole drastisk på den spesielle valget av TEM vinduet struktur basert på ultratynne tykkelsen på underliggende Si lag.
Best av vår kunnskap er alle målene som er beskrevet i delen representant resultater for positive og negative tone PMMA1 (Figur 4) de minste funksjonene rapportert i litteraturen hittil1,7 , 12 , 16 , 17. Manfrinato et al. 1 viste også sub-5 nm mønsteret overføringen fra motstå til et mål materiale, ved hjelp av konvensjonelle metall lift-off (for positiv tone PMMA) og sekvensiell infiltrasjon syntese18 av ZnO (for negative-tone PMMA). Resultatene som vises i figur 5 for HSQ er ikke det minste rapporterte funksjoner7. Men denne protokollen er nyttig for å få reproduserbar funksjoner i HSQ ved oppløsningene bedre enn 10 nm, og viser ett siffer mønstre av silisium strukturer.
Protokollen presenteres her beskriver en prosess for mønstre vilkårlig strukturer med enkelt siffer nanometer oppløsning bruker konvensjonelle elektronstråle motstår PMMA og HSQ. I tillegg viser resultatene som vises her og i Ref. 1 at slike mønstre kan overføres med høy kvalitet til en mål materiale til valg.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen brukt ressurser av Center for Funksjonell nanomaterialer, som er en USA DOE kontoret av vitenskap anlegget, 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 |