金属補導電気化学ナノインプリンティングの多孔質および固体シリコンウエハー
Summary
20nm以下の形状精度を持つ3Dマイクロスケールの特徴を固体および多孔質シリコンウエハーに金属アシストした化学インプリンティング用プロトコルが提示されています。
Abstract
金属アシスト電気化学刷り込み(Mac-Imprint)は、金属アシスト化学エッチング(MACE)とナノインプリントリソグラフィーの組み合わせで、単結晶群IV(例えば、Si)およびIII-V(例えば、GaAs)半導体(例えば、GaAs)の半導体を直接パターニングすることができる。このプロセスの間に、貴金属触媒で被覆された再利用可能なスタンプは、フッ化水素酸(HF)および過酸化水素(H2O2)混合物の存在下でSiウエハと接触し、金属半導体接触界面でSiの選択的エッチングにつながります。このプロトコルでは、2つのMac-インプリント構成で適用されるスタンプと基板の調製方法について議論します: (1) 固体触媒を用いた多孔質Si Mac-インプリント;(2)多孔質触媒を有する固体Siマックインプリント。このプロセスは高いスループットで、サブ20 nm解像度でセンチメートルスケールの並列パターン化が可能です。また、1回の操作で低い欠陥密度と大面積パターニングを提供し、深い反応性イオンエッチング(DRIE)などのドライエッチングの必要性を回避します。
Introduction
半導体の三次元マイクロ・ナノスケールのパターニングとテクスチャ化により、光電子工学1,2、フォトニクス3、反射防止表面4、超疎水性、自己洗浄面など、さまざまな分野で多くの用途に対応できます。ソフトリソグラフィと20nm以下の解像度のナノインプリンティングリソグラフィにより、高分子フィルムのプロトタイピングと大量生産の3Dおよび階層パターンが成功しました。しかし、このような3D高分子パターンをSiに移すには、反応性イオンエッチング時のマスクパターンのエッチング選択性が必要であり、したがってアスペクト比が制限され、スカラップ効果による形状の歪みや表面粗さを誘導する7,8。
多孔質のSiウエハース10,11と固体GaAsウエハース12,13,14の平行および直接パターン化のために、Mac-Imprintと呼ばれる新しい方法が達成されました。Mac-インプリントは、HFと酸化剤(例えば、Si Mac-Imprintの場合はH2O2)で構成されるエッチング液(ES)の存在下で、3D特徴を有する基板と貴金属被覆スタンプとの接触を必要とする接触式ウェットエッチング技術である。エッチングの間、2つの反応が同時に15,16に起こる:陰極反応(すなわち、貴金属でのH2O2還元、その間に正電荷キャリア[穴]が生成され、その後Si17に注入される)と陽極反応(すなわち、Si溶解、穴が消費される間)。十分な時間を経て、スタンプの3DフィーチャがSiウエハにエッチングされます。Mac-Imprintは、高スループット、ロールツープレートおよびロールツーロールプラットフォーム、非晶質、単結晶および多結晶SiおよびIII-V半導体との互換性など、従来のリソグラフィ法に比べて多くの利点を有します。Mac-インプリントスタンプは複数回再利用できます。さらに、この方法は、現代の直接書き込み方法と互換性のあるサブ20 nmエッチング解像度を提供することができます。
高忠実度の刷り込みを達成するための鍵は、エッチングフロント(すなわち、触媒と基板との接触界面)への拡散経路である。Azeredoら.9 の研究は、ES拡散が多孔質Siネットワークを介して有効であることを最初に実証した。Torralba et al.18は、固体Si Mac-Imprintを実現するために、多孔質触媒を介してES拡散が可能であることを報告した。Bastide et al.19 およびSharstniouら.20 は、ES拡散に対する触媒の空隙率の影響をさらに調べた。このように、Mac-インプリントの概念は、異なる拡散経路を持つ3つの構成でテストされています。
第1の構成では、触媒および基質は固体であり、初期拡散経路を提供しない。反応性拡散の欠如は、触媒-Si界面の端の周りの基板上の多孔質Siの層を形成するインプリンティング中の二次反応をもたらす。反応物は、その後枯渇し、反応が停止し、スタンプと基板の間で識別可能なパターン転送忠実度を生み出さない。第2および第3の構成において、拡散経路は、基板(すなわち、多孔質Si)または触媒(すなわち、多孔質金)に導入された多孔性ネットワークを介して可能であり、高いパターン移動精度が得られます。したがって、多孔質材料を介した大量輸送は、接触界面への反応物および反応生成物の接触インタフェースからの拡散を可能にする上で重要な役割を果たす9,18,19,20。3 つの構成の概略を図 1 に示します。
図 1: Mac インプリント構成の概略図 この図は、基材(すなわち、II:多孔質Si)またはスタンプ(すなわち、ケースIII:多孔質金からなる触媒薄膜)を介して反応種の拡散を可能にする多孔質材料の役割を強調する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
本稿では、スタンプ調製や基板前処理、及びMac-インプリント自体を含む、Mac-インプリントプロセスについて徹底的に議論する。プロトコル内の基質前処理部には、ドライエッチングおよび基質陽極化によるSiウエハー洗浄およびSiウエハパターニング(任意)が含まれる。また、スタンプ準備部はいくつかの手順に細分化されます: 1) SiマスターモールドのPDMSレプリカ成形;2)PDMSパターンを転送するためにフォトレジスト層のUVナノインプリント;3)触媒層は、後に脱合金(任意)を続けてマグネトロンスパッタリングを介して堆積する。最後に、Mac-Imprint セクションでは、Mac-Imprint の結果(つまり、Si サーフェス 3D 階層パターン化)と共に Mac-Imprint のセットアップが表示されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
Mac-Imprintスタンプとプレパターン化されたSiチップ(p型、100方向、1〜10オーム∙cm)を、それぞれプロトコルのセクション1および2に従って調製した。3D階層パターンを含むスタンプを持つプレパターン化されたSiチップのMac-インプリントは、プロトコルのセクション3に従って行われた(図9)。図9aに示すように、Mac-Imprintの異なる構成が適?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我々は、この研究に関する洞察についてケン・スー博士(ルイビル大学)を認める。イリノイ大学フレデリック・ザイツ研究所、そしてメモリアムでは、スタッフのスコット・マクラーレン。アリゾナ州立大学のルロイ・アイリング固体科学センター;そして、ビスグローブ学者賞の下で科学財団アリゾナ州。
Materials
| Acetone, >99.5%, ACS reagent | Sigma-Aldrich | 67-64-1 | CAUTION, chemical |
| Ammonium fluoride, >98%, ACS grade | Sigma-Aldrich | 12125-01-8 | CAUTION, hazardous |
| Ammonium hydroxide solution, 28-30%, ACS reagent | Sigma-Aldrich | 1336-21-6 | CAUTION, hazardous |
| AZ 400K developer | Microchemicals | AZ 400K | CAUTION, chemical |
| BenchMark 800 Etch | Axic | BenchMark 800 | Reactive ion etching |
| Chromium target, 2" x 0.125", 99.95% purity | ACI alloys | ADM0913 | Magnetron sputter chromium target |
| CTF 12 | Carbolite Gero | C12075-700-208SN | Tube furnace |
| Desiccator | Fisher scientific Chemglass life sciences | CG122611 | Desiccator |
| F6T5/BLB | Eiko | F6T5/BLB 6W | UV bulb |
| Gold target, 2" x 0.125", 99.99% purity | ACI alloys | N/A | Magnetron sputter gold target |
| Hotplate KW-4AH | Chemat tecnologie | KW-4AH | Leveled hotplate with uniform temperature profile |
| Hydrofluoric acid, 48%, ACS reagent | Sigma-Aldrich | 7664-39-3 | CAUTION, extremly hazardous |
| Hydrogen peroxide, 30%, ACS reagent | Fisher Chemical | 7722-84-1 | CAUTION, hazardous |
| Isopropyl alcohol, >99.5%, ACS reagent | LabChem | 67-63-0 | CAUTION, chemical |
| MLP-50 | Transducer Techniques | MLP-50 | Load cell |
| Nitric acid, 70%, ACS grade | SAFC | 7697-37-2 | CAUTION, hazardous |
| NSC-3000 | Nano-master | NSC-3000 | Magnetron sputter |
| Potassium hydroxide, 45%, Certified | Fisher Chemical | 1310-58-3 | CAUTION, chemical |
| Rocker 800 vacuum pump, 110V/60Hz | Rocker | 1240043 | Oil-free vacuum pump |
| Silicon master mold | NILT | SMLA_V1 | Silicon chip with pattern |
| Silicon wafers, prime grade | University wafer | 783 | Si wafer |
| Silver target, 2" x 0.125", 99.99% purity | ACI alloys | HER2318 | Magnetron sputter silver target |
| SP-300 | BioLogic | SP-300 | Potentiostat |
| SPIN 150i | Spincoating | SPIN 150i | Spin coater |
| SPR 200-7.0 positive photoresist | Microchem | SPR 220-7.0 | CAUTION, chemical |
| Stirring hotplate | Thermo scientific Cimarec+ | SP88857100 | General purpose hotplate |
| SU-8 2015 negative photoresist | Microchem | SU-8 2015 | CAUTION, chemical |
| SYLGARD 184 Silicone elastomere kit | DOW | 4019862 | CAUTION, chemical |
| T-LSR150B | Zaber Technologies | T-LSR150B-KT04U | Motorized linear stage |
| Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOCS), 97% | Sigma-Aldrich | 78560-45-9 | CAUTION, hazardous |
Referências
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