الطباعة الحجرية شعاع الإلكترون نانومتر ذات الأرقام المفردة مع مجهر إلكتروني انتقال المسح ضوئي لتصحيح الانحراف
Summary
ونحن نستخدم مجهر إلكتروني انتقال المسح ضوئي لتصحيح انحراف لتحديد أنماط نانومتر رقم واحد في اثنين شعاع الإلكترون استخداماً تقاوم: بولي (ميثاكريلات الميثيل) والهيدروجين سيلسيسكويوكساني. مقاومة أنماط يمكن تكرارها في المواد المستهدفة في الاختيار مع الإخلاص نانومتر ذات الأرقام المفردة باستخدام إقلاعه، البلازما النقش، ومقاومة التسلل أورجانوميتاليكس.
Abstract
نظهر يقاوم تمديد الإلكترون الحزم باستخدام الطباعة الحجرية التقليدية ونمط نقل العمليات إلى أبعاد نانومتر ذات الأرقام المفردة التي توظف مجهر إلكتروني انتقال المسح ضوئي لتصحيح الانحراف كأداة التعرض. هنا، نحن نقدم نتائج الزخرفة نانومتر ذات الأرقام المفردة من اثنين شعاع الإلكترون المستخدمة على نطاق واسع تقاوم: بولي (ميثاكريلات الميثيل) والهيدروجين سيلسيسكويوكساني. الأسلوب الذي يحقق ميزات فرعية-5 نانومتر في بولي (ميثاكريلات الميثيل) والقرار sub-10 نانومتر في سيلسيسكويوكساني الهيدروجين. يمكن إجراء نقل عالية الدقة لهذه الأنماط في المواد المستهدفة من خيار استخدام زنتها معدنية، والبلازما أحفر، ومقاومة التسلل مع أورجانوميتاليكس.
Introduction
وينص البروتوكول على قدم في هذه المخطوطة التوجيه لتحديد أنماط مع القرار رقم واحد نانومتر في بولي (ميثاكريلات الميثيل) (البولي ميثيل ميثا اكريلات) واستخدام الهيدروجين سيلسيسكويوكساني (هسق)، وتقاوم شعاع الإلكترون المشتركة اثنين في الزخرفة ذات الدقة العالية بشعاع الإلكترون الطباعة الحجرية. يمكننا تحقيق هذه النتائج باستخدام تصحيح انحراف مسح انتقال مجهر إلكتروني (الجذعية) كأداة التعرض، تجهيزه مولد نمط للتحكم بشعاع الإلكترون. بعد التعرض لمقاومة، يمكن نقل أنماط النانو لمجموعة متنوعة من الهدف المواد1، مما مكن تصنيع أجهزة جديدة في القرار رقم واحد نانومتر.
وقد أظهرت الدراسات السابقة أن شعاع الإلكترون الطباعة الحجرية (أبل) قادر على تحديد أنماط في مقاومة المواد ذات الأبعاد في نانومتر sub-10 مقياس2،،من34،،من56. ومع ذلك، لإبعاد حوالي 4 نانومتر، تتطلب هذه المظاهرات تساعد إجراءات غير قياسي مثل استخدام هياكل7 أو يقاوم مرات التعرض الطويل لتطوير الذاتي8. تقنيات نانوباتيرنينج أخرى، مثل شعاع الإلكترون الناجم عن ترسب9 أو المسح الضوئي التحقيق الطباعة الحجرية10،11، أثبتت أنها قادرة على تحقيق القرار sub-4 نانومتر، على الرغم من أن تتطلب هذه إلى حد كبير التعرض لأوقات أطول بالمقارنة مع أبل.
نظم حديثة مخصصة لابل إنتاج الحزم الإلكترونية مع أحجام بقعة في مقياس الطول نانومتر قليلة (2-10 نانومتر)، مما يجعل من الصعب جداً تحديد أنماط مع القرار sub-10 نانومتر. وفي المقابل، لدينا بروتوكول تنفذ أبل باستخدام جذعية تصحيح الانحراف، الذي أداة الغاية أمثل لتوصيف المواد في جداول طول انغستروم. يسمح هذا الاختلاف الزخرفة الروتينية لميزات معدني رقماً قياسياً مع نانومتر واحد القرار1. بينما الدولة-من—-فن، النظم التجارية لتصحيح انحراف الجذعية التكلفة في نطاق الملايين من الدولارات وتكون متوفرة للاستخدام في العديد من المرافق الوطنية المستخدم، وبعضها موجوداً دون تكلفة.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتركز الخطوة الأكثر حسما في البروتوكول شعاع الإلكترون قبل التعرض. وهذا ضروري لتحقيق أعلى دقة الزخرفة. عند القيام بالتعرض لأخطار متعددة (مثلاً عندما يكون شريحة تيم windows متعددة وكل من يجري منقوشة)، من المهم أن تعيد تركيز الحزمة قبل كل التعرض على مسافة من 5 ميكرومترات على أكثر من منطقة التعرض. ويشمل البروتوكول أيضا خطوات للتحقق من التركيز شعاع قبل وبعد التعرض لاثنين من المواقف المتطرفة من منطقة الزخرفة (الزوايا العلوية والسفلية)، التي تسمح تحديد ما إذا كان بعض بديعة وقع خلال الزخرفة، على سبيل المثال نظراً غشاء إمالة يجري محلياً في منطقة الزخرفة.
خطوة هامة أخرى في هذا البروتوكول هو استخدام النقطة الحرجة التجفيف (وثيقة البرنامج القطري) لتجفيف العينات بعد وضع يتعرض مقاومة الأنماط. دون هذه الخطوة، وكثيراً ما أنماط سوف تنهار بسبب ارتفاع نسبة العرض إلى الارتفاع لهياكل منقوشة (أي، على غرار مقاومة الأفقي أبعاد أصغر من السمك). معظم وثيقة البرنامج القطري نظم الإمداد يفر حامل قياسي 2 “. ومع ذلك، منذ تيم رقائق صغيرة جداً وهياكل منقوشة حساسة جداً، أنهم قد يكون معطوباً أثناء عملية وثيقة البرنامج القطري عند وضعه في أصحاب مصممة لعينات أكبر. ويبين الشكل 3 حلاً داخليا لرقائق “وثيقة البرنامج القطري تيم” استخدام حامل يفر قياسية. أرفق رقاقة تيم رقائق اثنين، مع وجود ثقب تمكين التدفق في المركز، وحمايتها من تدفق المضطرب خلال عملية وثيقة البرنامج القطري.
يحاول تحديد سمك الفيلم مقاومة الأمثل لتحقيق التوازن بين الاحتياجات المتنافسة. من ناحية، فإنه ينبغي أن تكون رقيقة قدر الإمكان لتحقيق أعلى دقة وتجنب انهيار نمط، ولكن من ناحية أخرى، ينبغي أن يكون سميكة ما يكفي لنمط نقل التطبيقات مثل انطلاقة والنقش. هذا البروتوكول يستخدم 1% هسق، وهو إضعاف أدنى المتاحة تجارياً ولا ينصح الذين تمييع المزيد في المعمل (لدينا تظهر التجربة أن هسق المخفف يؤدي في الغالب إلى crosslinking الجزئية). بيد المخفف البولي ميثيل ميثا اكريلات تعطي النتائج استنساخه، يستخدم هذا البروتوكول 1% للهجة إيجابية البولي ميثيل ميثا اكريلات (30 نانومتر سمك) و 0.5% و 1% للنبرة السلبية (سمك 15 و 30 نانومتر، على التوالي). وقد وجدنا أن مقاومة البولي ميثيل ميثا اكريلات نغمة إيجابية لا تعاني من انهيار نمط البولي ميثيل ميثا اكريلات لهجة سلبية لا، وبالتالي استخدام سمك أرق للنبرة السلبية كما هو موضح في الجدول 1- وبالإضافة إلى ذلك، قد البولي ميثيل ميثا اكريلات لهجة سلبية فقدان سمك ~ 50% بعد التعرض للشعاع الإلكتروني (وقبل التنمية)، حتى لا يكون سمك النهائي للهجة سلبية البولي ميثيل ميثا اكريلات ~ 7 إلى 15 نانومتر. (ملامح شمال البحر الأبيض المتوسط 1.7 و 1.8 من 4 الشكل يكون حوالي 7 سمك مقاومة شمال البحر الأبيض المتوسط، الذي في حد انهيار نمط). لم تستخدم أنماط البولي ميثيل ميثا اكريلات هو موضح في الشكل 4 خطوة وثيقة البرنامج القطري؛ ومع ذلك، إذا كانت متوفرة، توصي باستخدام وثيقة البرنامج القطري بعد تطوير أنماط البولي ميثيل ميثا اكريلات هذا البروتوكول. وفي المقابل، وجدنا وثيقة البرنامج القطري أن تكون حاسمة بالنسبة لتجهيز هسق يرجع ذلك إلى حقيقة أن لا يمكن أن تضعف كذلك (لتحقيق سمك أرق) ونظرا لأن هناك حاجة أكثر سمكا هسق أنماط استخدامها كقناع النقش (مثلاً، أحفر السليكون كما هو موضح في الشكل 5 ).
أنماط البولي ميثيل ميثا اكريلات نغمة إيجابية في الشكل 4 كانت مغطاة بطبقة رقيقة معدنية لزيادة التباين أثناء التصوير. المعلومات الداعمة في أعمال مانفريناتو et al. 1 يبين أن تأثير هذا الطلاء المعدني في المقاييس الأنماط لا يكاد يذكر. وبالمثل، نرى أن النتائج هو موضح في الشكل 5 لمقاومة هسق لا تعتمد جذريا على اختيار معين من بنية الإطار تيم استناداً إلى سمك الطبقة الرابطة الأساسية رقيقة جداً.
على حد علمنا، هي جميع القياسات الموضحة في قسم النتائج ممثلة للهجة إيجابية وسلبية البولي ميثيل ميثا اكريلات1 (الشكل 4) الميزات أصغر ذكرت في الأدبيات حتى الآن1،7 , 12 , 16 , 17-مانفريناتو وآخرون. 1 أثبتت أيضا نقل النمط الفرعي-5 نانومتر، من المقاومة لمواد مستهدفة، استخدام زنتها المعدنية التقليدية (للهجة إيجابية البولي ميثيل ميثا اكريلات) وتسلل متسلسلة توليف18 من أكسيد الزنك (للهجة سلبية البولي ميثيل ميثا اكريلات). النتائج هو مبين في الشكل 5 هسق ليست أصغر من الإبلاغ عن ميزات7. بيد أن هذا البروتوكول مفيدة للحصول على ميزات استنساخه في هسق في قرارات أفضل من 10 نانومتر، ويوضح الزخرفة ذات الأرقام المفردة من هياكل السليكون.
البروتوكول المعروضة هنا يصف عملية للزخرفة هياكل التعسفي مع رقم واحد نانومتر قرار استخدام تقاوم شعاع الإلكترون التقليدية البولي ميثيل ميثا اكريلات وهسق. بالإضافة إلى ذلك، تبين أن النتائج تظهر هنا وفي الرقم 1 أنه يمكن نقل هذه الأنماط مع الدقة العالية لمادة هدف المفضل.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذه البحوث تستخدم موارد المركز “المواد النانوية الوظيفية”، وهي “وزارة الطاقة الأمريكية مكتب للعلم منشأة”، في “مختبر بروكهافن الوطني” تحت “رقم العقد” دي-SC0012704.
Materials
| 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 |
References
- Manfrinato, V. R., Stein, A., Zhang, L., Nam, C. Y., Yager, K. G., Stach, E. A., Black, C. T. Aberration-Corrected Electron Beam Lithography at the One Nanometer Length Scale. Nano Letters. 17 (8), 4562-4567 (2017).
- Chen, W., Ahmed, H. Fabrication of 5-7 nm wide etched lines in silicon using 100 keV electron-beam lithography and polymethylmethacrylate resist. Applied Physics Letters. 62 (13), 1499-1501 (1993).
- Vieu, C., Carcenac, F., Pepin, A., Chen, Y., Mejias, M., Lebib, A., Manin-Ferlazzo, L., Couraud, L., Launois, H. Electron beam lithography: resolution limits and applications. Applied Surface Science. 164, 111-117 (2000).
- Hu, W., Sarveswaran, K., Lieberman, M., Bernsteina, G. H. Sub-10 nm electron beam lithography using cold development of poly(methylmethacrylate). Journal of Vacuum Science & Technology B. 22 (4), 1711-1716 (2004).
- Chen, Y. Nanofabrication by electron beam lithography and its applications: A review. Microelectronic Engineering. 135, 57-72 (2015).
- Jiang, N. On the spatial resolution limit of direct-write electron beam lithography. Microelectronic Engineering. 168, 41-44 (2017).
- Manfrinato, V. R., Zhang, L., Su, D., Duan, H., Hobbs, R. G., Stach, E. A., Berggren, K. K. Resolution Limits of Electron-Beam Lithography toward the Atomic Scale. Nano Letters. 13 (4), 1555-1558 (2013).
- Isaacson, M., Muray, A. In situ vaporization of very low molecular weight resists using 1/2 nm diameter electron beams. Journal of Vacuum Science & Technology B. 19 (4), 1117-1120 (1981).
- van Dorp, W. F., van Someren, B., Hagen, C. W., Kruit, P. Approaching the Resolution Limit of Nanometer-Scale Electron Beam-Induced Deposition. Nano Letters. 5 (7), 1303-1307 (2005).
- Fuechsle, M., Miwa, J. A., Mahapatra, S., Ryu, H., Lee, S., Warschkow, O., Hollenberg, L. C. L., Klimeck, G., Simmons, M. Y. A single-atom transistor. Nature Nanotechnology. 7 (4), 242-246 (2012).
- Randall, J. N., Lyding, J. W., Schmucker, S., Von Ehr, J. R., Ballard, J., Saini, R., Xu, H., Ding, Y. Atomic precision lithography on Si. Journal of Vacuum Science & Technology B. 27 (6), 2764-2768 (2009).
- Arjmandi, N., Lagae, L., Borghs, G. Enhanced resolution of poly(methyl methacrylate) electron resist by thermal processing. Journal of Vacuum Science & Technology B. 27 (4), 1915-1918 (2009).
- Yang, J. K. W., Berggren, K. K. Using high-contrast salty development of hydrogen silsesquioxane for sub-10-nm half-pitch lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 25 (6), 2025-2029 (2007).
- Lin, J. A., Cowley, J. M. Calibration of the operating parameters for an HB5 STEM instrument. Ultramicroscopy. 19 (1), 31-42 (1986).
- Cord, B., Lutkenhaus, J., Berggren, K. K. Optimal temperature for development of poly(methylmethacrylate). Journal of Vacuum Science & Technology B. 25 (6), 2013-2016 (2007).
- Duan, H. G., Winston, D., Yang, J. K. W., Cord, B. M., Manfrinato, V. R., Berggren, K. K. Sub-10-nm half-pitch electron-beam lithography by using poly(methyl methacrylate) as a negative resist. Journal of Vacuum Science & Technology B. 28 (6), C6C58-C6C62 (2010).
- Dial, O., Cheng, C. C., Scherer, A. Fabrication of high-density nanostructures by electron beam lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 16 (6), 3887-3890 (1998).
- Kamcev, J., Germack, D. S., Nykypanchuk, D., Grubbs, R. B., Nam, C. Y., Black, C. T. Chemically Enhancing Block Copolymers for Block-Selective Synthesis of Self-Assembled Metal Oxide Nanostructures. ACS Nano. 7 (1), 339-346 (2013).
