Tek basamaklı nanometre elektron ışını litografi bir sapma düzeltilmiş tarama transmisyon elektron mikroskobu ile
Summary
İki yaygın olarak kullanılan elektron ışın direnir içinde tek haneli nanometre desenleri tanımlamak için bir sapma düzeltilmiş tarama transmisyon elektron mikroskobu kullanın: Poli (Metil metakrilat) ve hidrojen silsesquioxane. Karşı koymak desenleri tercih hedef malzemelerinde kalkış, aşındırma, plazma kullanarak tek basamaklı nanometre sadakat ile çoğaltılabilir ve organometallics tarafından infiltrasyon karşı.
Abstract
Elektron ışını litografi geleneksel kullanımının uzantısını direnir ve pozlama aracı olarak bir sapma düzeltilmiş tarama transmisyon elektron mikroskobu istihdam ederek tek basamaklı nanometre boyutları için desen aktarma işler göstermektedir. Burada, iki yaygın olarak kullanılan elektron ışını direnir, tek basamaklı nanometre desenlendirme sonuçlarını mevcut: Poli (Metil metakrilat) ve hidrojen silsesquioxane. Yöntem poli (Metil metakrilat) alt-5 nanometre özellikleri ve hidrojen silsesquioxane alt-10 nanometre çözünürlük sağlar. Bu kalıpları yüksek sadakat transfer hedef malzemeler tercih içine metal kalkış kullanılarak gerçekleştirilebilir, plazma etch ve organometallics ile infiltrasyon karşı.
Introduction
Bu el yazması sunulan iletişim kuralı tek basamaklı nanometre çözünürlük desenlerle poli (Metil metakrilat) (PMMA) tanımlamak için rehberlik sağlar ve iki ortak elektron ışını direnir olan hidrojen silsesquioxane (HSQ), kullanılan yüksek çözünürlüklü desenlendirme elektron ışını litografi tarafından. Elektron ışını kontrol etmek için bir desen jeneratör ile outfitted pozlama aracı olarak bir sapma düzeltilmiş tarama transmisyon elektron mikroskobu (kök) kullanarak bu sonuçlar elde etmek. Resist maruz kaldıktan sonra nano desenleri hedef malzemeler1böylece etkinleştirme tek basamaklı nanometre çözünürlükte roman cihazları imalatı, çeşitli aktarılabilir.
Önceki çalışmalarda elektron ışını litografi (EBL) desen tanımlama kapasitesine sahip olduğunu göstermiştir resist içinde malzemeleri ile alt-10 nm boyut2,3,4,5,6ölçek. Her nasıl, için boyutları yaklaşık 4 nm, bu gösteriler gerekli kullanımı gibi standart prosedürler yardımcı yapıları7 veya kendini geliştirmek için uzun pozlama süreleri8direnir. Bunlar gerektirse de önemli ölçüde diğer nanopatterning, elektron ışını ifade9 indüklenen veya tarama prob litografi10,11, gibi alt-4 nm çözünürlük, ulaşma yeteneğine sahip kanıtlanmış teknikleri EBL için karşılaştırıldığında daha uzun pozlama süreleri.
Modern özel EBL sistemleri elektron ışınları ile alt-10 nm kararlılık belirleyici desenler çok zor kılan birkaç nanometre uzunluğu ölçeğinde (2-10 nm), nokta boyutları ile üretmek. Buna ek olarak, bizim protokolünü EBL angstrom uzunluğu ölçeklerde malzeme karakterizasyonu için çok optimize edilmiş bir araçtır bir sapma düzeltilmiş kök kullanarak uygular. Bu fark rutin desenlendirme tek nanometre çözüm1ile rekor kırma taş özellikleri sağlar. State-of–art, süre ticari sapmaları düzeltilmiş kök sistemleri milyonlarca dolar aralığında fiyatına, onlar çeşitli ulusal Kullanıcı tesislerinde kullanılabilir ve bazı maliyet olmadan erişilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
İletişim kuralı en kritik adım pozlama önce elektron ışını duruluyor vardır. Bu yüksek çözünürlüklü desenlendirme elde etmek gereklidir. Birden çok pozlamayı (TEM çip birden fazla pencere vardır ve her desenlimesela ) işlemi sırasında daha önce pozlama alan çoğu, 5 mikron mesafeden her maruz kiriş yönlendirmesi önemlidir. Protokolü de önce ve pozlama bazı defocusing desenlendirme sırasında örneğin nedeniyle oluşup bir kararlılık sağlayan iki aşırı pozisyonlarda desenlendirme çevrenin (köşeler) üst ve alt, sonra ışın netlemeyi kontrol için adımları içerir bir membran desenlendirme bölgede yerel olarak eğik.
Bu iletişim kuralı bir önemli adım kritik noktası (GBM) kurutma kurutmak için kullanıyor maruz geliştirme sonra örnekleri karşı koymak desenleri. Bu adım desen desenli yapıları (desenliYani, resist yanal boyutları kalınlığı küçük) yüksek en boy oranı nedeniyle sık sık çökecek. CPD sistemlerin çoğu bir standart 2″ gofret tutucu kaynağı. Ancak, beri TEM cips çok küçük ve oldukça hassas desenli yapılardır, onlar daha büyük örnekler için tasarlanmış sahipleri yerleştirildiğinde CPD işlemi sırasında zarar görmüş olabilir. Şekil 3 TEM CPD fiş bir standart gofret tutucu kullanarak şirket içi bir çözüm gösterir. Merkezi, akışı sağlayan delikle iki gofret TEM yonga içine alın ve türbülanslı akış CPD işlemi sırasında korumak.
En iyi resist film kalınlığı belirlenmesi rakip gereksinimleri dengelemek için çalışır. Bir yandan, en yüksek çözünürlükte elde etmek ve desen çöküşü önlemek için mümkün olduğunca ince olmalı, ama öte yandan, kalkış ve dağlama gibi desen aktarma uygulamalar için kalın olmalıdır. Bu iletişim kuralı % 1 kullanır HSQ, en düşük fiyat seyreltme ticari olarak mevcut olan ve laboratuvarda daha fazla olan seyreltme (seyreltilmiş HSQ genellikle için kısmi crosslinking açar bizim deneyim gösterir) tavsiye edilmez. Ancak, % 1’için pozitif tonlu PMMA çünkü seyreltilmiş PMMA tekrarlanabilir sonuçlar vermek, bu iletişimi kullanan (30 nm kalınlık) ve % 0,5 ve olumsuz sesi için % 1 (15 ve 30 nm kalınlığının, sırasıyla). Bu pozitif tonlu PMMA direnmek değil acı desen Daralt negatif tonlu PMMA yaptığı gibi böylece daha ince kalınlık kullanım için olumsuz sesi gösterildiği gibi bulduk Tablo 1. Buna ek olarak, negatif tonlu PMMA e-beam maruz kaldıktan sonra (ve geliştirme önce), ~ %50 kalınlık kaybı yoktur yani negatif tonlu PMMA son kalınlığını ~ 7-15 nm. ( Şekil 4 1.7 ve 1.8 nm özellikleri desen Daralt bu kadar yaklaşık 7 nm resist kalınlığı vardır.) Şekil 4 ‘ te gösterilen PMMA desenleri CPD adım kullanımı yoktu; Ancak, varsa, bu iletişim kuralını CPD kullanımı PMMA desen geliştirme sonra önerir. Buna ek olarak, biz CPD gerçeğini o daha fazla (daha ince kalınlık elde etmek için) seyreltilmiş olamaz nedeniyle ve kalın HSQ desenleri (Şekil 5 gösterildiği gibi silikon etch içinÖrneğin, gravür maskesi olarak kullanmak için gerekli çünkü HSQ işlemek için kritik olmak bulundu ).
Şekil 4 pozitif tonlu PMMA desenleri Karşıtlık görüntüleme sırasında artırmak için ince bir metal film ile kaplı. Manfrinato ve arkçalışmalarını destekleyici bilgileri. 1 bu metalik kaplama Metroloji desen üzerinde etkisi önemsiz olduğunu gösterir. Benzer şekilde, biz HSQ karşı koymak için Şekil 5 ‘ te gösterilen sonuçları büyük ölçüde TEM pencere yapısı üzerinde temel Si tabakasının kalınlığı Ultra-ince dayalı belirli seçimi üzerinde bağımlı olmayan olduğunu düşünün.
Bilgimizin en iyi, pozitif ve negatif sesi PMMA1 (Şekil 4) temsilcisi sonuçlar bölümünde açıklanan tüm ölçümler1,7 bugüne kadar literatürde bildirilen en küçük özellikleri şunlardır. , 12 , 16 , 17. Manfrinato ve ark. 1 alt-5 nm desen aktarma, direnmek için geleneksel metal kalkış (pozitif tonlu PMMA) izni ve sıralı infiltrasyon sentez18 ZnO (için negatif tonlu PMMA) kullanarak bir hedef malzeme üzerinden de gösterdi. HSQ için Şekil 5 ‘ te gösterilen sonuçlar en küçük bildirilen özellikleri7değildir. Ancak, bu iletişim kuralını HSQ tekrarlanabilir özellikleri çözünürlüklerinde 10’dan daha iyi almak için yararlıdır nm ve tek basamaklı desenlendirme silikon yapıları gösterir.
Burada sunulan protokolünü geleneksel elektron ışını direnir PMMA ve HSQ kullanarak tek haneli nanometre çözünürlük ile rasgele yapıları desenlendirme için bir işlem açıklar. Ayrıca, burada ve referans 1 gösterilen sonuçlar böyle desenler yüksek sadakat ile seçim için bir hedef malzeme transfer edilebilir gösterilmektedir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma merkezi kaynakları fonksiyonel Nanomalzemeler, bir ABD DOE Office, bilim tesisi, Sözleşme No altında Brookhaven Ulusal Laboratuvarı için kullanılan DE-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).
