Om de verwerkingssnelheid te verhogen en het stroomverbruik van elektronische apparaten te verminderen, de micro-elektronica-industrie blijft aandringen op kleinere en kleinere functiegroottes. Transistoren in de huidige mobiele telefoons zijn doorgaans 10 nanometer (nm) breed, wat overeenkomt met ongeveer 50 siliciumatomen breed, of kleiner. Om transistors met grotere nauwkeurigheid tot onder deze afmetingen te schalen, zijn geavanceerde materialen voor lithografie nodig - de primaire techniek voor het printen van elektrische circuitelementen op siliciumwafels om elektronische chips te vervaardigen. Een uitdaging is het ontwikkelen van robuuste "resists, " of materialen die worden gebruikt als sjablonen voor het overbrengen van circuitpatronen naar voor apparaten bruikbare substraten zoals silicium.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory - hebben de recent ontwikkelde techniek van infiltratiesynthese gebruikt om resists te creëren die het organische polymeer poly(methylmethacrylaat) combineren ), of PMMA, met anorganisch aluminiumoxide. Vanwege de lage kosten en hoge resolutie, PMMA is de meest gebruikte resist in elektronenstraallithografie (EBL), een soort lithografie waarbij elektronen worden gebruikt om de patroonsjabloon te maken. Echter, bij de resistdiktes die nodig zijn om de ultrakleine feature-afmetingen te genereren, de patronen beginnen meestal te degraderen wanneer ze in silicium worden geëtst, er niet in slagen om de vereiste hoge aspectverhouding (hoogte tot breedte) te produceren.

Zoals gemeld in een paper die op 8 juli online is gepubliceerd in de Journal of Materials Chemistry C , deze "hybride" organisch-anorganische resists vertonen een hoog lithografisch contrast en maken de patroonvorming van siliciumnanostructuren met hoge resolutie mogelijk met een hoge aspectverhouding. Door de hoeveelheid aluminiumoxide (of een ander anorganisch element) dat in PMMA is geïnfiltreerd te veranderen, de wetenschappers kunnen deze parameters afstemmen op bepaalde toepassingen. Bijvoorbeeld, geheugenapparaten van de volgende generatie, zoals flashdrives, zullen gebaseerd zijn op een driedimensionale stapelstructuur om de geheugendichtheid te vergroten, dus een extreem hoge aspectverhouding is wenselijk; anderzijds, een zeer hoge resolutie is het belangrijkste kenmerk van toekomstige processorchips.

"In plaats van een geheel nieuwe syntheseroute te volgen, we gebruikten een bestaande resist, een goedkoop metaaloxide, en gemeenschappelijke apparatuur die in bijna elke nanofabricagefaciliteit wordt aangetroffen, " zei eerste auteur Nikhil Tiwale, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de CFN Electronic Nanomaterials Group.

Hoewel andere hybride resists zijn voorgesteld, de meeste vereisen hoge elektronendoses (intensiteiten), omvatten complexe chemische synthesemethoden, of dure eigen composities hebben. Dus, deze resists zijn niet optimaal voor de hoge snelheid, grootschalige productie van elektronica van de volgende generatie.

Geavanceerde nanolithografie voor productie van grote volumes

conventioneel, de micro-elektronica-industrie heeft vertrouwd op optische lithografie, waarvan de resolutie wordt beperkt door de golflengte van het licht waaraan de resist wordt blootgesteld. Echter, EBL en andere nanolithografietechnieken zoals extreem-ultraviolette lithografie (EUVL) kunnen deze limiet verleggen vanwege de zeer kleine golflengte van elektronen en hoogenergetisch ultraviolet licht. Het belangrijkste verschil tussen de twee technieken is het belichtingsproces.

"Bij EBL, je moet het hele gebied schrijven dat je regel voor regel moet belichten, een beetje zoals het maken van een schets met een potlood, "zei Tiwale. "Daarentegen, in EUVL, je kunt het hele gebied in één keer belichten, vergelijkbaar met het maken van een foto. Vanuit dit standpunt, EBL is geweldig voor onderzoeksdoeleinden, en EUVL is beter geschikt voor grootschalige productie. Wij zijn van mening dat de aanpak die we hebben gedemonstreerd voor EBL direct kan worden toegepast op EUVL, die bedrijven, waaronder Samsung, onlangs zijn gaan gebruiken om productieprocessen voor hun 7 nm-technologieknooppunt te ontwikkelen."

In dit onderzoek, de wetenschappers gebruikten een atomaire laagafzetting (ALD) -systeem - een standaard stuk nanofabricageapparatuur voor het afzetten van ultradunne films op oppervlakken - om PMMA en aluminiumoxide te combineren. Na het plaatsen van een substraat bedekt met een dunne film van PMMA in de ALD-reactiekamer, ze introduceerden een damp van een aluminiumprecursor die door kleine moleculaire poriën in de PMMA-matrix diffundeerde om te binden met de chemische soorten in de polymeerketens. Vervolgens, ze introduceerden een andere voorloper (zoals water) die reageerde met de eerste voorloper om aluminiumoxide te vormen in de PMMA-matrix. Deze stappen vormen samen één verwerkingscyclus.

Het team voerde vervolgens EBL uit met hybride resists die tot acht verwerkingscycli hadden. Om het contrast van de resists onder verschillende elektronendoses te karakteriseren, de wetenschappers maten de verandering in de dikte van de resist in de blootgestelde gebieden. Oppervlaktehoogtekaarten gegenereerd met een atoomkrachtmicroscoop (een microscoop met een atomair scherpe punt voor het volgen van de topografie van een oppervlak) en optische metingen verkregen door middel van ellipsometrie (een techniek voor het bepalen van de filmdikte op basis van de verandering in de polarisatie van licht dat wordt gereflecteerd door een oppervlak) onthulde dat de dikte geleidelijk verandert met een laag aantal verwerkingscycli, maar snel met extra cycli, dwz een hoger gehalte aan aluminiumoxide.

"Het contrast verwijst naar hoe snel de resist verandert na blootstelling aan de elektronenstraal, " legde Chang-Yong Nam uit, een materiaalwetenschapper in de CFN Electronic Nanomaterials Group, die het project begeleidde en het idee bedacht in samenwerking met Jiyoung Kim, een professor in de afdeling Materials Science and Engineering aan de Universiteit van Texas in Dallas. "De abrupte verandering in de hoogte van de blootgestelde gebieden suggereert een toename van het resistcontrast voor grotere aantallen infiltratiecycli - bijna zes keer hoger dan die van de originele PMMA-resist."

De wetenschappers gebruikten de hybride weerstanden ook om periodieke rechte lijnen en "ellebogen" (kruisende lijnen) in siliciumsubstraten te vormen, en vergeleek de etssnelheid van de resists met substraten.

"Je wilt dat silicium sneller wordt geëtst dan de resist, anders begint de resist te degraderen, " zei Nam. "We ontdekten dat de etsselectiviteit van onze hybride resist hoger is dan die van dure gepatenteerde resists (bijv. ZEP) en technieken die een tussenliggende "harde" maskerlaag zoals siliciumdioxide gebruiken om patroondegradatie te voorkomen, maar die aanvullende verwerkingsstappen vereisen."

Vooruit gaan, het team zal bestuderen hoe de hybride resists reageren op blootstelling aan EUV. Ze zijn al begonnen met het gebruik van zachte röntgenstralen (energiebereik dat overeenkomt met de golflengte van EUV-licht) bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en hopen een speciale EUV-bundellijn te gebruiken die wordt beheerd door het Center for X-ray Optics van de Advanced Light Source (ALS) van Lawrence Berkeley National Lab in samenwerking met industriële partners.

"De energieabsorptie door de organische laag van EUVL-resist is erg zwak, "zei Nam. "Anorganische elementen toevoegend, zoals tin of zirkonium, kunnen ze gevoeliger maken voor EUV-licht. We kijken ernaar uit om te onderzoeken hoe onze aanpak kan voldoen aan de eisen van de weerstandsprestaties van EUVL."