Термосканирующая зондовая литография

Термосканирующая зондовая литография ( t-SPL ) — это разновидность сканирующей зондовой литографии. [1] (SPL), при котором материал структурируется на наноуровне с помощью сканирующих зондов , в первую очередь за счет применения тепловой энергии .
Связанными областями являются термомеханический SPL (см. Также «Память многоножек» ), термохимический SPL. [2] [3] (или термохимическая нанолитография ), цель которой состоит в том, чтобы повлиять на местную химию, и термическая литография пером. [4] как аддитивный метод.
История
[ редактировать ]Ученые Дэниела Ругара и Джона Мамина из исследовательских лабораторий IBM в Альмадене были пионерами в использовании нагретых зондов AFM (атомно-силовой микроскоп) для модификации поверхностей. В 1992 году они использовали микросекундные лазерные импульсы для нагрева наконечников АСМ и записи отпечатков размером до 150 нм на полимере ПММА со скоростью 100 кГц. [5] В последующие годы были разработаны кантилеверы с резонансными частотами выше 4 МГц и встроенными резистивными нагревателями и пьезорезистивными датчиками для записи и чтения данных. [6] [7] Эта концепция термомеханического хранения данных легла в основу проекта Millipede , который был инициирован Питером Веттигером и Гердом Биннигом в исследовательских лабораториях IBM в Цюрихе в 1995 году. Это был пример запоминающего устройства с большим набором параллельных датчиков, который Однако так и не была коммерциализирована из-за растущей конкуренции со стороны энергонезависимой памяти, такой как флэш-память . Носитель памяти «Многоножки» состоял из полимеров с функцией памяти формы, таких как, например, сшитый полистирол . [8] чтобы можно было записывать отступы данных путем пластической деформации и снова стирать данные путем нагрева. Однако испарение вместо пластической деформации было необходимо для приложений нанолитографии , чтобы иметь возможность создавать любой рисунок в резисте . Такое локальное испарение резиста, вызванное нагретым наконечником, может быть достигнуто для некоторых материалов, таких как тетранитрат пентаэритрита . [9] сшитые поликарбонаты , [10] и полимеры Дильса-Альдера . [11] Значительный прогресс в выборе резистного материала был достигнут в 2010 году в исследовательском центре IBM в Цюрихе, что привело к созданию высокого разрешения и точного трехмерного рельефного рисунка. [12] с использованием самоамплифицированного деполимеризационного полимера полифталевого альдегида (ППА) [12] [13] и молекулярные стекла [14] как резист, где полимер разлагается на летучие мономеры при нагревании наконечником без приложения механической силы и без скопления или остатков резиста.
Принцип работы
[ редактировать ]Термические кантилеверы изготавливаются из кремниевых пластин с использованием процессов объемной и поверхностной микрообработки. Зонды имеют радиус кривизны менее 5 нм, что обеспечивает разрешение менее 10 нм в резисте. [15] Резистивный нагрев осуществляется встроенными микронагревателями в опорах консоли , которые создаются с помощью различных уровней легирования . Постоянная времени нагревателей находится в пределах от 5 мкс до 100 мкс. [16] [17] Электромиграция ограничивает долговременную устойчивую температуру нагревателя до 700–800 ° C. [17] Встроенные нагреватели обеспечивают на месте , обеспечивая контроль с обратной связью. измерение записанных шаблонов [18] в полевых условиях вышивка без использования маркеров совмещения [19] и использование предварительно структурированных структур в качестве эталона для наложения размером менее 5 нм . [20] Передача рисунка для изготовления полупроводниковых устройств , включая реактивное ионное травление и отрыв металла , была продемонстрирована с разрешением менее 20 нм. [21]
Сравнение с другими методами литографии
[ редактировать ]Из-за абляционного никаких стадий проявки (например, выборочного удаления экспонированных или неэкспонированных областей резиста, как в случае электронной лучевой и оптической литографии характера процесса формирования рисунка не требуется ), а также оптической коррекции близости . Показана максимальная скорость линейного письма до 20 мм/с. [22] с пропускной способностью в 10 4 – 10 5 мкм 2 час −1 диапазон [1] что сравнимо с одноколонным электронным лучом гауссовой формы с использованием HSQ в качестве сопротивления. [23] Разрешение t-SPL определяется формой кончика зонда и не ограничивается дифракционным пределом или размером фокусного пятна приближающегося луча, однако взаимодействие зонда с образцом во время процесса метрологии на месте приводит к износу зонда . [24] ограничение срока службы зондов. Чтобы продлить срок службы наконечников зондов, используется ультрананокристаллический алмаз (UNCD). [25] и с покрытием из карбида кремния (SiC). [24] наконечники или неизнашиваемые плавающие контактные методы визуализации [26] были продемонстрированы. Поверхности с рисунком не повреждаются электронами и не заряжаются из-за отсутствия электронных или ионных пучков. [21]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Гарсия, Рикардо; Нолл, Армин В.; Риедо, Элиза (август 2014 г.). «Усовершенствованная сканирующая зондовая литография». Природные нанотехнологии . 9 (8): 577–587. arXiv : 1505.01260 . Бибкод : 2014НатНа...9..577Г . дои : 10.1038/nnano.2014.157 . ISSN 1748-3387 . ПМИД 25091447 . S2CID 205450948 .
- ^ Шошкевич, Роберт; Окада, Такаши; Джонс, Саймон С.; Ли, Тай-Де; Кинг, Уильям П.; Мардер, Сет Р.; Риедо, Элиза (1 апреля 2007 г.). «Высокоскоростная термохимическая нанолитография с размером элемента менее 15 нм». Нано-буквы . 7 (4): 1064–1069. Бибкод : 2007NanoL...7.1064S . дои : 10.1021/nl070300f . ISSN 1530-6984 . ПМИД 17385937 .
- ^ Фенвик, Оливер; Божец, Лоран; Кредингтон, Дэн; Хаммиш, Аззедин; Лаццерини, Джованни Маттиа; Зильберберг, Ярон Р.; Качиалли, Франко (октябрь 2009 г.). «Термохимическое наноструктурирование органических полупроводников». Природные нанотехнологии . 4 (10): 664–668. Бибкод : 2009NatNa...4..664F . дои : 10.1038/nnano.2009.254 . ISSN 1748-3387 . ПМИД 19809458 .
- ^ Нельсон, бакалавр; Кинг, В. П.; Ларакуэнте, Арканзас; Шихан, ЧП; Уитмен, ЖЖ (16 января 2006 г.). «Прямое осаждение непрерывных металлических наноструктур методом термической нанолитографии пером». Письма по прикладной физике . 88 (3): 033104. Бибкод : 2006ApPhL..88c3104N . дои : 10.1063/1.2164394 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Мамин, HJ; Ругар, Д. (24 августа 1992 г.). «Термомеханическое письмо иглой атомно-силового микроскопа». Письма по прикладной физике . 61 (8): 1003–1005. Бибкод : 1992АпФЛ..61.1003М . дои : 10.1063/1.108460 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Мамин, HJ; Рид, Р.П.; Террис, Б.Д.; Ругар, Д. (июнь 1999 г.). «Хранилище данных высокой плотности на базе атомно-силового микроскопа». Труды IEEE . 87 (6): 1014–1027. CiteSeerX 10.1.1.457.232 . дои : 10.1109/5.763314 . ISSN 0018-9219 .
- ^ Чуй, БВ; Стоу, Т.Д.; Кенни, ТВ; Мамин, HJ; Террис, Б.Д.; Ругар, Д. (28 октября 1996 г.). «Силиконовые кантилеверы низкой жесткости для термозаписи и пьезорезистивного считывания с помощью атомно-силового микроскопа». Письма по прикладной физике . 69 (18): 2767–2769. Бибкод : 1996ApPhL..69.2767C . дои : 10.1063/1.117669 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Т. Альтебаймер, Б. Готсманн, Х. Позидис, А. Нолл и У. Дюриг, Т.; Гоцманн, Б.; Позидис, Х.; Нолл, А.; Дюриг, У. (2008). «Наномасштабная функция памяти формы в сильно сшитых полимерах». Нано-буквы . 8 (12): 4398–403. Бибкод : 2008NanoL...8.4398A . дои : 10.1021/nl8022737 . ПМИД 19367970 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Кинг, Уильям П.; Саксена, Шубхам; Нельсон, Брент А.; Уикс, Брэндон Л.; Питчимани, Раджасекар (1 сентября 2006 г.). «Наномасштабный термический анализ энергетического материала». Нано-буквы . 6 (9): 2145–2149. Бибкод : 2006NanoL...6.2145K . дои : 10.1021/nl061196p . ISSN 1530-6984 . ПМИД 16968041 .
- ^ Саксена, Шубхам (2007). «Наномасштабная термическая литография путем локального разложения полимера с использованием нагретого наконечника кантилевера атомно-силового микроскопа». Журнал микро/нанолитографии, MEMS и MOEMS . 6 (2): 023012. дои : 10.1117/1.2743374 .
- ^ Гоцманн, Б.; Дюриг, У.; Фроммер, Дж.; Хокер, CJ (2006). «Использование химического переключения в полимере Дильса-Альдера для нанозондовой литографии и хранения данных». Передовые функциональные материалы . 16 (11): 1499. doi : 10.1002/adfm.200500724 . S2CID 35897811 .
- ^ Jump up to: а б Нолл, Армин В.; Пирес, Давид; Кулембье, Оливье; Дюбуа, Филипп; Хедрик, Джеймс Л.; Фроммер, Джейн; Дюриг, Урс (2010). «3-D нанолитография на основе зондов с использованием самоамплифицированных деполимеризационных полимеров». Продвинутые материалы . 22 (31): 3361–5. дои : 10.1002/adma.200904386 . ПМИД 20419710 . S2CID 205236203 .
- ^ Кулембье, Оливье; Нолл, Армин; Пирес, Давид; Гоцманн, Бернд; Дюриг, Урс; Фроммер, Джейн; Миллер, Роберт Д.; Дюбуа, Филипп; Хедрик, Джеймс Л. (12 января 2010 г.). «Нанолитография на основе зондов: самоамплифицированная среда деполимеризации для сухой литографии». Макромолекулы . 43 (1): 572–574. Бибкод : 2010МаМол..43..572C . дои : 10.1021/ma9019152 . ISSN 0024-9297 .
- ^ Пирес, Давид; Хедрик, Джеймс Л.; Сильва, Ануха Де; Фроммер, Джейн; Гоцманн, Бернд; Вольф, Хейко; Деспон, Мишель; Дюриг, Урс; Нолл, Армин В. (2010). «Наномасштабное трехмерное формирование структуры молекулярных резистов с помощью сканирующих зондов» . Наука . 328 (5979): 732–735. Бибкод : 2010Sci...328..732P . дои : 10.1126/science.1187851 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 20413457 . S2CID 9975977 .
- ^ Чеонг, Лин Ли; Пол, Филип; Хольцнер, Феликс; Деспон, Мишель; Коуди, Дэниел Дж.; Хедрик, Джеймс Л.; Аллен, Роберт; Нолл, Армин В.; Дюриг, Урс (11 сентября 2013 г.). «Безмасочная литография с термозондом для технологии Si с полушагом 27,5 нм». Нано-буквы . 13 (9): 4485–4491. Бибкод : 2013NanoL..13.4485C . дои : 10.1021/nl4024066 . ISSN 1530-6984 . ПМИД 23965001 .
- ^ Кинг, Уильям П.; Бхатия, Бикрамджит; Фелтс, Джонатан Р.; Ким, Хо Джун; Квон, Бомджин; Ли, Бёнхи; Сомнатх, Сухас; Розенбергер, Мэтью (2013). «Нагреваемые кантилеверы атомно-силового микроскопа и их применение». Ежегодный обзор теплопередачи . 16 : 287–326. doi : 10.1615/AnnualRevHeatTransfer.v16.100 .
- ^ Jump up to: а б Мамин, HJ (15 июля 1996 г.). «Термическое письмо с использованием нагретого наконечника атомно-силового микроскопа». Письма по прикладной физике . 69 (3): 433–435. Бибкод : 1996АпФЛ..69..433М . дои : 10.1063/1.118085 . ISSN 0003-6951 .
- ^ «Европейский патентный реестр: Система и метод сканирующей зондовой нанолитографии» .
- ^ Пол, доктор философии; Нолл, AW; Хольцнер, Ф.; Дюриг, У. (28 сентября 2012 г.). «Полевая сшивка в термозондовой литографии методом корреляции шероховатости поверхности». Нанотехнологии . 23 (38): 385307. Бибкод : 2012Nanot..23L5307P . дои : 10.1088/0957-4484/23/38/385307 . ISSN 0957-4484 . ПМИД 22948486 . S2CID 41606422 .
- ^ Роулингс, К.; Дюриг, У.; Хедрик, Дж.; Коуди, Д.; Нолл, А. (июль 2014 г.). «Нанометровый контроль процесса безмаркерного наложения с использованием термосканирующей зондовой литографии». Международная конференция IEEE/ASME по передовой интеллектуальной мехатронике , 2014 г. стр. 1670–1675. дои : 10.1109/AIM.2014.6878324 . ISBN 978-1-4799-5736-1 . S2CID 17741062 .
- ^ Jump up to: а б Вольф, Хейко; Роулингс, Колин; Менш, Филипп; Хедрик, Джеймс Л.; Коуди, Дэниел Дж.; Дюриг, Урс; Нолл, Армин В. (01 марта 2015 г.). «Создание рисунка на кремнии размером менее 20 нм и отрыв металла с помощью термосканирующей зондовой литографии». Журнал вакуумной науки и технологий B. 33 (2): 02Б102. arXiv : 1411.4833 . дои : 10.1116/1.4901413 . ISSN 2166-2746 . S2CID 118577492 .
- ^ Пол, Филип; Нолл, Армин В.; Хольцнер, Феликс; Деспон, Мишель; Дюриг, Урс (2011). «Быстрая сканирующая зондовая нанолитография». Нанотехнологии . 22 (27): 275306. Бибкод : 2011Nanot..22A5306P . дои : 10.1088/0957-4484/22/27/275306 . ПМИД 21602616 . S2CID 22873241 .
- ^ Григореску, А.Е.; Ван дер Крогт, MC; Хаген, CW; Круит, П. (2007). «Линии и пространства 10 нм, написанные в HSQ с использованием электронно-лучевой литографии». Микроэлектронная инженерия . 84 (5–8): 822–824. дои : 10.1016/j.mee.2007.01.022 .
- ^ Jump up to: а б Ланц, Марк А.; Гоцманн, Бернд; Яроенапибал, Папот; Джейкобс, Тевис Д.Б.; О'Коннор, Шон Д.; Шридхаран, Кумар; Карпик, Роберт В. (2012). «Износостойкие наноразмерные наконечники из карбида кремния для сканирующих зондов». Передовые функциональные материалы . 22 (8): 1639. doi : 10.1002/adfm.201102383 . S2CID 97825786 .
- ^ Флетчер, Патрик С.; Фелтс, Джонатан Р.; Дай, Жентинг; Джейкобс, Тевис Д.; Цзэн, Хунцзюнь; Ли, Ву; Шиэн, Пол Э.; Карлайл, Джон А.; Карпик, Роберт В.; Кинг, Уильям П. (2010). «Износостойкие наконечники алмазных нанозондов со встроенным кремниевым нагревателем для нанопроизводства на основе наконечников». АСУ Нано . 4 (6): 3338–44. дои : 10.1021/nn100203d . ПМИД 20481445 . S2CID 207569731 .
- ^ Нолл, А; Ротуизен, Х; Гоцманн, Б; Дюриг, Ю (7 мая 2010 г.). «Неизнашиваемые плавающие контактные изображения полимерных поверхностей». Нанотехнологии . 21 (18): 185701. Бибкод : 2010Nanot..21r5701K . дои : 10.1088/0957-4484/21/18/185701 . ПМИД 20378942 . S2CID 694408 .