För att öka bearbetningshastigheten och minska strömförbrukningen för elektroniska enheter, mikroelektronikindustrin fortsätter att driva efter mindre och mindre funktionsstorlekar. Transistorer i dagens mobiltelefoner är vanligtvis 10 nanometer (nm) över - motsvarande cirka 50 kiselatomer breda - eller mindre. För att skala transistorer ner under dessa dimensioner med högre noggrannhet krävs avancerat material för litografi - den primära tekniken för att skriva ut elektriska kretselement på kiselskivor för att tillverka elektroniska chips. En utmaning är att utveckla robusta "motstånd, "eller material som används som mallar för att överföra kretsmönster till enhetsnyttiga substrat som kisel.

Nu, forskare från Center for Functional Nanomaterials (CFN) - ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid Brookhaven National Laboratory - har använt den nyligen utvecklade tekniken för infiltrationssyntes för att skapa motstånd som kombinerar den organiska polymeren poly (metylmetakrylat) ), eller PMMA, med oorganisk aluminiumoxid. På grund av dess låga kostnad och höga upplösning, PMMA är den mest använda resisten i elektronstråle litografi (EBL), ett slags litografi där elektroner används för att skapa mönstermallen. Dock, vid motståndstjocklekarna som är nödvändiga för att generera ultraljudsfunktionsstorlekarna, mönstren börjar vanligtvis försämras när de etsas in i kisel, misslyckas med att producera det önskade höga bildförhållandet (höjd till bredd).

Som rapporterats i ett papper publicerat online den 8 juli i Journal of Materials Chemistry C , dessa "hybrid" organiskt-oorganiska motstånd uppvisar en hög litografisk kontrast och möjliggör mönsterbildning av högupplösta kisel-nanostrukturer med ett högt bildförhållande. Genom att ändra mängden aluminiumoxid (eller ett annat oorganiskt element) infiltrerat i PMMA, forskarna kan ställa in dessa parametrar för specifika applikationer. Till exempel, nästa generations minnesenheter som flash-enheter kommer att baseras på en tredimensionell staplingsstruktur för att öka minnestätheten, så ett extremt högt bildförhållande är önskvärt; å andra sidan, en mycket hög upplösning är den viktigaste egenskapen för framtida processorchips.

"Istället för att ta en helt ny syntesväg, vi använde en befintlig resist, en billig metalloxid, och gemensam utrustning som finns i nästan alla nanofabrikationsanläggningar, "sa författaren Nikhil Tiwale, en postdoktoral forskningsassistent i CFN Electronic Nanomaterials Group.

Även om andra hybridresistenser har föreslagits, de flesta av dem kräver höga elektrondoser (intensiteter), involvera komplexa kemiska syntesmetoder, eller har dyra proprietära kompositioner. Således, dessa motstånd är inte optimala för de höga, högvolymstillverkning av nästa generations elektronik.

Avancerad nanolitografi för högvolymstillverkning

Konventionellt, mikroelektronikindustrin har förlitat sig på optisk litografi, vars upplösning begränsas av ljusets våglängd som resisten utsätts för. Dock, EBL och andra nanolitografitekniker som extrem ultraviolett litografi (EUVL) kan skjuta denna gräns på grund av elektronernas mycket små våglängd och ultra-violett ljus med hög energi. Den största skillnaden mellan de två teknikerna är exponeringsprocessen.

"I EBL, du måste skriva hela området du behöver för att exponera rad för rad, ungefär som att göra en skiss med en penna, "sa Tiwale." Däremot, i EUVL, du kan exponera hela området i ett skott, ungefär som att ta ett foto. Ur denna synvinkel, EBL är bra för forskningsändamål, och EUVL är bättre lämpad för högvolymstillverkning. Vi tror att det tillvägagångssätt vi visade för EBL kan tillämpas direkt på EUVL, vilka företag inklusive Samsung nyligen har börjat använda för att utveckla tillverkningsprocesser för sin 7 nm teknologinod. "

I den här studien, forskarna använde ett atomlagersystem (ALD) - en standardutrustning för nanofabrikation för avsättning av ultratunna filmer på ytor - för att kombinera PMMA och aluminiumoxid. Efter att ha placerat ett substrat belagt med en tunn film av PMMA i ALD -reaktionskammaren, de introducerade en ånga från en aluminiumprekursor som diffunderade genom små molekylära porer inuti PMMA -matrisen för att binda med de kemiska arterna inuti polymerkedjorna. Sedan, de introducerade en annan föregångare (såsom vatten) som reagerade med den första föregångaren för att bilda aluminiumoxid inuti PMMA -matrisen. Dessa steg utgör tillsammans en processcykel.

Teamet utförde sedan EBL med hybridresist som hade upp till åtta bearbetningscykler. För att karakterisera kontrasten hos resistenterna under olika elektrondoser, forskarna mätte förändringen i resist tjocklek inom de exponerade områdena. Ythöjdskartor genererade med ett atomkraftmikroskop (ett mikroskop med en atomiskt skarp spets för att spåra en ytas topografi) och optiska mätningar erhållna genom ellipsometri (en teknik för att bestämma filmtjocklek baserat på förändringen i polariseringen av ljus som reflekteras från en yta) avslöjade att tjockleken ändras gradvis med ett lågt antal bearbetningscykler men snabbt med ytterligare cykler - dvs. en högre aluminiumoxidhalt.

"Kontrasten hänvisar till hur snabbt resisten förändras efter att den utsatts för elektronstrålen, "förklarade Chang-Yong Nam, en materialvetare i CFN Electronic Nanomaterials Group, som övervakade projektet och tänkt idén i samarbete med Jiyoung Kim, en professor vid Institutionen för materialvetenskap och teknik vid University of Texas i Dallas. "Den plötsliga förändringen av de exponerade regionernas höjd antyder en ökning av resistkontrasten för högre antal infiltreringscykler - nästan sex gånger högre än den för den ursprungliga PMMA -resisten."

Forskarna använde också hybridresistenterna för att mönstra periodiska raka linjer och "armbågar" (skärande linjer) i kiselsubstrat, och jämförde etsningshastigheten för resistenterna med substrat.

"Du vill att kisel ska etsas snabbare än resisten; annars börjar resisten att försämras, "sa Nam." Vi fann att etsselektiviteten för vårt hybridresist är högre än för dyra proprietära motstånd (t.ex. ZEP) och tekniker som använder ett mellanliggande "hårt" maskskikt som kiseldioxid för att förhindra nedbrytning av mönster, men som kräver ytterligare bearbetningssteg. "

Går framåt, teamet kommer att studera hur hybridresistens reagerar på EUV -exponering. De har redan börjat använda mjuka röntgenstrålar (energiområde som motsvarar EUV-ljusets våglängd) vid Brookhaven National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), och hoppas kunna använda en dedikerad EUV-strållinje som drivs av Center for X-ray Optics vid Lawrence Berkeley National Labs Advanced Light Source (ALS) i samarbete med branschpartner.

"Energiabsorberingen av det organiska lagret av EUVL motstår mycket svag, "sa Nam." Lägga till oorganiska element, såsom tenn eller zirkonium, kan göra dem mer känsliga för EUV -ljus. Vi ser fram emot att utforska hur vårt tillvägagångssätt kan hantera kraven för att motstå prestanda för EUVL. "