RU2574527C1 - Method of forming polymer templates of nanostructures of different geometry - Google Patents

Method of forming polymer templates of nanostructures of different geometry Download PDF

Info

Publication number
RU2574527C1
RU2574527C1 RU2014131565/28A RU2014131565A RU2574527C1 RU 2574527 C1 RU2574527 C1 RU 2574527C1 RU 2014131565/28 A RU2014131565/28 A RU 2014131565/28A RU 2014131565 A RU2014131565 A RU 2014131565A RU 2574527 C1 RU2574527 C1 RU 2574527C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanostructures
resist
substrate
exposure
polymer
Prior art date
Application number
RU2014131565/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Сергеевич Самардак
Маргарита Владимировна Анисимова
Алексей Вячеславович Огнев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2574527C1 publication Critical patent/RU2574527C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: nanotechnology.
SUBSTANCE: method of forming polymer templates of nanostructures of different geometry comprises forming a digital template of nanostructures, transfer of this template to the surface of positive resist deposited on a substrate, the resist development, the substrate, together with the semiconductors, are used as metal-plated substrates, at that the templates in the form of nanoscale rings are formed with single-point exposure of the positive resist by an electron beam with a diameter of 2 nm and a dose in the range of 0.2 pC to 100 pC per the point, and the templates of nanostructures of complex shape and high resolution are formed by sequential point exposure of the positive resist at a pitch of 5 to 30 nm with increase of the average speed of exposure to 10 times.
EFFECT: provision of opportunity of obtaining the polymer nanostructures of different geometry, having sharp outlines of faces at sub-20 nm resolution at various semiconductor and metallic substrates.
4 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к способу формирования наноразмерных полимерных шаблонов с контролируемыми геометрическими параметрами, и может быть использовано в микро- и наноэлектронике для получения функциональных наноструктур и устройств на их основе.The invention relates to the field of nanotechnology, and in particular to a method for forming nanoscale polymer patterns with controlled geometric parameters, and can be used in micro- and nanoelectronics to obtain functional nanostructures and devices based on them.

Непрерывное развитие наноиндустрии и микроэлектронной промышленности требует разработки новых подходов и методов по формированию наноразмерных структур разной геометрии с разрешением менее 100 нм. Одной из наиболее передовых технологий является безмасочная литография на основе взаимодействия полимерного резиста с электронным пучком.The continuous development of the nanotechnology and microelectronic industries requires the development of new approaches and methods for the formation of nanoscale structures of different geometries with a resolution of less than 100 nm. One of the most advanced technologies is maskless lithography based on the interaction of a polymer resist with an electron beam.

Главной целью литографии является создание шаблона в слое резиста с целью последующего переноса этого шаблона на поверхность либо внутрь нижележащей подложки [1]. Электронно-лучевая литография (ЭЛЛ) позволяет получать структуры с высоким разрешением благодаря малой длине волны электрона и малому размеру электронного луча, в то время как разрешение оптической литографии ограничивается длиной волны света, который применяется для экспонирования. Кроме этого ЭЛЛ - это очень гибкая техника производства шаблонов, которая может работать с разными резистами и подложками. Основной недостаток ЭЛЛ - это низкая скорость экспонирования (обычно не более 107 пикселей в секунду) [2] и дороговизна процесса массового производства.The main purpose of lithography is to create a template in a resist layer with the aim of subsequent transfer of this template to the surface or into the underlying substrate [1]. Electron beam lithography (ELL) allows you to obtain structures with high resolution due to the small wavelength of the electron and the small size of the electron beam, while the resolution of optical lithography is limited by the wavelength of light that is used for exposure. In addition, ELL is a very flexible template production technique that can work with various resistes and substrates. The main disadvantage of ELL is the low exposure speed (usually no more than 10 7 pixels per second) [2] and the high cost of the mass production process.

Известен способ получения полимерных шаблонов наноструктур при помощи экспонирования резиста большим числом параллельных электронных пучков. [3]. Этот метод позволяет повысить производительность литографической системы и снизить стоимость интегральных микросхем. Недостатком метода является сильное удорожание литографической системы, сложная и ненадежная система управления пучками, низкое разрешение из-за невозможности одновременной фокусировки всех пучков массива.A known method for producing polymer patterns of nanostructures by exposure of a resist to a large number of parallel electron beams. [3]. This method allows you to increase the performance of the lithographic system and reduce the cost of integrated circuits. The disadvantage of this method is the high cost of the lithographic system, a complex and unreliable beam control system, low resolution due to the impossibility of simultaneously focusing all the beams of the array.

Известны электронно-лучевая система и метод, позволяющий задавать плоскостное распределение плотности тока в электронном пучке, сфокусированном на поверхности образца, с целью предотвращения эффекта близости и накопления пространственного заряда, отклоняющего электронный пучок [4]. Метод позволяет корректировать дозу излучения для получения высококонтрастных шаблонов. Недостатками метода являются медленная прорисовка шаблона, невозможность его использования для массового производства.The known electron-beam system and method that allows you to set the planar distribution of current density in the electron beam focused on the surface of the sample, in order to prevent the effect of proximity and the accumulation of space charge deflecting the electron beam [4]. The method allows you to adjust the radiation dose to obtain high-contrast patterns. The disadvantages of the method are the slow rendering of the template, the inability to use it for mass production.

Известен также способ получения микроколец на основе фоторезиста толщиной 800 нм [5]. Способ требует использования фотомаски с напыленными массивами металлических нанодисков, которая размещается на поверхности фоторезиста. При освещении фотомаски ультрафиолетовым светом возникает явление, называемое «пятном Пуассона». Суть явления заключается в появлении яркого пятна на фоторезисте за освещенным направленным пучком света непрозрачным телом (в данном случае, металлическим диском) в области его геометрической тени. В результате под диском в фоторезисте засвечивается центральная часть, что после проявления приводит к получению колец микронного размера. Недостатком метода является низкое разрешение (хуже 200 нм) вследствие использования световой волны для экспозиции полимерного слоя и использование дорогостоящей фотомаски.There is also a method of producing micro rings based on photoresist with a thickness of 800 nm [5]. The method requires the use of photomasks with sprayed arrays of metal nanodisks, which is placed on the surface of the photoresist. When the photomask is illuminated with ultraviolet light, a phenomenon called the “Poisson spot” occurs. The essence of the phenomenon is the appearance of a bright spot on the photoresist behind an illuminated directional light beam by an opaque body (in this case, a metal disk) in the region of its geometric shadow. As a result, the central part is illuminated under the disk in the photoresist, which, after development, results in micron size rings. The disadvantage of this method is the low resolution (worse than 200 nm) due to the use of a light wave to expose the polymer layer and the use of an expensive photomask.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по существенным признакам и достигаемому результату является разработка, описанная в статье [6]. Способ-прототип формирования полимерных шаблонов наноструктур состоит в переносе шаблона на резист РММА (полиметилметакрилат) 950 К толщиной 128 нм, который предварительно наносят методом центрифугирования на очищенную подложку естественно оксидированного кремния, выдерживают в течение 60 с на плите при температуре 180°C, проявляют после экспонирования в растворе MIBK (метилизобутилкетон) : IPA (изопропиловый спирт) в соотношении 1 к 3 (1:3) и выдерживают в изопропиловом спирте в течение 60 с. Затем воздействуют электронным пучком высокой дозы (несколько десятков мКл/см2) на макромолекулы поверхности резиста, в результате чего происходит разрыв водородных связей макромолекул и осуществляется карбонизация резиста.The closest to the claimed technical solution for the essential features and the achieved result is the development described in article [6]. The prototype method for the formation of polymer patterns of nanostructures consists in transferring the template to a PMMA resist (polymethylmethacrylate) 950 K 128 nm thick, which is preliminarily applied by centrifugation on a cleaned substrate of naturally oxidized silicon, held for 60 s on a plate at a temperature of 180 ° C, after exposure in a solution of MIBK (methyl isobutyl ketone): IPA (isopropyl alcohol) in a ratio of 1 to 3 (1: 3) and incubated in isopropyl alcohol for 60 s. Then, a high-dose electron beam (several tens of mCl / cm 2 ) is exposed to the surface surface macromolecules, as a result of which the hydrogen bonds of the macromolecules are broken and the resist is carbonized.

Переэкспонирование резиста позволило авторам получить наноразмерные столбики неправильной формы. Авторы объясняют образование наностолбиков карбонизацией позитивного резиста РММА, в результате чего он приобретает свойства негативного резиста.Overexposure of the resist allowed the authors to obtain irregularly shaped nanoscale columns. The authors explain the formation of nanostubes by the carbonization of a positive resist PMMA, as a result of which it acquires the properties of a negative resist.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание полимерных наноструктур разной геометрии на полупроводниковых и проводящих поверхностях для получения сложных литографических шаблонов, обладающих суб-20 нм разрешением и состоящих как из отдельных элементов, так и массивов наноструктур.The task posed and solved by the present invention is the creation of polymer nanostructures of different geometries on semiconductor and conductive surfaces to obtain complex lithographic templates having sub-20 nm resolution and consisting of both individual elements and arrays of nanostructures.

Технические результаты - получение полимерных наноструктур разной геометрии, обладающих резкими очертаниями граней при суб-20 нм разрешении на различных полупроводниковых и металлизированных (покрытых тонкой пленкой металла) подложках.Technical results - obtaining polymer nanostructures of different geometries with sharp edges at sub-20 nm resolution on various semiconductor and metallized (coated with a thin metal film) substrates.

Для достижения названных технических результатов предлагается способ изготовления полимерных наноструктур, включающий нанесение тонкого слоя позитивного резиста на очищенную полупроводниковую подложку либо подложку, предварительно покрытую тонкой металлической пленкой (например, Au, Pt, Al, Cu, Ti, Cr и др.), термообработку резиста для получения твердой полимерной пленки и обеспечения высокой адгезии с поверхностью подложки, последующую экспозицию полимерной пленки электронным пучком в точечном режиме по заданному цифровому шаблону с дозой экспонирования, позволяющей менять химические свойства резиста и переключать его из позитивного резиста в негативный, проявку подложки в растворе MIBK:IPA для удаления резиста с участков, экспонированных нормальной дозой, до получения заданных шаблонов наноструктур. Предлагаемый способ позволяет существенно повысить разрешение получаемых наноструктур по сравнению с ЭЛЛ на большинстве негативных резистов (например, NEB-31, ma-N и др.) и многократно сократить время прорисовки шаблона по сравнению с традиционной ЭЛЛ.To achieve the above technical results, a method for manufacturing polymer nanostructures is proposed, including applying a thin layer of positive resist to a cleaned semiconductor substrate or a substrate pre-coated with a thin metal film (e.g., Au, Pt, Al, Cu, Ti, Cr, etc.), heat treatment of the resist to obtain a solid polymer film and ensure high adhesion to the surface of the substrate, the subsequent exposure of the polymer film by an electron beam in the spot mode according to a given digital template with a dose exposure, which allows changing the chemical properties of the resist and to switch it from a negative to a positive resist, development with a substrate solution in MIBK: IPA to remove the resist from the areas exposed normal dose until a predetermined template nanostructures. The proposed method can significantly increase the resolution of the resulting nanostructures compared to ELL on most negative resistes (for example, NEB-31, ma-N, etc.) and significantly reduce the time it takes to draw a template compared to traditional ELL.

В качестве подложки для нанесения резиста могут быть выбраны полупроводниковые подложки, например естественно оксидированные подложки кремния, как с собственными носителями зарядов, так и легированные примесными атомами, например В, P, In и др., и подложки, покрытые с рабочей поверхности сплошной тонкой пленкой (толщина от 5 нанометров до нескольких микрометров) металла, например Au, Pt, Al, Cu, Ti, Cr и др. Использование подложек с разной кристаллической структурой (монокристаллическая, поликристаллическая) и размером зерен, а также шероховатостью поверхности, позволяет управлять разрешением получаемых наноструктур.Semiconductor substrates, for example, naturally oxidized silicon substrates, both with intrinsic charge carriers and doped with impurity atoms, for example, B, P, In, etc., and substrates coated with a continuous thin film from the working surface, can be selected as a substrate for resisting (thickness from 5 nanometers to several micrometers) of a metal, such as Au, Pt, Al, Cu, Ti, Cr, etc. The use of substrates with different crystal structures (single crystal, polycrystalline) and grain size, as well as roughness surface, allows you to control the resolution of the resulting nanostructures.

Использование точечного (однопиксельного) экспонирования полимерной пленки электронным пучком с дозой от 0.2 пКл до 100 пКл на точку и расстоянием между ближайшими точками от 5 до 30 нм позволяет осуществлять переэкспонирование выбранных областей в соответствии с цифровым изображением с целью образования сплошных карбонизированных областей, которые после выдержки в проявителе MIBK:IPA (1:3) либо в ацетоне, образуют основу полимерных шаблонов.The use of point (single-pixel) exposure of the polymer film by an electron beam with a dose of 0.2 pCl to 100 pCl per point and a distance between the nearest points of 5 to 30 nm allows re-exposure of selected areas in accordance with a digital image in order to form solid carbonized areas that after exposure in the developer MIBK: IPA (1: 3) or in acetone, form the basis of polymer patterns.

Сформированные заявляемым способом шаблоны наноструктур разной геометрии имеют высокую стойкость к кислотному и плазменному травлению вследствие их карбонизации, что делает их привлекательными для создания твердых форм для наноимпринт литографии, масок для травления, наноэлектронных, нанофотонных и нано- и микроэлектромеханических устройств.The templates of nanostructures of different geometries formed by the claimed method have high resistance to acid and plasma etching due to their carbonization, which makes them attractive for creating solid forms for nanoimprint lithography, mask for etching, nanoelectronic, nanophotonic and nano- and microelectromechanical devices.

Способ формирования полимерных шаблонов наноструктур позволяет:The method of forming polymer patterns of nanostructures allows you to:

- формировать полимерные шаблоны наноструктур сложной геометрии с высоким разрешением;- to form polymer patterns of nanostructures of complex geometry with high resolution;

- расширить класс материалов подложек, на которых можно формировать полимерные шаблоны наноструктур;- expand the class of substrate materials on which polymer patterns of nanostructures can be formed;

- повысить точность воспроизведения при формировании полимерных шаблонов наноструктур сложной геометрии;- increase the accuracy of reproduction during the formation of polymer patterns of nanostructures of complex geometry;

- обеспечить стабильность процесса формирования полимерных шаблонов наноструктур на подложках диаметром более 1 см;- ensure the stability of the process of forming polymer patterns of nanostructures on substrates with a diameter of more than 1 cm;

- упростить и удешевить способ формирования карбонизированных наноструктур и сократить время технологического процесса.- to simplify and reduce the cost of the method of forming carbonized nanostructures and reduce the time of the technological process.

Таким образом, отличительными признаками заявляемого технического решения являются:Thus, the hallmarks of the proposed technical solution are:

- использование наряду с естественно оксидированными подложками кремния полупроводниковых подложек, покрытых тонкими металлическими пленками с разной кристаллической структурой (монокристаллическая или поликристаллическая) и размером зерен, и, соответственно, с разной шероховатостью поверхности;- the use along with naturally oxidized silicon substrates of semiconductor substrates coated with thin metal films with different crystalline structures (single crystal or polycrystalline) and grain size, and, accordingly, with different surface roughness;

- использование точечного (однопиксельного) экспонирования полимерной пленки электронным пучком с высокой дозой более 0.2 пКл на точку и расстоянием между точками экспонирования от 5 до 30 нм;- the use of point (single-pixel) exposure of the polymer film by an electron beam with a high dose of more than 0.2 pC per point and a distance between the exposure points from 5 to 30 nm;

- возможность формирования бездефектных полимерных шаблонов наноструктур разных геометрических форм - овалы, квадраты, треугольники, многоугольники и т.д. с суб-20 нанометровым разрешением.- the possibility of forming defect-free polymer patterns of nanostructures of various geometric shapes - ovals, squares, triangles, polygons, etc. with sub-20 nanometer resolution.

Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков заявляемого способа и совокупности существенных признаков аналогов и прототипа свидетельствует о наличии в заявляемом техническом решении критерия «новизна».A comparative analysis of the set of essential features of the proposed method and the set of essential features of analogues and prototype indicates the presence of the criterion of "novelty" in the claimed technical solution.

Такая совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу и устранить недостатки способа-прототипа, обеспечивая более высокую разрешающую способность и эффективность литографии, давая возможность получать полимерные наноструктуры любой формы на полупроводниковых и металлических поверхностях для их дальнейшего использования в качестве штампа наноимпринт литографии, маски для травления материала подложки или для напыления широкого класса материалов на подложку с последующим проведением взрывной литографии (lift-off процесс) для удаления остатков резиста и осажденного материала. Заявляемый способ обеспечивает стабильность и высокую производительность процесса формирования бездефектных полимерных шаблонов наноструктур на подложках диаметром более 1 см.This set of distinctive features allows us to solve the problem and eliminate the disadvantages of the prototype method, providing higher resolution and efficiency of lithography, making it possible to obtain polymer nanostructures of any shape on semiconductor and metal surfaces for their further use as a nanoimprint lithography stamp, mask for etching the material substrates or for spraying a wide class of materials on a substrate followed by explosive lithography ( lift-off process) to remove residual resist and deposited material. The inventive method provides stability and high productivity of the process of forming defect-free polymer patterns of nanostructures on substrates with a diameter of more than 1 cm

Способ формирования полимерных шаблонов наноструктур разной геометрии поясняется снимками, схемами и графиками, приведенными на фиг. 1-11:The method of forming polymer patterns of nanostructures of different geometries is illustrated by pictures, diagrams and graphs shown in FIG. 1-11:

на фиг. 1 показаны снимки сканирующего электронного микроскопа, демонстрирующие влияние подложки на формирование кольца при дозе облучения 2.4 пКл на точку и толщине резиста 150 нм: (а) - кремниевая подложка; (б) - кремниевая подложка, покрытая пленкой Au толщиной 200 нм;in FIG. Figure 1 shows photographs of a scanning electron microscope, demonstrating the effect of the substrate on ring formation at an irradiation dose of 2.4 pC per dot and resist thickness of 150 nm: (a) a silicon substrate; (b) a silicon substrate coated with an Au film 200 nm thick;

на фиг. 2 схематически показан процесс формирования столбика и ореола вокруг него в зависимости от типа подложки: этап 1 - взаимодействие электронов с резистом и подложкой в процессе экспонирования, этап 2 - взаимодействие приводит к экспонированию выделенных областей резиста; этап 3 - проявка резиста и сформированный профиль;in FIG. Figure 2 schematically shows the process of formation of a column and a halo around it depending on the type of substrate: stage 1 — interaction of electrons with a resist and a substrate during exposure, stage 2 — interaction leads to exposure of the selected resist regions; stage 3 - the development of the resist and the formed profile;

на фиг. 3 показано влияние дозы экспонирования и типа подложки на рост столбика и диаметр ореола;in FIG. Figure 3 shows the effect of exposure dose and type of substrate on column growth and halo diameter;

на фиг. 4 приведены снимки наношаблона в виде кольца, сформированного методом точечной литографии на кремниевой подложке, покрытой слоем резиста РММА А2 толщиной 120 нм: (а) - вид кольца сверху, (б) - трехмерное изображение кольца, (с) - поперечный профиль кольца. Изображения получены с помощью атомно-силовой микроскопии;in FIG. Figure 4 shows snapshots of a nanoscale in the form of a ring formed by the method of spot lithography on a silicon substrate coated with a 120 nm thick PMMA A2 resist layer: (a) top view of the ring, (b) three-dimensional image of the ring, (c) transverse profile of the ring. Images obtained using atomic force microscopy;

на фиг. 5 показана зависимость диаметра ореола dout от дозы облучения при фиксированной толщине резиста 150 нм и ускоряющем напряжении на катоде 10 кВ для разного типа подложек;in FIG. 5 shows the dependence of the halo diameter d out on the radiation dose at a fixed resist thickness of 150 nm and an accelerating voltage at the cathode of 10 kV for different types of substrates;

на фиг. 6 показана зависимость диаметра столбика din от дозы облучения при фиксированной толщине резиста 150 нм и ускоряющем напряжении на катоде 10 кВ для разного типа подложек;in FIG. Figure 6 shows the dependence of the diameter of the column d in on the radiation dose for a fixed resist thickness of 150 nm and an accelerating voltage at the cathode of 10 kV for different types of substrates;

на фиг. 7 показано влияние расстояния между точками экспонирования на формирование наношаблонов;in FIG. 7 shows the effect of the distance between the exposure points on the formation of nanoscale patterns;

на фиг. 8 представлены изображения полимерных наноструктур, полученных точечной литографией на резисте РММА А2 толщиной 75 нм при ускоряющем напряжении на катоде 10 кВ: (а) - многоугольник с шириной линии 20 нм, (б) - овал с шириной линии 22 нм, (в) - треугольник с шириной линии 33 нм;in FIG. Figure 8 shows images of polymer nanostructures obtained by spot lithography on a RMMA A2 resistor with a thickness of 75 nm and an accelerating voltage at the cathode of 10 kV: (a) a polygon with a line width of 20 nm, (b) an oval with a line width of 22 nm, (c) a triangle with a line width of 33 nm;

на фиг. 9 показаны трехмерные изображения полимерных наноструктур, полученных точечной литографией на резисте РММА А2 толщиной 75 нм при ускоряющем напряжении на катоде 10 кВ; (а) - кольцо с шириной линии 20 нм; (б) - квадрат с шириной линии 25 нм;in FIG. 9 shows three-dimensional images of polymer nanostructures obtained by spot lithography on a resist PMMA A2 75 nm thick with an accelerating voltage at the cathode of 10 kV; (a) a ring with a line width of 20 nm; (b) a square with a line width of 25 nm;

фиг. 10 демонстрирует эффект слияния ореолов наноструктур при их перемещении относительно друг друга;FIG. 10 shows the effect of merging halos of nanostructures as they move relative to each other;

на фиг. 11. представлено изображение сложного полимерного наношаблона с минимальной шириной линии 15 нм.in FIG. 11. An image of a complex polymer nanoscale with a minimum line width of 15 nm is presented.

Представленные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.The examples below confirm, but do not limit, the invention.

Пример 1. Создание полимерной наноструктуры в виде кольца на кремниевой подложкеExample 1. The creation of a polymer nanostructure in the form of a ring on a silicon substrate

На предварительно очищенную естественно оксидированную кремниевую полупроводниковую подложку наносили методом центрифугирования тонкий слой РММА толщиной 150 нм. Незамедлительно после этого подложку помещали на горячую поверхность температурой 180°C на 90 секунд для затвердевания полимерного слоя и удаления растворителя. Затем образец помещали в камеру электронно-лучевого литографа (E-line, Raith) либо растрового электронного микроскопа (Supra, Carl Zeiss), имеющего механизм отсечения электронного пучка. Для получения максимально возможного разрешения литографии выбирали наименьший размер сечения электронного пучка, равный 2 нм (нанолитограф e-Line Raith).A thin layer of PMMA 150 nm thick was deposited by centrifugation on a preliminarily purified naturally oxidized silicon semiconductor substrate. Immediately after this, the substrate was placed on a hot surface with a temperature of 180 ° C for 90 seconds to solidify the polymer layer and remove the solvent. Then the sample was placed in the chamber of an electron beam lithograph (E-line, Raith) or scanning electron microscope (Supra, Carl Zeiss), which has an electron beam cut-off mechanism. To obtain the highest possible resolution of lithography, the smallest cross section of the electron beam was chosen equal to 2 nm (e-Line Raith nanolithograph).

Для создания наноструктуры производили точечное экспонирование выбранной области с определенной дозой, при этом ускоряющее напряжение электронного пучка составляло 10 кВ. Величина ускоряющего напряжения определяет энергию пучка электронов и, следовательно, глубину его проникновения в резист и подложку. Доза указывает на количество электронов, взаимодействующих с резистом в процессе экспонирования. Опытным путем установлено, что при дозах менее 0.2 пКл на точку РММА резист ведет себя как позитивный, что после проявления в растворе MIBK:IPA (1:3) в течение 30 с при нормальных условиях приводит к вымыванию резиста в местах экспонирования. Выдержка в ацетоне в течение 30 с приводит к полному удалению резиста. Экспериментальным путем установлено, что при дозах в диапазоне от 0.2 пКл до 100 пКл на точку происходит образование центрированного столбика вследствие необратимого процесса карбонизации полимера в месте прямого попадания электронного пучка. Это связано с переключением характера резиста с позитивного на негативный. После проявки образца в растворе MIBK:IPA (1:3) в течение 30 с при нормальных условиях резист вокруг столбика вымывается, образуя ореол округлой формы (фиг. 1а). Выдержка в ацетоне в течение 30 с приводит к полному удалению резиста за исключением столбика. Диаметр ореола, также как и внешний диаметр углеродистого столбика зависит не только от дозы экспонирования, но и от толщины резиста, ускоряющего напряжения электронного пучка, шероховатости и кристаллической структуры поверхности подложки.To create a nanostructure, point exposure of the selected region with a certain dose was performed, while the accelerating voltage of the electron beam was 10 kV. The magnitude of the accelerating voltage determines the energy of the electron beam and, therefore, the depth of its penetration into the resist and substrate. The dose indicates the number of electrons interacting with the resist during exposure. It was experimentally established that at doses less than 0.2 pC per point, the PMMA resist behaves as positive, which, after developing in MIBK: IPA solution (1: 3) for 30 s under normal conditions, leads to leaching of the resist at the exposure sites. Exposure in acetone for 30 s leads to the complete removal of the resist. It was established experimentally that at doses ranging from 0.2 pCl to 100 pCl per point, a centered column is formed due to the irreversible process of polymer carbonization at the site of direct electron beam impact. This is due to the switching nature of the resist from positive to negative. After developing the sample in a MIBK: IPA solution (1: 3) for 30 s under normal conditions, the resist around the column is washed out, forming a round halo (Fig. 1a). An exposure in acetone for 30 s leads to the complete removal of the resist except for the column. The diameter of the halo, as well as the outer diameter of the carbon column, depends not only on the exposure dose, but also on the thickness of the resist, the accelerating voltage of the electron beam, the roughness and crystal structure of the surface of the substrate.

Основное воздействие электронов в процессе облучения приходится на центральную область (столбик), в то время как за формирования ореола вокруг столбика отвечают обратноотраженные и вторичные электроны (фиг. 2а).The main effect of electrons in the irradiation process falls on the central region (column), while the backward-reflected and secondary electrons are responsible for the formation of the halo around the column (Fig. 2a).

Формирование столбика начинается при дозе облучения ~0.2 пКл, что в пересчете на площадь падающего пучка диаметром 2 нм составляет 6,37 Кл/см2, в то время как в среднем при прорисовке наноточки традиционным способом используется доза 110 мкКл/см2. Значительное увеличение дозы облучения (в 105 раз) приводит к переэкспонированию центральной области и образованию карбонизированного столбика. Этот факт подтверждается высокой химической стойкостью столбика к проявителю (раствор MIBK:IPA) и растворителям (ацетон, EBR remover).The formation of the column begins at an irradiation dose of ~ 0.2 pC, which, in terms of the area of the incident beam with a diameter of 2 nm, is 6.37 C / cm 2 , while the average dose of 110 μC / cm 2 is used when drawing a nanodot in the traditional way. A significant increase in the radiation dose (10 5 times) leads to overexposure of the central region and the formation of a carbonized column. This fact is confirmed by the high chemical resistance of the column to the developer (MIBK solution: IPA) and solvents (acetone, EBR remover).

При низкой дозе облучения форма столбика сильно зависит от кристаллической структуры подложки, однако, при увеличении дозы, влияние подложки становится незначительным (фиг. 3), ввиду более глубокого проникновения электронов вглубь пленки резиста и подложки.At a low radiation dose, the shape of the column strongly depends on the crystal structure of the substrate, however, with increasing dose, the effect of the substrate becomes negligible (Fig. 3), due to the deeper penetration of electrons deep into the resist film and the substrate.

На фиг. 4 представлены изображения атомно-силовой микроскопии, полученные на приборе Ntegra Aura (NT-MDT), из которых видна пространственная структура и профиль полученного шаблона. Важно отметить, что после проявления верхняя часть столбика смывается, и при этом на поверхности формируется характеристический пик, указывающий на точку взаимодействия электронного пучка с резистом.In FIG. Figure 4 shows the atomic force microscopy images obtained on an Ntegra Aura (NT-MDT) instrument, from which the spatial structure and profile of the resulting template are visible. It is important to note that after development, the upper part of the column is washed off, and at the same time, a characteristic peak is formed on the surface, indicating the point of interaction of the electron beam with the resist.

Пример 2. Создание полимерной наноструктуры в виде кольца на кремниевой подложке, покрытой золотомExample 2. The creation of a polymer nanostructure in the form of a ring on a silicon substrate coated with gold

Получение шаблонов в виде наноразмерных колец проводили по примеру 1, но в качестве подложки использовали естественно оксидированную кремниевую подложку, покрытую тонкой поликристаллической пленкой золота толщиной 200 нм. Средний размер зерна составлял 10 нм. Пленка Au наносилась термическим распылением золотой навески на автоматизированной вакуумной установке ВУП-5 при базовом давлении 10-5 бар. Скорость осаждения золота составляла 100 нм в минуту.The templates in the form of nanosized rings were prepared according to Example 1, but a naturally oxidized silicon substrate coated with a thin polycrystalline gold film 200 nm thick was used as a substrate. The average grain size was 10 nm. The Au film was deposited by thermal spraying of a gold sample on a VUP-5 automated vacuum unit at a base pressure of 10 -5 bar. The gold deposition rate was 100 nm per minute.

На фиг. 1б показано влияние поликристаллической (зернистой) структуры пленки Au толщиной 200 нм, осажденной на поверхность естественно оксидированного кремния, на качество ореола. Ввиду равновероятного обратного отражения электронов от плоскости зерен, граница ореола становится размытой, в то время как отражение от монокристаллической подложки кремния происходит с меньшим разбросом, что увеличивает резкость границ ореола и столбика (фиг. 1а). В случае металлической поликристаллической подложки ближе к краю ореола образуется область недозасвеченного нависающего резиста. На фиг. 2б схематически показан процесс формирования шаблонов наноструктур на кремниевой подложке, покрытой пленкой золота толщиной 200 нм.In FIG. Figure 1b shows the effect of the polycrystalline (granular) structure of an Au film 200 nm thick deposited on the surface of naturally oxidized silicon on the quality of the halo. Due to the equiprobable backward reflection of electrons from the grain plane, the halo boundary becomes blurred, while reflection from a single-crystal silicon substrate occurs with a smaller scatter, which increases the sharpness of the halo and column boundaries (Fig. 1a). In the case of a polycrystalline metal substrate closer to the edge of the halo, an area of an underexposed overhanging resist is formed. In FIG. 2b schematically shows the process of forming patterns of nanostructures on a silicon substrate coated with a 200 nm thick gold film.

На фиг. 3б показано влияние дозы на формирование наноколец. Увеличение дозы приводит к правильной форме столбика и более четким границам ореола. Это связано с меньшим влиянием зернистости золотой пленки на формирование колец большего размера.In FIG. 3b shows the effect of dose on the formation of nanorings. Increasing the dose results in a regular column shape and clearer halo boundaries. This is due to the smaller effect of the graininess of the gold film on the formation of larger rings.

На фиг. 5-6 показаны экспериментальные зависимости диаметра ореола dout и столбика din от дозы облучения для золота и кремния. Как видно, увеличение дозы приводит к росту диаметров. При этом на кремнии при меньшей дозе можно сформировать кольца значительно большего диаметра. Экспериментально установлено, что толщина резиста также вносит существенный вклад в процесс формирования наноструктур. Так, с увеличением толщины резиста диаметр ореола возрастает. Это связано в первую очередь с особенностью взаимодействия прямых и обратноотраженных электронов с резистом и подложкой.In FIG. 5-6 show the experimental dependence of the diameter of the halo d out and column d in on the radiation dose for gold and silicon. As you can see, increasing the dose leads to an increase in diameters. Moreover, on a lower dose of silicon, rings of much larger diameter can be formed. It was experimentally established that the thickness of the resist also makes a significant contribution to the formation of nanostructures. So, with increasing thickness of the resist, the diameter of the halo increases. This is primarily due to the peculiarity of the interaction of direct and retroreflected electrons with a resist and a substrate.

Пример 3. Формирование наноструктур сложной геометрииExample 3. The formation of nanostructures of complex geometry

Полимерную пленку готовили по примеру 1. Предварительно создали цифровой шаблон наноструктуры в виде набора однопиксельных точек, по которому производили экспонирование точечным пучком электронов с дозой выше 0,2 пКл. В процессе формирования сложных геометрических фигур при минимальном расстоянии (не более 30 нм) между соседними точками облучения наблюдается срастание карбонизированных столбиков, с повторением геометрического контура управляющего шаблона (фиг. 7а и в). При увеличении расстояния между точками взаимодействие ослабевает, что ведет к «разваливанию» фигуры (фиг. 7б и г). Экспериментальным путем установлено, что оптимальное расстояние между точками облучения должно лежать в диапазоне от 5 до 30 нм. При меньшем расстоянии разрешение получаемых элементов выше. При расстоянии более 30 нм целостность элементов после проявки нарушается. На фиг. 8 представлены примеры сложных геометрических фигур с шириной линии в диапазоне от 10 до 30 нм. Фиг. 9 демонстрирует трехмерные изображения колец круглой и квадратной формы. При смещении структур друг относительно друга, смещаются и их ореолы (фиг. 10).A polymer film was prepared according to Example 1. Previously, a digital template of the nanostructure was created in the form of a set of single-pixel points, according to which exposure was made by a point electron beam with a dose above 0.2 pC. In the process of forming complex geometric shapes with a minimum distance (not more than 30 nm) between adjacent irradiation points, intergrowth of carbonized columns is observed, with a repetition of the geometric contour of the control pattern (Fig. 7a and c). As the distance between the points increases, the interaction weakens, which leads to the "collapse" of the figure (Fig. 7b and d). It was established experimentally that the optimal distance between the irradiation points should lie in the range from 5 to 30 nm. At a shorter distance, the resolution of the resulting elements is higher. At a distance of more than 30 nm, the integrity of the elements after development is violated. In FIG. Figure 8 shows examples of complex geometric shapes with a line width in the range from 10 to 30 nm. FIG. 9 shows three-dimensional images of round and square rings. When the structures are displaced relative to each other, their halos also shift (Fig. 10).

Настоящее изобретение позволяет устранить недостатки способа-прототипа, обеспечивая возможность формирования сложных полимерных наноструктур любой формы с толщиной линий от 10 нм не только на полупроводниковых подложках, но и на пленках разных металлов, таких как Au, Pt, Al, Cu, Ti, Cr и др. Минимальная ширина линии при диаметре электронного пучка 2 нм ограничивается только длиной полимерной цепочки (~5 нм) и толщиной резиста. Опытным путем установлено, что чем тоньше резист, тем выше разрешение.The present invention eliminates the disadvantages of the prototype method, providing the possibility of forming complex polymer nanostructures of any shape with a line thickness of 10 nm not only on semiconductor substrates, but also on films of various metals, such as Au, Pt, Al, Cu, Ti, Cr and etc. The minimum line width at an electron beam diameter of 2 nm is limited only by the length of the polymer chain (~ 5 nm) and the thickness of the resist. It was experimentally established that the thinner the resist, the higher the resolution.

Другим преимуществом является тот факт, что линии получаемых наноструктур имеют практически бездефектную форму (фиг. 11). Это позволяет получать карбонизированные шаблоны высокого качества с суб-20 нм разрешением. Перенос шаблонов внутрь подложки методами влажного химического либо плазменно-химического травления возможен благодаря высокой химической стойкости карбонизированного шаблона.Another advantage is the fact that the lines of the resulting nanostructures have a practically defect-free shape (Fig. 11). This allows you to get carbonized patterns of high quality with sub-20 nm resolution. The transfer of patterns into the substrate by wet chemical or plasma-chemical etching is possible due to the high chemical resistance of the carbonized template.

Дополнительным важным преимуществом заявляемого способа формирования полимерных наноструктур является малое время прорисовки шаблона по сравнению с временем экспонирования того же шаблона традиционным способом, суть которого заключается в последовательном сканировании выбранной области. Для создания шаблона в виде квадратного массива 25 на 25 (всего 625 элементов) равносторонних треугольников со стороной 210 нм и толщиной линии 40 нм требуется 17,6 с, в то время как прорисовка этого же шаблона традиционным способом требует 152 с, что 8,6 раз дольше. Путем подбора параметров средняя скорость точечного экспонирования может быть увеличена до 10 раз по сравнению с традиционным способом.An additional important advantage of the proposed method for the formation of polymer nanostructures is the short drawing time of the template compared to the exposure time of the same template in the traditional way, the essence of which is the sequential scanning of the selected area. To create a template in the form of a square array of 25 by 25 (625 elements in total) equilateral triangles with a side of 210 nm and a line thickness of 40 nm requires 17.6 s, while drawing the same template in the traditional way requires 152 s, which is 8.6 times longer. By selecting the parameters, the average speed of spot exposure can be increased up to 10 times compared with the traditional method.

Уровень техники подтверждает, что в научно-технических источниках отсутствуют данные, указывающие на влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение технических результатов, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого способа.The prior art confirms that in scientific and technical sources there is no data indicating the influence of the distinguishing features of the claimed invention on the achievement of technical results, which confirms the inventive step of the proposed method.

Литература.Literature.

1. S.P. Li, D. Peyrade, М. Natali, A. Lebib, Y. Chen, U. Ebels, L.D. Buda, and K. Ounadjela, "Flux Closure Structures in Cobalt Rings", Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 1102.1. S.P. Li, D. Peyrade, M. Natali, A. Lebib, Y. Chen, U. Ebels, L.D. Buda, and K. Ounadjela, "Flux Closure Structures in Cobalt Rings", Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 1102.

2. Broers, A.N.; 1995; Fabrication limits of electron beam lithography and of UV, X-ray and ion-beam lithographies; Phil. Trans. Roy. Soc., Ser. A (Phys. Sci. & Eng.), 353 (1703) 291-311.2. Broers, A.N .; 1995; Fabrication limits of electron beam lithography and of UV, X-ray and ion-beam lithographies; Phil. Trans. Roy. Soc., Ser. A (Phys. Sci. & Eng.), 353 (1703) 291-311.

3. Parallel multi-electron beam lithography for IC fabrication with precise X-Y translation, патент US 7075093 B2, опубл. 11.07.2011.3. Parallel multi-electron beam lithography for IC fabrication with precise X-Y translation, patent US 7075093 B2, publ. 07/11/2011.

4. Electron beam lithography system and method, патент US 5334282 (A), опубл. 02.08.1994.4. Electron beam lithography system and method, patent US 5334282 (A), publ. 08/02/1994.

5. Shibing Tian, Xiaoxiang Xia, Wangning Sun, Wuxia Li, Junjie Li and Changzhi Gu, Large-scale ordered silicon microtube arrays fabricated by Poisson spot lithography, 2011 Nanotechnology 22395301).5. Shibing Tian, Xiaoxiang Xia, Wangning Sun, Wuxia Li, Junjie Li and Changzhi Gu, Large-scale ordered silicon microtube arrays fabricated by Poisson spot lithography, 2011 Nanotechnology 22395301).

6. Huigao Duan, Jianguo Zhao, Yongzhe Zhang, Erqing Xie and Li Han, Preparing patterned carbonaceous nanostructures directly by overexposure of PMMA using electron-beam lithography, Nanotechnology 20 (2009) 135306.6. Huigao Duan, Jianguo Zhao, Yongzhe Zhang, Erqing Xie and Li Han, Preparing patterned carbonaceous nanostructures directly by overexposure of PMMA using electron-beam lithography, Nanotechnology 20 (2009) 135306.

Claims (4)

1. Способ формирования полимерных шаблонов наноструктур разной геометрии, включающий формирование цифрового шаблона наноструктур, перенос этого шаблона на поверхность позитивного резиста, нанесенного на подложку, проявление резиста, отличающийся тем, что в качестве подложки наряду с полупроводниковыми используются подложки, покрытые металлом, при этом шаблоны в форме наноразмерных колец формируют одноточечным экспонированием позитивного резиста электронным пучком диаметром 2 нм и дозой в диапазоне от 0.2 пКл до 100 пКл на точку, а шаблоны наноструктур сложной формы и высокого разрешения формируют последовательным точечным экспонированием позитивного резиста с шагом от 5 до 30 нм с увеличением средней скорости экспонирования до 10 раз.1. The method of forming polymer patterns of nanostructures of different geometries, including the formation of a digital pattern of nanostructures, transferring this pattern to the surface of a positive resist deposited on a substrate, the manifestation of a resist, characterized in that metal-coated substrates are used as a substrate, the patterns being in the form of nanoscale rings are formed by single-point exposure of a positive resist by an electron beam with a diameter of 2 nm and a dose in the range from 0.2 pC to 100 pC per point, and the template S nanostructures of complex shape and high resolution are formed by sequential point exposure of a positive resist in increments of 5 to 30 nm with an increase in the average exposure speed up to 10 times. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металла для покрытия кремниевой подложки могут быть выбраны металлы из ряда Au, Pt, Al, Cu, Ti, Cr и др.2. The method according to p. 1, characterized in that as a metal for coating a silicon substrate can be selected metals from a number of Au, Pt, Al, Cu, Ti, Cr, etc. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве подложек для формирования бездефектных полимерных шаблонов наноструктур могут быть использованы металлизированные подложки диаметром более 1 см.3. The method according to p. 1, characterized in that as substrates for forming defect-free polymer patterns of nanostructures, metallized substrates with a diameter of more than 1 cm can be used. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что цифровой шаблон представлен в виде набора однопиксельных точек. 4. The method according to p. 1, characterized in that the digital template is presented in the form of a set of single-pixel dots.
RU2014131565/28A 2014-07-29 Method of forming polymer templates of nanostructures of different geometry RU2574527C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2574527C1 true RU2574527C1 (en) 2016-02-10

Family

ID=

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111439720A (en) * 2020-03-13 2020-07-24 中国科学院物理研究所 Method for preparing reducing nano structure
CN111675191A (en) * 2020-06-03 2020-09-18 中国科学院物理研究所 Method for producing three-dimensional nanostructures continuously adjustable in height

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1215081A1 (en) * 1984-08-28 1986-02-28 Предприятие П/Я А-7438 Method of manufacturing masks
US5334282A (en) * 1990-09-28 1994-08-02 Hitachi, Ltd. Electron beam lithography system and method
WO2000070406A1 (en) * 1999-05-12 2000-11-23 Thin Film Electronics Asa Methods for patterning polymer films, and use of the methods
US7075093B2 (en) * 2004-05-12 2006-07-11 Gorski Richard M Parallel multi-electron beam lithography for IC fabrication with precise X-Y translation
US20080020289A1 (en) * 2006-07-24 2008-01-24 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Novel polymer, positive resist composition and patterning process using the same
RU2012134344A (en) * 2010-01-12 2014-02-20 Борис КОБРИН METHOD AND DEVICE FOR FORMING A NANOPARTICLE

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1215081A1 (en) * 1984-08-28 1986-02-28 Предприятие П/Я А-7438 Method of manufacturing masks
US5334282A (en) * 1990-09-28 1994-08-02 Hitachi, Ltd. Electron beam lithography system and method
WO2000070406A1 (en) * 1999-05-12 2000-11-23 Thin Film Electronics Asa Methods for patterning polymer films, and use of the methods
US7075093B2 (en) * 2004-05-12 2006-07-11 Gorski Richard M Parallel multi-electron beam lithography for IC fabrication with precise X-Y translation
US20080020289A1 (en) * 2006-07-24 2008-01-24 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Novel polymer, positive resist composition and patterning process using the same
RU2012134344A (en) * 2010-01-12 2014-02-20 Борис КОБРИН METHOD AND DEVICE FOR FORMING A NANOPARTICLE

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111439720A (en) * 2020-03-13 2020-07-24 中国科学院物理研究所 Method for preparing reducing nano structure
CN111675191A (en) * 2020-06-03 2020-09-18 中国科学院物理研究所 Method for producing three-dimensional nanostructures continuously adjustable in height

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220205920A1 (en) Methods for creating large-area complex nanopatterns for nanoimprint molds
Martın et al. Ordered magnetic nanostructures: fabrication and properties
Fahrner Nanotechnology and nanoelectronics: materials, devices, measurement techniques
EP2144117A1 (en) Process and system for fabrication of patterns on a surface
US6815363B2 (en) Method for nanomachining high aspect ratio structures
US6680214B1 (en) Artificial band gap
US20070131646A1 (en) Method and apparatus for nano-pantography
US8192669B2 (en) Methods for fabricating large area nanoimprint molds
RU2574527C1 (en) Method of forming polymer templates of nanostructures of different geometry
Melentiev et al. Nanolithography based on an atom pinhole camera
US10317799B2 (en) Patterned multi-beam nanoshift lithography for on-the-fly, high throughput production of customizable shape-designed microparticles, nanoparticles, and continuous films
Sun et al. A low-cost and high-efficiency method for four-inch silicon nano-mold by proximity UV exposure
Samardak et al. Fabrication of high-resolution nanostructures of complex geometry by the single-spot nanolithography method
Domonkos et al. Controlled structuring of self-assembled polystyrene microsphere arrays by two different plasma systems
Yu et al. Fabrication of 30 nm pitch imprint moulds by frequency doubling for nanowire arrays
Yeo et al. Realization of multi-paired photonic crystals by the multiple-exposure nanosphere lithography process
WO2005015308A2 (en) Fabrication process for high resolution lithography masks using evaporated or plasma assisted electron sensitive resists with plating image reversal
De Teresa Introduction to nanolithography techniques and their applications
Kettle et al. Overcoming material challenges for replication of “motheye lenses” using step and flash imprint lithography for optoelectronic applications
RU2706265C1 (en) Method of producing arrays of regular submicron metal structures on optically transparent substrates
Kostic et al. Electron beam lithography method for high-resolution nanofabrication
Farcau et al. Simple colloidal lithography approach to generate inexpensive stamps for polymer nano-patterning
Con Nanolithography on non-planar surfaces and self-assembly of metal salt-polymer nanomaterials
Wang et al. Surface Nano-Structuring of Semiconductors by Nanosecond Pulsed Laser Interference
Melentiev et al. Nanolithography based on an atom pinhole camera for fabrication of metamaterials