Litografie termosnímací sondy - Thermal scanning probe lithography

Tepelný polymerní rozklad

Litografie termografické skenovací sondy (t-SPL) je forma litografie skenovací sondy[1] (SPL), přičemž materiál je strukturován na nanoměřítku použitím skenovací sondy, zejména prostřednictvím aplikace Termální energie.

Související pole jsou termomechanické SPL (viz také Paměť stonožky ), termochemické SPL[2][3] (nebo termochemická nanolitografie ) kde cílem je ovlivnit místní chemii a tepelný dip-pen litografie[4] jako aditivní technika.

Dějiny

Vědci kolem Daniela Rugara a Johna Mamina na Výzkumné laboratoře IBM v Almadenu byli průkopníky v používání vyhřívaných AFM (mikroskop s atomovou silou) pro úpravy povrchů. V roce 1992 použili mikrosekundu laserové pulsy k zahřátí tipů AFM pro zápis odsazení do 150 nm do polymer PMMA při rychlostech 100 kHz.[5] V následujících letech se vyvinuli konzoly s rezonanční frekvence nad 4 MHz a integrovaný odporové ohřívače a piezorezistivní senzory pro zápis a čtení dat.[6][7] Tento termomechanický datové úložiště koncept tvořil základ Projekt stonožky kterou zahájili Peter Vettiger a Gerd Binnig na Výzkumné laboratoře IBM v Curychu v roce 1995. Byl to příklad paměťového paměťového zařízení s velkým množstvím paralelních sond, které však nebylo nikdy komercializováno kvůli rostoucí konkurenci ze strany energeticky nezávislá paměť jako flash paměť. Paměťové médium paměti Millipede sestávalo z polymerů s funkcemi tvarové paměti, jako např. zesítěný polystyren,[8] aby bylo možné zapsat odsazení dat pomocí plastická deformace a opětovné vymazání dat zahřátím. Bylo však nutné odpařování místo plastické deformace nanolitografie aplikace, aby bylo možné vytvořit jakýkoli vzor v odolat. Takového lokálního odpařování odporu vyvolaného zahřátou špičkou lze dosáhnout u několika materiálů, jako je pentaerythritol tetranitrát,[9] zesítěný polykarbonáty,[10] a Diels-Alder polymery.[11] V roce 2010 došlo v IBM Research v Curychu k významnému pokroku ve výběru odolného materiálu, což vedlo k vysokému rozlišení a přesnému 3D reliéfnímu vzorování[12] s použitím zesilovač sám depolymerizace polymer polyftalldehyd (PPA)[12][13] a molekulární brýle[14] jako rezistence, kde se polymer rozkládá na těkavý monomery při zahřátí špičkou bez použití mechanické síly a bez hromadění nebo zbytků rezistence.

Pracovní princip

Tepelné konzoly jsou vyrobeny z křemíkové destičky použitím hromadně - a povrch mikroobráběcí procesy. Sondy mají poloměr zakřivení pod 5 nm, což umožňuje v rezistoru rozlišení pod 10 nm.[15] The odporové topení se provádí integrovanými mikroohřívači v konzola nohy, které jsou vytvořeny na různých úrovních doping. Časová konstanta ohřívačů leží mezi 5 μs až 100 μs.[16][17] Elektromigrace omezuje dlouhodobě udržitelnou teplotu ohřívače na 700–800 ° C.[17] Integrované ohřívače umožňují in situ metrologie psaných vzorů, umožňující zpětnou vazbu,[18] pole šití bez použití vyrovnávacích značek[19] a použití předem vzorovaných struktur jako reference pro sub-5 nm překrytí.[20] Přenos vzorů pro polovodiče výroba zařízení počítaje v to leptání reaktivních iontů a kov vzlet bylo prokázáno s rozlišením pod 20 nm.[21]

Srovnání s jinými litografickými technikami

V důsledku ablativ povaha procesu vzorování, žádný vývojový krok (jako v: selektivní odstranění buď exponovaných nebo neexponovaných oblastí rezistence, jako u e-paprsek a optická litografie ) je potřeba, ani nejsou optické korekce blízkosti. Byly zobrazeny maximální rychlosti lineárního zápisu až 20 mm / s[22] s propustností v 104 – 105 μm2 h−1 rozsah[1] což je srovnatelné s jednosloupcovým e-paprskem ve tvaru Gaussova tvaru HSQ jako odolat.[23] Rozlišení t-SPL je určeno tvarem špičky sondy a není omezeno difrakční limit nebo podle velikosti ohniskového bodu paprskových přístupů však interakce tip-vzorek během procesu metrologie in-situ vytvářejí tip mít na sobě,[24] omezení životnosti sond. Aby se prodloužila životnost hrotů sondy, ultrananokrystalický diamant (UNCD)[25] a Karbid křemíku (SiC) potažený[24] tipy nebo metody plovoucího kontaktního zobrazování bez opotřebení[26] byly prokázány. Kvůli nepřítomnosti elektronových nebo iontových paprsků nedochází k poškození nebo nabíjení elektronů na vzorovaných plochách.[21]

Reference

  1. ^ A b Garcia, Ricardo; Knoll, Armin W .; Riedo, Elisa (Srpen 2014). "Pokročilá skenovací litografická sonda". Přírodní nanotechnologie. 9 (8): 577–587. arXiv:1505.01260. Bibcode:2014NatNa ... 9..577G. doi:10.1038 / nnano.2014.157. ISSN  1748-3387. PMID  25091447.
  2. ^ Szoszkiewicz, Robert; Okada, Takashi; Jones, Simon C .; Li, Tai-De; King, William P .; Marder, Seth R .; Riedo, Elisa (01.04.2007). „Vysokorychlostní termochemická nanolitografie o velikosti do 15 nm“. Nano dopisy. 7 (4): 1064–1069. Bibcode:2007 NanoL ... 7.1064S. doi:10.1021 / nl070300f. ISSN  1530-6984. PMID  17385937.
  3. ^ Fenwick, Oliver; Bozec, Laurent; Credgington, Dan; Hammiche, Azzedine; Lazzerini, Giovanni Mattia; Silberberg, Yaron R .; Cacialli, Franco (říjen 2009). "Termochemická nanopatternování organických polovodičů". Přírodní nanotechnologie. 4 (10): 664–668. Bibcode:2009NatNa ... 4..664F. doi:10.1038 / nnano.2009.254. ISSN  1748-3387. PMID  19809458.
  4. ^ Nelson, B. A .; King, W. P .; Laracuente, A. R .; Sheehan, P.E .; Whitman, L. J. (2006-01-16). "Přímá depozice kontinuálních kovových nanostruktur pomocí termální dip-penové nanolitografie". Aplikovaná fyzikální písmena. 88 (3): 033104. Bibcode:2006ApPhL..88c3104N. doi:10.1063/1.2164394. ISSN  0003-6951.
  5. ^ Mamin, H. J .; Rugar, D. (1992-08-24). "Termomechanické psaní špičkou mikroskopu s atomovou silou". Aplikovaná fyzikální písmena. 61 (8): 1003–1005. Bibcode:1992ApPhL..61,1003M. doi:10.1063/1.108460. ISSN  0003-6951.
  6. ^ Mamin, H.J .; Ried, R.P .; Terris, B.D .; Rugar, D. (červen 1999). "Ukládání dat s vysokou hustotou na základě mikroskopu s atomovou silou". Sborník IEEE. 87 (6): 1014–1027. CiteSeerX  10.1.1.457.232. doi:10.1109/5.763314. ISSN  0018-9219.
  7. ^ Chui, B. W .; Stowe, T. D .; Kenny, T. W .; Mamin, H. J .; Terris, B. D .; Rugar, D. (1996-10-28). „Silikonové konzoly s nízkou tuhostí pro termální zápis a piezorezistivní zpětné čtení pomocí mikroskopu s atomovou silou“. Aplikovaná fyzikální písmena. 69 (18): 2767–2769. Bibcode:1996ApPhL..69.2767C. doi:10.1063/1.117669. ISSN  0003-6951.
  8. ^ T. Altebaeumer, B. Gotsmann, H. Pozidis, A. Knoll a U. Duerig, T .; Gotsmann, B .; Pozidis, H .; Knoll, A .; Duerig, U. (2008). "Funkce tvarové paměti v nanoměřítku ve vysoce zesítěných polymerech". Nano dopisy. 8 (12): 4398–403. Bibcode:2008 NanoL ... 8.4398A. doi:10.1021 / nl8022737. PMID  19367970.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  9. ^ King, William P .; Saxena, Shubham; Nelson, Brent A .; Weeks, Brandon L .; Pitchimani, Rajasekar (1. září 2006). „Tepelná analýza energetického materiálu v nanoměřítku“. Nano dopisy. 6 (9): 2145–2149. Bibcode:2006NanoL ... 6,2145K. doi:10.1021 / nl061196p. ISSN  1530-6984. PMID  16968041.
  10. ^ Saxena, Shubham (2007). „Nanoscale termální litografie lokálním polymerním rozkladem pomocí zahřátého konzolového hrotu mikroskopu s atomovou silou“. Journal of Micro / Nanolithography, MEMS a MOEMS. 6 (2): 023012. doi:10.1117/1.2743374.
  11. ^ Gotsmann, B .; Duerig, U .; Frommer, J .; Hawker, C. J. (2006). „Exploiting Chemical Switching in a Diels-Alder Polymer for Nanoscale Probe Lithography and Data Storage“. Pokročilé funkční materiály. 16 (11): 1499. doi:10.1002 / adfm.200500724.
  12. ^ A b Knoll, Armin W .; Pires, David; Coulembier, Olivier; Dubois, Philippe; Hedrick, James L .; Frommer, Jane; Duerig, Urs (2010). „Sonda založená na 3-D nanolitografii s využitím zesílených depolymerizačních polymerů“. Pokročilé materiály. 22 (31): 3361–5. doi:10.1002 / adma.200904386. PMID  20419710.
  13. ^ Coulembier, Olivier; Knoll, Armin; Pires, David; Gotsmann, Bernd; Duerig, Urs; Frommer, Jane; Miller, Robert D .; Dubois, Philippe; Hedrick, James L. (12. ledna 2010). "Nanolitografie založená na sondě: samo-zesílené depolymerizační médium pro suchou litografii". Makromolekuly. 43 (1): 572–574. Bibcode:2010MaMol..43..572C. doi:10.1021 / ma9019152. ISSN  0024-9297.
  14. ^ Pires, David; Hedrick, James L .; Silva, Anuja De; Frommer, Jane; Gotsmann, Bernd; Vlk, Heiko; Despont, Michel; Duerig, Urs; Knoll, Armin W. (2010). „Nanorozměrové trojrozměrné vzorkování molekulárních rezistorů skenováním sond“. Věda. 328 (5979): 732–735. Bibcode:2010Sci ... 328..732P. doi:10.1126 / science.1187851. ISSN  0036-8075. PMID  20413457.
  15. ^ Cheong, Lin Lee; Paul, Philip; Holzner, Felix; Despont, Michel; Coady, Daniel J .; Hedrick, James L .; Allen, Robert; Knoll, Armin W .; Duerig, Urs (11. září 2013). „Thermal Probe Maskless Lithography for 27,5 nm Half-Pitch Si Technology“. Nano dopisy. 13 (9): 4485–4491. Bibcode:2013NanoL..13.4485C. doi:10.1021 / nl4024066. ISSN  1530-6984. PMID  23965001.
  16. ^ King, William P .; Bhatia, Bikramjit; Felts, Jonathan R .; Kim, Hoe Joon; Kwon, Beomjin; Lee, Byeonghee; Somnath, Suhas; Rosenberger, Matthew (2013). "Vyhřívané konzoly mikroskopu atomové síly a jejich aplikace". Roční revize přenosu tepla. 16: 287–326. doi:10.1615 / AnnualRevHeatTransfer.v16.100.
  17. ^ A b Mamin, H. J. (1996-07-15). Msgstr "Tepelné psaní pomocí vyhřívané špičky mikroskopu s atomovou silou". Aplikovaná fyzikální písmena. 69 (3): 433–435. Bibcode:1996ApPhL..69..433M. doi:10.1063/1.118085. ISSN  0003-6951.
  18. ^ „Evropský patentový registr: nanolitografický systém a metoda skenovací sondy“.
  19. ^ Paul, Ph; Knoll, A. W .; Holzner, F .; Duerig, U. (2012-09-28). "Pole šití v litografii tepelné sondy pomocí korelace drsnosti povrchu". Nanotechnologie. 23 (38): 385307. Bibcode:2012Nanot..23L5307P. doi:10.1088/0957-4484/23/38/385307. ISSN  0957-4484. PMID  22948486.
  20. ^ Rawlings, C .; Duerig, U .; Hedrick, J .; Coady, D .; Knoll, A. (červenec 2014). "Řízení nanometru nad procesem překrytí bez značek pomocí litografie sondy termálního skenování". 2014 Mezinárodní konference IEEE / ASME o pokročilé inteligentní mechatronice. 1670–1675. doi:10.1109 / AIM.2014.6878324. ISBN  978-1-4799-5736-1.
  21. ^ A b Vlk, Heiko; Rawlings, Colin; Mensch, Philipp; Hedrick, James L .; Coady, Daniel J .; Duerig, Urs; Knoll, Armin W. (2015-03-01). „Sub-20 nm křemíkové vzorkování a odtržení kovu pomocí litografie s termální skenovací sondou“. Journal of Vacuum Science & Technology B. 33 (2): 02B102. arXiv:1411.4833. doi:10.1116/1.4901413. ISSN  2166-2746.
  22. ^ Paul, Philip; Knoll, Armin W; Holzner, Felix; Despont, Michel; Duerig, Urs (2011). "Rychlá otočná skenovací nanolitografická sonda". Nanotechnologie. 22 (27): 275306. Bibcode:2011Nanot..22A5306P. doi:10.1088/0957-4484/22/27/275306. PMID  21602616.
  23. ^ Grigorescu, A.E .; Van Der Krogt, M.C .; Hagen, C.W .; Kruit, P. (2007). Msgstr "10nm čáry a mezery napsané v HSQ, s využitím litografie elektronového paprsku". Mikroelektronické inženýrství. 84 (5–8): 822–824. doi:10.1016 / j.mee.2007.01.022.
  24. ^ A b Lantz, Mark A .; Gotsmann, Bernd; Jaroenapibal, Papot; Jacobs, Tevis D. B .; O'Connor, Sean D .; Sridharan, Kumar; Carpick, Robert W. (2012). „Tipy na opracování nanoscale z karbidu křemíku odolné proti opotřebení pro aplikace skenovacích sond“. Pokročilé funkční materiály. 22 (8): 1639. doi:10.1002 / adfm.201102383.
  25. ^ Fletcher, Patrick C .; Felts, Jonathan R .; Dai, Zhenting; Jacobs, Tevis D .; Zeng, Hongjun; Lee, Woo; Sheehan, Paul E .; Carlisle, John A .; Carpick, Robert W .; Král, William P. (2010). „Diamantové nanoprobe špičky odolné proti opotřebení s integrovaným křemíkovým ohřívačem pro nanomateriál na bázi špičky“. ACS Nano. 4 (6): 3338–44. doi:10.1021 / nn100203d. PMID  20481445.
  26. ^ Knoll, A; Rothuizen, H; Gotsmann, B; Duerig, U (7. května 2010). "Plovoucí kontaktní zobrazení polymerních povrchů bez opotřebení". Nanotechnologie. 21 (18): 185701. Bibcode:2010Nanot..21r5701K. doi:10.1088/0957-4484/21/18/185701. PMID  20378942.

Viz také