Development of a high resolution nanolithography technique on non-planar surfaces using an evaporated electron beam resist

Abstract

Les systèmes de lithographie de faisceau d'électrons utilisés pour la structuration des structures extrêmement petites sont un outil très important pour des technologies de nana-fabrication. La miniaturisation continuant du dispositif électronique et photonique, mène à une densité de rétrécissement et croissante constante de modèle. Les effets physiques fondamentaux tels que le bruit de grenaille, qui en lithographie correspond aux fluctuations statistiques dans le nombre d'électrons ont contenu dans un faisceau, ont un impact important sur les tailles de dispositif réalisables aussi bien que leur rugosité. Beaucoup de différents paramètres dans le processus de lithographie doivent être tenus compte en déterminant ces limites fondamentales, y compris la dose d'exposition de la résistance, résistent à l'épaisseur, à l'énergie de faisceau, etc. Un modèle de bruit de grenaille a été développé afin de calculer les doses d'exposition minimum exigées pour le faisceau d'électrons de structuration résiste aux noeuds de technologie de 50 nanomètre et ci-dessous tout en maintenant la qualité raisonnable des modèles. Les doses doivent augmenter rapidement avec réduire la largeur des raies, ainsi les contraintes imposantes sur une série de systèmes de lithographie de prochaine génération, tels que les systèmes massivement parallèles du faisceau d'électrons (MPEB). Les résultats modèles sont appliqués à la caisse particulière de systèmes de MPEB pour la structuration des circuits intégrés sur des gaufrettes de semi-conducteur. Un ensemble global de résultats est obtenu indiquant le nombre minimum de courant de faisceaux d'électrons et de faisceau d'électrons qui sera exigé pour répondre à des standards industriels. La lithographie de faisceau d'électrons de haute résolution pose des contraintes strictes sur la résistance utilisée pour modeler, à savoir la nécessité de travailler avec très des couches minces afin de réaliser les résolutions les plus élevées. Un nouveau et intéressant isogone résiste est étudié dans ce travail, le QSR-STM basé par stérol résiste. Les résultats d'optimiser les propriétés de résistance et le processus de développement sont présentés avec des résultats pour optimiser la sensibilité et le contraste de ceci résistent. La polyvalence de préservation et se développante dans les applications a été l'un des critères les plus importants en optimisant le QSR-5™ résistent. Les démonstrations incluent modeler un plat de zone sur le bout d'une fibre optique pour l'application potentielle dans le système optique intégrâtes. On décrit une application très peu commune de modeler les deux côtés d'un silicium et une membrane de nitrure de silicium dans un pas à pas qui pourrait être utile pour la fabrication des dispositifs à grande vitesse d'effet de champ tels que les doubles transistors de porte (DGT). Les résultats de simulation de Monte Carlo pour le cas de la longueur réalisable de porte avec des membranes de silicium et de nitrure de silicium sont également discutés. Les résultats du conformabilité et de la structuration sur des V-cannelures sont également présentés. Les processus de la fabrication des structures metamaterial de haute résolution sont discutés avec les résultats préliminaires de mesure par l'intermédiaire d'ellipsometry.

Abstract : Electron beam lithography systems used for patterning of extremely small structures are a very important tool for nanofabrication technologies. The on going miniaturization of electronic and photonic device, leads to a constant shrinking and increasing pattern density. Fundamental physical effects such as shot noise, which in lithography corresponds to the statistical fluctuations in the number of electrons contained in a beam, have a major impact on the achievable feature sizes as well as their roughness. Many different parameters in the lithography process must be taken into account in determining these fundamental limits, including exposure dose of the resist, resist thickness, beam energy, etc. A shot noise model has been developed in order to calculate the minimum exposure doses required for patterning electron beam resists at technology nodes of 50 nm and below while maintaining reasonable quality of the patterns. The doses must increase rapidly with reducing linewidth, thus imposing constraints on a variety of next generation lithography systems, such as massively parallel electron beam (MPEB) systems. The model results are applied to the particular case of MPEB systems for the patterning of integrated circuits on semiconductor wafers. An overall set of results is obtained indicating the minimum number of electron beams and electron beam current that will be required to meet industry standards. High resolution electron beam lithography poses severe constraints on the resist used for patterning, namely the need to work with very thin layers in order to achieve the highest resolutions. A new and interesting conformal resist is studied in this work, the sterol based QSR-5(TM) resist. The results of optimizing the resist properties and the development process are presented along with results for optimizing the sensitivity and contrast of this resist. Preserving and developing versatility in the applications has been one of the most important criteria in optimizing the QSR-5(TM) resist. Demonstrations include patterning a zone plate on the tip of an optical fiber for potential application in integrated optics. A very unusual application of patterning both sides of a silicon and a silicon nitride membrane in a single step are described which might be useful for the fabrication of high speed field effect devices such as double gate transistors (DGT). The Monte-Carlo simulation results for the case of the achievable gate length with silicon and silicon nitride membranes are also discussed. The results of conformability and patterning on V-grooves are also presented. The processes of fabrication of the high resolution metamaterial structures are discussed along with the initial measurement results via ellipsometry.