美國能源部(DoE)布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory;BNL)最近發佈了一項新的世界紀錄,宣稱能以小至1nm的特徵尺寸為半導體元件進行圖案化。該研究團隊並希望以這項技術打造並實現前所未見的新晶片特性。

截至目前為止,Brookhaven的研究人員們已經透過聚甲基丙醯酸甲酯(PMMA)材料證實了這個概念。PMMA是一種在微影技術中常用於塗層的聚合物,可取代玻璃以及被稱為氫矽酸鹽(hydrogen silsesquioxane)的抗蝕劑。

20170505_1nm_NT01P1 在示意圖中顯示聚焦電子束(綠色)穿透聚合物薄膜(灰色:碳原子;紅色:氧原子;白色:氫原子)而發光,黃色部份顯示電子束的範圍 (來源:Brookhaven National Laboratory)

Brookhaven的科學家巧妙地使用電子顯微鏡,以較一般採用電子束微影(EBL)更小的尺寸,對材料進行圖案化。如同以往一般將這種對電子敏感的材料暴露於聚焦的電子束,但所採用的是製程幾何微縮至足以操縱個別原子的尺寸。其結果是開發出一款新工具,能夠大幅改變材料特性,包括從電導率到光傳輸以及二者之間的交互作用等。

這項半導體製程的重要突破是由DoE旗下位於Brookhaven的科學用戶設施辦公室——功能奈米材料中心(CFN)實現的。1nm圖案化製程採用掃描射電子顯微鏡(STEM),以11nm間距讓近1兆個特徵在1平方公分的範圍內進行圖案化。此外,研究人員並採用像差校正(aberration-corrected)掃描射電子顯微鏡,在氫矽酸鹽抗蝕劑下以5nm半間距實現2nm解析度。

20170505_1nm_NT01P2 Brookhaven功能奈米材料中心的研究團隊包括Lihua Zhang、Vitor Manfrinato和Aaron Stein(由左至右);其他團隊成員還包括Chang-Yong Nam、Kevin Yager、Eric Stach和Charles Black (來源:Brookhaven National Laboratory)

在安裝緩慢移動的圖形產生器,遵循專用電腦程式的指令後,可望改善像差校正電子束微影技術的解析度極限(最好情況下通常是10nm)。自動化的掃描射電子顯微鏡可在原子級提供聚焦的電子束,讓個別原子組成圖案,包括特徵尺寸小至6個原子寬的鈀金。以1nm圖案化的PMMA可達到幾近於聚合物分子在26nm有效半徑的單體尺寸。

接下來,Brookhaven研發團隊計劃在晶片上使用其1nm圖案解析度,進一步探索其電子和光子能力的極限。

20170505_1nm_NT01P3 使用像差校正掃描透射電子顯微鏡的電子束微影可在氫矽酸鹽抗蝕劑,實現2nm的隔離尺寸,以及5nm的半間距,並能透過電子能量損失光譜儀,以200keV測量點擴散功能和抗蝕劑中的能量損失 (來源:BNL和Nano Letters)

更多相關細節已發佈於《奈米通訊》(Nano Letters)的「實現原子級電子束微影的解析度限制」(Resolution Limits of Electron-Beam Lithography toward the Atomic Scale)一文。該論文的主要作者是CFN研究人員Vitor Manfrinato,以及CFN電子奈米材料部資深科學家Aaron Stein。研究資金由DoE科學辦公室提供贊助。

編譯:Susan Hong

(參考原文:DoE Claims 1nm Fab Record,by R. Colin Johnson)