在离散轨道记录介质的模具中实现高径长比

摘要

纳米压印光刻技术(NIL)制备的离散磁道介质(DTM)被认为是未来硬盘驱动器(HDD)的一种潜在技术。在无刷主模的制作中，在宽度上形成分布较窄的抗蚀剂轨迹是关键的第一步。本文报道了利用电子束光刻技术在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)抗蚀剂上制备高纵横比离散轨迹所面临的挑战。研究发现，用于成功绘制纳米尺度离散轨迹的制备参数并不直接适用于微米尺度离散轨迹的绘制。为此，采用了厚涂层、曝光后烘烤工艺和改变曝光参数等不同的方法，在微米尺度上实现了均匀锐利的离散轨迹。采用最优参数对20型进行了计算M长轨道与70纳米轨道间距的抗蚀剂。

1.介绍

在硬盘驱动器(HDD)中，在不牺牲热稳定性或可写性的情况下实现高信噪比(SNR)是主要关注的问题之一。与传统的纵向介质相比，垂直记录具有更好的信噪比、热稳定性和可写性，而传统的纵向介质由于其超顺磁性而逐渐被淘汰。虽然垂直记录技术在一定程度上改变了超顺磁效应的发生，但超顺磁效应仍然存在，并将在未来几年对磁记录技术造成限制。因此，需要考虑替代技术，如热辅助磁记录(HAMR)和位模式媒体(BPM)。走向HAMR或BPM的一个可能的中间步骤是离散跟踪媒体(DTM)技术[1- - - - - -7］．

在传统的垂直记录方案中，记录的数据沿圆周轨道存储。在这个方案中，写头决定了磁道的位置和宽度。写头和读头位置之间的公差可能会沿磁性定义的磁道产生噪声[6］．在DTM的情况下，轨道是平版印刷定义的，轨道的宽度和位置是物理固定的。物理定义的磁道之间的非磁区可以减少读取过程中的噪声，这有助于增加磁道密度[6］．以满足1tb /in的面积密度²或更高，要求航迹密度高于300ktpi;然而，引入离散轨迹记录的主要障碍之一是媒体制造。引入DTM将需要低成本和高通量制造能力的光刻工艺。有许多最先进的光刻工具，具有制造100纳米以下图案的能力。其中，纳米压印光刻技术(NIL)以其低成本和高通量制造能力成为大规模DTM制造最有前景的方法。

以往的研究提出了用于DTM制备的各种方法和抗蚀材料[8- - - - - -10］．Hattori等人报道了使用ZEP520A电子束抗蚀剂和Ni和TiN硬掩膜层制备间距为90 nm的离散磁道[10］．在本研究中，我们研究了用电子束光刻技术在电阻上制备离散轨迹模具的方法μ米的长度。研究发现，对于这种高径迹牙医来说，在微米尺度的径迹长度和纳米尺度的径迹宽度上进行刻蚀是其面临的挑战之一。这些窄宽度和长电阻轨迹需要更高的机械强度和更强的附着力，以承受在过程中周围暴露线的电子散射和机械应力的间接曝光。Jones和Paraszczak在模拟和实验研究中也报告了类似的问题，即由于加工条件引入的应力，抗蚀剂的窄宽度发生了坍塌[11］．在我们的研究中，在光刻中涉及到在纵横比为数百倍(轨迹长度/轨迹宽度)的抗蚀剂上绘制离散轨迹的挑战和解决这些问题的方法在这里被报道。抗轨道与120纳米间距和20μ对M长度进行了建模，建立了最优工艺参数，并将这些参数应用于70 nm径迹间距的制备μm轨道长度。

2.实验的细节

在热氧化硅衬底上涂布PMMA抗蚀剂。在整个实验中使用相同的基片类型，因为电子束光刻的图案结果可以随着不同类型的基片或PMMA抗蚀剂下面的底层而改变。更多关于曝光参数和抗蚀剂涂层的细节将在本文中描述，因为这些程序的条件是不同的，以优化。扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)是评价所制备图案的主要工具。teesp7 AFM探针的最大半径为10 nm，尖端高度为10μM允许扫描深度小于150纳米的抗蚀沟槽底部。

3.结果与讨论

３.１.子问题初探μm轨道

用溶解在2%苯甲醚中的PMMA抗蚀剂绘制了长150 nm，宽40 nm，间距40 nm的磁迹阵列。抗蚀剂在基材上以4000转/分旋转60秒，然后在180度烘烤^°C 2分钟。在此条件下，显影时间为30秒，可获得55 ~ 60 nm厚的抗蚀剂。数字1显示了显影的抗蚀剂图案的SEM图像，显示了40 nm线宽和间距可以在300到450之间的曝光剂量产生μC /厘米²恒定的电子束电流为100 pA我们选择的照射剂量范围在300到350之间μC /厘米²为了进一步研究，与400至450之间的剂量相比，在这些剂量下所测得的线宽和间距更接近40 nm的目标值μC /厘米²．

３．２．更长时间的跟踪调查

DTM主模具的制造需要高长宽比轨迹具有良好的均匀性，其中均匀性定义为最宽线和最窄线之间的差值超过这些值之和的百分比。为了达到这个目的，一个20的数组μm长的履带间距为120 nm(宽度为70 nm，间距为50 nm)。抗涂层、烘烤和显影参数20μ保留M条与上述相同的长径迹，制备长度为150 nm的径迹阵列。数字2显示，在暴露区域中心的痕迹被删除，而破坏的抵抗痕迹只保留在阵列图案的边缘。预计边缘区域和中心区域的蚀刻速率是不同的，因为显影液在轨道曝光区域的四个边缘遇到了更多的未曝光的抗蚀剂块。减少抗蚀剂显影时间导致边缘的显影不足，而中心区域暴露的抗蚀剂仍可部分去除。这些结果表明，高纵横比的轨道导致更困难的工艺控制，以实现良好的完整性和粘附的衬底轨道。因此，需要进一步的流程改进来克服这个问题。

作为第一次尝试克服这个问题，曝光后烘烤(PEB)过程是在曝光后和抗蚀剂显影之前引入的。在开发过程中，PEB工艺有望使抗蚀剂硬化，降低抗蚀剂的敏感性。烘烤温度为80度^°选择了低于玻璃化温度的C。降低抗蚀剂的灵敏度并使其硬化，可使其机械应力和电子从相邻的暴露线散射到未暴露的抗蚀剂线，从而使抗蚀剂在开发过程中变形最小。从AFM的图像来看，整个曝光区域现在充满了20个μ但在PEB过程中，尽管阻痕仍然存在，但阻痕不均匀。结果表明，PEB工艺可以改善长轨道的制造，但不足以用于DTM模具的制造。

３．3.抗蚀剂厚度和束电流的影响

为了了解抗蚀剂厚度对实现高纵横比的均匀抗蚀剂轨迹是否起着至关重要的作用，对两种不同的抗蚀剂厚度进行了评价。第一个样品以2500转/分的速度进行旋涂，第二个样品以4000转/分的速度对每个抗蚀层进行两次旋涂。180度的烘烤^°每层C处理2分钟，以改善界面间的附着力和表面均匀性。第一个样品和第二个样品的阻垢剂厚度分别为90 nm和120 nm。除了电阻厚度的变化，电子束电流降低到30 pA，以减少接近效应(电子在相邻未暴露区域的散射)。两个样本的暴露剂量增加到600μC /厘米²以适应较厚的抗压剂暴露能量需求的增加。在本研究中，没有使用PEB来研究束电流和阻垢厚度对轨道均匀性的影响。正如预期的那样，两个样品在整个暴露区域都有均匀完整的抗蚀痕，通过低束电流(30 pA)来改善，与之前应用100 pA束电流的工艺相比，这最大限度地减少了邻近效应。

数字3.显示扫描5次以上样品的AFM图像μM范围在处理区域的中心。轨道间距120 nm，宽度60 nm，间距60 nm。从AFM图像中可以看出，120 nm厚的抗蚀剂轨迹比90 nm厚的抗蚀剂轨迹更加均匀。为了评价抗蚀剂厚度对履带均匀性的影响，将履带和沟槽的宽度制成表格，并对两种抗蚀剂厚度的宽度分布进行了比较。由于轨道和沟槽强度不同，采用简单阈值法进行区分。数字4显示不同厚度抗蚀剂的槽宽分布。涂层厚度为120 nm的样品，平均沟槽宽度分别为22 +/−3 nm和122 +/−3 nm，涂层厚度为90 nm的样品，平均沟槽宽度分别为35 +/−5 nm和109 +/−4 nm。虽然较厚的抗蚀剂样品在线宽上的变化较小，但仍然不足以达到良好的信噪比，因为有一个最宽和最窄航迹差20海里。在此基础上，进一步研究了电子束能量的优化，以实现更低的履带间距和更窄的线宽分布。结果发现，600μC /厘米²达到20以上长径迹的最佳照射剂量是多少μ边缘锋利，均匀性好。

在DTM中，为了能够在降低噪声的同时优化读回信号，需要更清晰的轨迹边缘;从SEM图像中可以清楚地看到5更厚的电阻，30 pA束电流和最佳剂量，可以实现更清晰和均匀的轨道与大纵横比(长/宽)。

4.结论

采用多种工艺优化了电子束光刻DTM模具的工艺。对于55纳米厚的抗蚀剂，曝光剂量在300之间μC和350μC /厘米²对于长度为150纳米的抗蚀痕，可获得最佳效果。然而，对于微米尺度的轨迹，在相同的工艺参数下，电阻厚度的均匀性是不可能的，这表明电阻与样品表面的附着力较弱。研究发现，PEB在一定程度上提高了抗蚀剂的整体性能，但开发后仍然存在抗蚀剂痕迹。然而，仍然有厚度变化约15 nm，约为涂层厚度55 nm的30%。为了克服这一问题，电子束电流的降低与更厚的电阻的应用并行。利用AFM和SEM图像确定了厚度和横向尺寸一致的抗蚀剂轨迹。研究结果表明，电阻厚度、与较厚电阻对应的优化电子束能量和电子束电流是获得高纵横比长轨迹的主要因素。

参考文献

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