Тема 5 Нанолитография Содержание лекции 1 2

Тема 5 Нанолитография

Содержание лекции 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Вводная часть. Термины и определения литографии Фотолитография Нанолитография с помощью СЗМ: СТМ литография, АСМ анодно-окислительная литография Нанолитография с помощью АСМ: АСМ статическая литография – гравировка, АСМ динамическая литография – наночеканка, термохимическая нанолитография Dip-Pen литография Nano. Pen литография Литография в области глубокого УФ Электронная литография Наноимпринт литография Нанопечатная литография Литография наносферами Оптическая нанолитография Атомная нанолитография Литографически индуцированная самосборка

Вводная часть. Термины и определения • Литография – техника плоской печати – От греческих «lithos» — камень и «grapho» — пишу, рисую – Создана в 1798 году Алоизием Зенефельдером в Богемии • Исторически литография – это способ перенесения на бумагу изображения или текста с плоской поверхности камня, на которой они предварительно были созданы. • Печатной формой в литографии служит гладкая (для воспроизведения перовой графики) или зернистая (для воспроизведения карандашного рисунка) поверхность камня (известняка), на которую нанесено изображение жирной тушью (кистью или пером) или литографским карандашом. • Нередко изображение переводится на камень с рисунка, выполненного на спец. литографской бумаге — корнпапире. После химической обработки камня, последовательного нанесения на поверхность формы воды и затем краски производится печатание.

Вводная часть. Термины и определения • Однако в 20 -м веке этот термин начали применять не только в книгопечатании, но и в производстве микроэлектроники, т. к. литография оказалась очень удобной при массовом производстве микросхем с отдельными элементами меньше 1 мкм. • Поэтому в настоящее время термин "литография" используется в широком смысле как техника переноса изображения: - вид тиражной графики, основанный на технике плоской печати; - способ плоской печати; - произведение искусства, выполненное техникой плоской печати; - планарную технологию, заключающуюся в формировании в активночувствительном слое, нанесенном на поверхность подложек, рельефного рисунка и последующего переноса этого рисунка на подложки.

Вводная часть. Термины и определения • Развитие литографической технологии микросхем со времени ее изобретения в начале 70 -х шло в направлении сокращения длины световой волны. Это позволяло уменьшать размеры элементов интегральных микросхем (в соответствии законом Мура). • С развитием компьютерных технологий и ужесточением требований к размерам микросхем появилась микролитография, а затем и нанолитография. • Микролитография – технология получения заданной структуры на поверхности материала с минимальным размером структур << 1 мм • Нанолитография то же, но ~ 100 нм и менее Закон Мура гласит, что максимальное число транзисторов на заданной площади чипа удваивается каждые полтора года. Однако его жизнь подходит к концу, что связано с проблемами в управлении светом на ультранизком нанометровом разрешении.

Вводная часть. Термины и определения • Нанолитография представляет собой область литографии, которая имеет дело с формированием изображений, характерные размеры или размеры элементов которых имеют порядок 100 нм и менее. • Нанолитография - в полупроводниковой технике — процесс производства интегральных микросхем, размер отдельных элементов которых составляет < 100 нм. • Определения не строгие, т. к. разработаны десятки разновидностей методик микро- и нанолитографии, подчас имеющие очень мало общего

Вводная часть. Термины и определения • Размер элементов получаемого литографией изображения зависит от длины волны используемого излучения • В зависимости от длины волны различают следующие виды (типы) нанолитографии: - оптическую, - ультрафиолетовую, - рентгеновскую, - электронно-лучевую - ионно-лучевую - и другие (например, с помощью СЗМ) • Отдельным пунктом в этот ряд можно поставить нанолитографию с помощью сканирующего зондовых микроскопов (СЗМ). • Использование СЗМ также позволяет реализовать ряд нанолитографических операций, как-то, модификацию поверхности, перенос материала зонда на образец и наоборот, что делает возможным создание литографических рисунков с нанометровым разрешением.

Вводная часть. Термины и определения Типы микро- и нанолитографии • • • • Фотолитография Направление EUV литография развитие микро- и Рентгеновская литография нанолитографии Электронная литография Ионно-лучевая литография Лазерно-интерференционная литография Сканирующая зондовая литография (с помощью СТМ и АСМ) Dip-pen и Nano-pen литография Наноимпринт и нанопечатная литография Оптическая нанолитография Литография наносферами Атомная нанолитография «Литографически индуцированная самосборка

Вводная часть. Термины и определения • Таким образом, нанолитография в современном понимании - это технология переноса рисунка с шаблона на конкретную поверхность (полимерную пластину, полупроводниковую подложку и т. д. ) с помощью светового излучения (фотолитография), рентгеновского излучения (рентгенолитография), потока электронов/ионов (электронно-лучевая/ионнолучевая), а также непосредственно методами сканирующей зондовой микроскопии (с помощью СТМ или АСМ). • В последнее десятилетие термин “нанолитография” используется в более широком значении как метод формирования на поверхности подложки не только электронных схем, но и наноструктур (или рисунков с нанометровым разрешением) путем переноса их изображения с помощью маски или штампа, или же непосредственным воздействием на поверхность образца (литография с помощью СТМ или АСМ).

Вводная часть. Термины и определения • В соответствии с последним определением, нанолитография - это создание "правильных" групп атомов и молекул на подложке из обычного вещества. • Нанолитографией в широком смысле слова называют создание любых структур, имеющих размеры порядка нескольких нанометров. • Это шаг к разработке и конструированию первых деталей наномашин, в том числе ассемблера (нанороботов).

Нанолитография Общие понятия и определения • Нанолитография (в микроэлектронике) - способ массового изготовления интегральных микросхем с использованием в литографическом оборудовании источника излучения с длиной волны менее 13, 5 нм и проекционной оптической системы на основе отражающих многослойных зеркал. • Технология нанолитографии в микроэлектронике чаще всего включает в себя следующие этапы: - нанесение фоточувствительной полимерной пленки (фоторезиста) на кремневую пластину; - сушку и последующее облучение (экспонирование) пленочного покрытия пластины с определенным рисунком через соответствующую маску; - проявление (травление) экспо- нированного покрытия в специальном растворе; - формирование на подло жке физической структуры элементов электронной схемы.

Нанолитография Общие понятия и определения • Нанолитография требует осуществление процесса с бóльшим разрешением. • Количественно разрешение по закону Рэлея определяется соотношением Δ = kλ / A где k ≈ 0, 6; λ – длина волны используемого излучения; А – апертура оптики. • Из этого соотношения следует, что улучшать разрешение можно путем уменьшения λ и увеличения А. • Возможности увеличения А ограничены техническими особенностями оптических систем, пригодных для литографии. Реально удается достигать А ≈ 0, 8. • Таким образом, остается один путь – применение источников излучения с меньшей величиной длины волны λ. • В оптическом диапазоне и ултрафиолетовом диапазоне (436 – 126 нм ) этого добиться невозможно. • Из приведенных соображений и вытекает, что нанолитография с размером элементов изображения R< 100 нм требует перехода к более жесткому излучению.

Фотолитография • Современная промышленная микро-/нанолитография использует, главным образом, оптический способ переноса рисунка с шаблона на поверхность подложки, в связи с чем сам процесс часто называют фотолитографией. • Фотолитогра фия (ФЛ) — метод получения рисунка на тонкой плёнке материала, широко используется в микроэлектронике и в полиграфии. Это один из основных приёмов планарной технологии, используемой в производстве полупроводниковых приборов.

Фотолитография • • • Для получения рисунка в ФЛ используется свет определённой длины волны. Минимальный размер деталей рисунка — половина длины волны (определяется дифракционным пределом). Суть ФЛ в следующем. На окисленную поверхность кремния наносится слой фоторезиста (полимерный светочувствительный материал), и затем на него накладывается фотошаблон - стеклянная пластинка с рисунком элементов интегральной схемы Пучок света проходит через фотошаблон, и там, где черного цвета нет, свет попадает на фоторезист и засвечивает его. После этого все те участки фоторезиста, которые не обрабатывались светом, удаляются, а те которые освещались, подвергаются термообработке и химическому травлению. Таким образом, на поверхности окисла кремния образуется рисунок, и пластинка кремния готова, чтобы стать основной частью электронной схемы.

Фотолитография • Еще раз и более подробно об этапах процесса фотолитографии: - На предварительно подготовленную толстую подложку (в микроэлектронике часто используют кремний) наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится фоторезист. - Производится совмещение фотошаблона с фоторезистом и экспонирование световым потоком через фотошаблон (контактным или проекционным методом). - Облучённые участки фоторезиста изменяют свою растворимость и их можно удалить химическим способом (процесс травления). Освобождённые от фоторезиста участки тоже удаляются. - Заключительная стадия — удаление остатков фоторезиста.

Фотолитография Альтернативные способы фотолитографии: • «Взрывной» . (обратная фотолитография) При его использовании слой материала наносится на слой предварительно облучённого и протравленного фоторезиста, после чего остатки фоторезиста удаляются, унося с собой области материала, под которыми он располагался. Используется для изготовления рисунков из материалов, не имеющих травителя, либо если травитель является слишком агрессивным. • «Выжигание» . Необходимые окна в полимерном слое разрушаются воздействием на них мощного светового потока, испаряющего нанесённую на материал плёнку или прожигающего сам материал насквозь. Применяется для изготовления малотиражных офсетных форм и в некоторых системах ризографии. Фотошаблон для интегральной схемы электронных часов. Схема изготовления микросхем с использованием фотолитографии

Фотолитография Резисты • Фоторезист — специальный материал, который изменяет свои физико -химические свойства при облучении светом. • Фоторезист имеет светочувствительный состав, обычно органический • Если после экспонирования становятся растворимыми засвеченные области фоторезиста, то процесс фотолитографии называется негативным. Иначе — позитивным. • Спектр используемого света – Ультрафиолет ~ 350, 400, 435 нм (линии ртутной лампы) • DNQ-novolac, позитивный – Дальний ультрафиолет ~ 157, 193, 248 нм (эксимерные газовые лазеры) • Полигидроксистирен • Рентгенорезисты и электронорезисты – ПММА (PMMA) – полиметилметактрилат – оргстекло, позитивный Эксимерными называют газовые лазеры, работающие на электронных переходах молекул, кратковременно существующих в условиях электрического разряда.

Фотолитография Нанесение резиста • • • Многостадийная очистка подложки – Удаление органических соединений – Удаление металлов – Удаление остатков от растворителей – деионизованная вода – Сушка пластины – нельзя допускать высыхания воды на пластине самой по себе (очистка паром, горячая вода, сушка с обдувом) – Нанесение праймера для улучшения адгезии Резист обычно наносится с помощью центрифугирования – Скорость вращения от 1000 до 10000 об/мин – Скорость вращения, время, количество резиста определяются для каждого типа резиста, требуемой толщины, типа подложки и т. п. Сушка резиста - обычно не более 100 градусов

Фотолитография Фотошаблоны • Фотошаблон — пластина, прозрачная для используемого в данном процессе электромагнитного излучения, с рисунком, выполненным непрозрачным для используемого излучения красителем. • Фотошаблон - плоскопараллельная кварцевая пластина с нанесенным тонким слоем хрома – рисунок – При массовом производстве получают несколько наборов шаблонов – рабочий и мастер-шаблон • Главная проблема - прецизионное совмещение шаблона и подложки – необходимо попасть в нужное место

Литография в области глубокого УФ (EUV-литография) • EUV-литография - (Extreme Ultra Violet) – литография в спектре жесткого ультрафиолета. EUV-литография является обычной оптической литографией, но с использованием излучения с длиной волны 11 - 14 нм и отражательными оптикой и фотошаблонами. • EUV-литография представляет собой усовершенствованный вариант традиционной оптической литографии, которая уже много лет используется в производстве полупроводниковых схем для переноса образов с маски на кремниевую подложку. • От оптической литографии EUV-литография отличается тем, что в ней используется сверхжесткое ультрафиолетовое излучение.

Литография в области глубокого УФ (EUV-литография) • Глубокий ультрафиолет – extreme UV (EUV) – Энергия фотонов ~ 100 э. В – Длина волны 10 -14 нм • В настоящее время в разработке – Требуется вакуум – Вся оптика на основе зеркал, в т. ч. и фотошаблоны – Оценка разрешения – до 0. 1 нм – Переход на EUV - после 2015 г • Аналоги EUV-литографии – Рентгеновская литография • Вместо света – поток рентгеновских лучей • Сложно фокусировать – Электронная литография с шаблоном

Литография в области глубокого УФ (EUV-литография) • EUV-технология приведёт к появлению микропроцессоров в 30 раз быстрее существующих. Процессор в 10 ГГц, например, будет настолько быстрым, что, например, за время, пока человек успевает моргнуть глазом (около 1/5 секунды), он сможет произвести порядка 2 млрд. вычислений. • EUV-литография предназначена для печати на кремниевой подложке элементов размером 0, 07 мкм (70 нм) и менее. Это все равно, что рисовать изображение размером с двухрублевую монету на поверхности Земли с космического корабля, а затем поверх него печатать другую картинку, четко совмещая их между собой. На одном кристалле соли (с ребром 0, 25 мм) разместилось бы около 3600 таких 70 -нанометровых элементов. • Переход к EUV- литографии позволил пересечь 100 нм рубеж, оставаясь в рамках традиционной фотолитографии. Однако сложная зеркальная оптика и технология изготовления фотошаблонов делает такой подход исключительно дорогим, оставляя место для разработки литографических процессов, основанных на иных физических принципах.

Электронная литография • Электронная литография или электронно-лучевая литография — метод литографии с использованием электронного пучка. • Электронно-лучевая литография – метод изготовления субмикронных и наноразмерных топологических элементов посредством экспонирования электрически чувствительных поверхностей электронным лучом. • Метод схож с фотолитографией, но использует электроны вместо фотонов. Поскольку длина волны электрона гораздо меньше, чем у фотона, дифракция не ограничивает разрешение. • Электронный пучок сканирует поверхность электронного резиста, повторяя шаблон, заложенный в управляющий компьютер, и позволяя достигать разрешения 1 нм благодаря более короткой длине волны электронов по сравнению со светом. • Электронная литография используется для создания масокшаблонов для фотолитографии, в производстве штучных компонентов, где требуется нанометровое разрешение, в промышленности и в научной деятельности.

Электронная литография

Схема установки для электронной литографии Схема установки чрезвычайно проста, легко масштабируема и не требует дополнительных модулей (вакуумной системы, высоковольтного источника питания и т. п. ). Тонкая плёнка нитрида кремния позволяет ослабить до приемлемых значений энергии поток β-электронов, а вольфрамовая маска эффективно поглощает электроны в тех местах, где это требуется. Стоит отметить также, что данная система позволяет сразу засвечивать большие площади подложек с фоторезистом, значительно ускоряя данную процедуру (A) Схема установки для SPEL. (B) 3 D моделирование поведения электронов с помощью метода Монте-Карло. (С) Зависимость получаемого разрешения от Z

Электронная литография • Электронная литография с прямой записью, без фотошаблона – Используется для изготовления фотошаблонов для фотолитографии • Сканирование электронным пучком по слою фоторезиста – Можно достичь разрешения в несколько нм – Очень длительный процесс – Неприменимо в производственных условиях для массового производства – Возможность быстро делать прототипы без изготовления фотошаблонов – Есть возможность с помощью электронного пучка исправлять одиночные дефекты масок и литографии • Оборудование – Практически любой сканирующий электронный микроскоп – Специальная оптимизированная установка • Аналогично работает ионно-лучевая литография

Системы для электронной и электронно-лучевой литографии • Системы электронной литографии для коммерческого применения очень дорогостоящие (> $4 млн. ). Для научных исследований обычно используют электронный микроскоп, переделанный в систему электронной литографии, используя относительно дешевые аксессуары (< $100 тыс. ). Такие переделанные системы создают ширину линии ~20 нм с 1990 -х годов, в то время как специализированное оборудование позволят получать разрешение меньше 10 нм вплоть до 1 нм. • Системы электронно-лучевой литографии можно классифицировать по форме луча и согласно стратегии отклонения луча. Старые системы использовали гауссовские пучки и сканирование производилось растровым методом. Более новые системы используют как гауссовские пучки, так и сформированную форму луча, которые могут быть отклонены в различные положения в поле записи (это также называется векторным сканированием).

Оптическая нанолитография. Её виды Оптическая нанолитография использует различные оптические методы. • Двухфотонная литография – Двухфотонные процессы полимеризации позволяют достичь разрешения ~ 200 нм – Вероятность протекания реакции зависит от интенсивности в четвертой степени – Возможна 3 D литография • Ближнепольная литография – Фотохимическое или фотофизическое воздействие с помощью ближнего поля зонда • Ближнепольная литография с помощью фазовой маски • Плазмонная печать – Усиление света с помощью плазмонного резонанса на металлических наночастицах вблизи поверхности • Лазерно-интерференционная литография (ЛИЛ) метод производства с использованием лазеров высокой интенсивности, метод записи структур большой площади с разрешением много выше 5 нм без применения резиста.

Оптическая лазерно-интерференционная нанолитография • В лазерно-интерференционной нанолитографии используется 2 лазера. Первый из них – генерирует непрерывное излучение с длиной волны 1064 мкм и является пучком- ловушкой. • Это излучение проходит через линзу-аксикон и и формируется в пучок бесселевой формы, который затем расщепляется в четыре параллельных пучка при помощи двух интерферометров Маха. Зандера. • Мощность каждого из бесселевых пучков имеет порядок 150 м. Вт и используется для захвата одиночной сферической линзы диаметром 0, 76 мкм. • Рабочий лазер генерирует импульсное излучение на длине волны 355 нм; длина импульсов имеет порядок 15 нс, энергия каждого из импульсов – в пределах 150 н. Дж – 8 мк. Дж. • Пучок проходит через микросферы и попадает на подложку. • Запись изображения производится перемещением подложки относительно оптических ловушек.

Оптическая нанолитография 3 D двухфотонная литография

Атомная нанолитография • Метод изобрели сотрудники Института спектроскопии РАН. • Изображения наносятся с помощью атомной камеры -обскуры с маской из крошечных отверстий, сквозь которые проникает пучок атомов.

Атомная нанолитография • Идея является развитием давно известной идеи камерыобскуры, которая позволяет создавать оптические изображения с помощью маленького отверстия в экране. • Предмет, находящийся на некотором расстоянии от экрана, создает свое изображение в затемненной камере благодаря наличию небольшого отверстия в стенке камеры. Изображение формируется на задней стенке камеры без применения какой-либо дополнительной оптики вроде привычных стеклянных линз. Разрешение определяется размером отверстия и расстоянием между отверстием и задней стенкой.

Атомная нанолитография • Если вместо света использовать пучок нейтральных атомов, то можно создать изображение рисунка маски, которое формируется при конденсации нейтральных атомов на поверхности. • Изображение нанометровых размеров формируется, если размер отверстия лежит в нанометровом диапазоне, а расстояние между отверстием и поверхностью — в микрометровом диапазоне. • В левой части рисунка показаны наноотверстия в мембране. Справа — полученные наноструктуры. Ниже пример полученной структуры

Наноимпринт литография • Современная литография по мере совершенствования и развития становится все более и более дорогой – Разрабатываются альтернативные литографические методы • Импринт литография – Самый старый тип литографии – Реализовано семейство новых микро- и нанолитографических методов • Наноимпринт литография (NIL) – Термическая наноимпринт литография – Фотонаноимпринт литография – Мягкая (soft) литография • Наноимпринт литография позволяет получать разрешение ~ 10 нм

Наноимпринт литография • С 1990 -х годов наноимпринтная литография (НИЛ) возникла и развивалась как один из • наиболее универсальных методов для формирования наноразмерных структур, размеры которых лежат в диапазоне от 10 нм до единиц мкм. • Сегодня НИЛ является одной из технологий, на которые делают ставку разработчики микросхем. • Для реализации НИЛ на подложке необходимы три основных компонента: штамп с соответствующими деталями, материал, на котором изготавливают отпечаток (в качестве которого обычно используют полимерный резист), оборудование для печати с соответствующим контролем температуры, давления и относительного расположения штампа и подложки.

Наноимпринт литография • Наноимпринт литография (Nano. Imprint Lithography - NIL) и ее вариации базируются на принципе механического модифицирования полимерной пленки при помощи стемпера (наношаблона), с последующей термомеханической обработкой (горячее тиснение) либо обработкой ультрафиолетом. • Полученная пленка может быть использована как непосредственно конечная структура, так и для последующих шагов как наношаблон, для взрывной литографии (lift-off), как шаблон для формирования 3 D-структур. • В процессе термического импринта, штамп вдавливают под высоким давлением и при высокой температуре в слой полимера, который в данный момент процесса находится в жидком состоянии. При остывании полимер фиксирует необходимую форму, после чего штамп удаляют.

Наноимпринт литография • Термическая наноимпринт литография – На поверхность подложки наносится термопластичный полимер – Форма с нужным рельефом на поверхности вдавливается в полимер при нагреве до температуры перехода полимера – После охлаждения форму убирают – Травление полученной структуры для переноса структуры на подложку – Аналогичный метод с разогревом лазером • Фотонаноимпринт литография – Используется фоторезист – Форма делается прозрачной – При надавливании происходит засветка УФ светом для полимеризации резиста

Наноимпринт литография • Электрохимическая наномипринт литография – Перенос металла на подложку электрохимическим способом • Мягкая (Soft) литография – микроконтактная печать по след этапам: - Изготавливается форма из эластмерного материала (например, полидиметилсилоксан PDMS) по шаблону - Наносится монослой «чернил» на форму (например, октадекантиол ODT в растворе этаноле) - ODT осаждается на форме (самосборка) - Форма придавливается к подложке (с напыленным тонким слоем золота) - Рисунок переносится на подложку травлением

Репликация наноструктур

Отличия наноимпринт литографии • Достоинства – Очень простая технология, не требующая сложного оборудования – Хорошее разрешение – 3 D технология при многостадийном процессе – Можно использовать разнообразные материалы, т. к. свойства не критичны – Дешевая технология • Недостатки – Возможно перекрытия наноструктурных элементов – Возможно образование дефектов в наноструктурах – Трудности создания шаблона (формы), который пока получают электронной литографией или ионным пучком – Нужно удалять остаточный слой – Возможность сдвигов и искажения при впечатывании

Нанопечатная литография • Нанопечатная литография предназначенна для переноса изображения наноструктуры или электронной схемы на подложку с покрытием и включающая деформацию покрытия штампом с последующим травлением деформированного покрытия и формированием на подложке наноструктуры или элементов электронной схемы. • В методе нанопечатной литографии изображение образуется в основном за счёт физической деформации резиста прессформой (штампом), а не за счёт модификации химической структуры резиста облучением, как в обычной литографии. • Это принципиальное различие освобождает НПЛ от многих проблем, связанных со стандартными методами литографии (диффузионный предел, рассеяние и химические процессы). • В результате с помощью НПЛ можно недорого и с высоким выходом получать структуры размером менее 10 нм на больших площадях, что недоступно для всех существующих методов литографии.

Литография наносферами • Литография наносферами (ЛН) - метод нанопроизводства, при котором маленькие сферы наноскопических размеров используются для формирования узора на поверхности, который затем применяется как маска для блокирования некоторых областей поверхности в ходе последующего осаждения наноматериала из газообразной фазы. • Суть ЛН заключается в формировании массивов упорядоченных наночастиц при помощи структур, образованных значительно более крупными коллоидными частицами, которые упорядочить гораздо проще. • ЛН привлекает возможностью наносить на подложку несколько слоев наночастиц, то есть создавать трехмерные нанообъекты. • Методика наносферной литографии: - сначала происходит нанесение упорядоченного плотноупакованного монослоя или бислоя наносфер. - затем происходит нанесение маски металла посредством напыления металла сквозь маску из микросфер. - в конце происходит анизотропное травление подложки через получившуюся металлическую маску.

Литография наносферами

Литография наносферами • На первом этапе близкие по размерам сферические коллоидные частицы (их средний размер может составлять от 200 нм до 1 мкм) «упаковывают» на требуемой подложке – как правило, на атомно-гладкой поверхности монокристаллического кремния – в виде плотноупакованного монослоя. Несмотря на то, что коллоидные сферы плотно прижаты одна к другой, монослой содержит систему эквидистантных пустот треугольных формы. • На втором этапе на монослой напыляют тонкий слой требуемого вещества, как правило, толщиной < 100 нм, которые не проникает в области, «затененные» коллоидными частицами, и достигает подложки только в открытых местах. В результате этой процедуры на подложке возникает система упорядоченных наночастиц требуемого вещества, разделенных коллоидными сферами. • На последнем этапе коллоидные частицы удаляют путем растворения в соответствующем растворителе.

Литографически индуцированная самосборка • Литографически индуцированная самосборка (ЛИС) это нанотехнологический процесс, реализованный по принципу «снизу-вверх» , заключающийся в самоорганизованном формировании на поверхности некоторых полимеров квазирегулярной топографической структуры в тонких зазорах между поверхностью полимера и литографически изготовленным топографическим шаблоном

Литографически индуцированная самосборка • В методе ЛИС наноструктур маска используется для запуска и регулирования процессов самосборки периодической надмолекулярной матрицы столбиков, формирующего из полимерного расплава, который первоначально образует тонкий плоский слой на подложке. • Маска располагается над слоем полимера с небольшим зазором, а столбики полимера в процессе роста поднимаются в зазор, преодолевая действие сил тяжести и поверхностного натяжения. • Границы области роста точно соответствуют контуру рельефа поверхности маски.

Литографически индуцированная самосборка • Предполагается, что процесс ЛИС наноструктур вызывается электростатическими силами и электродинамической нестабильностью. • Метод ЛИС позволяет управлять ориентацией и положением получаемых самосборкой полимерных структур и получать при сборке более мелкие детали, чем детали рельефа поверхности маски. • Метод открывает возможности изготовления изополимеров непосредственно по образцу электронных и оптоэлектронных устройств, без применения дорогостоящих фотолитографических процессов.

Нанолитография с помощью СЗМ • • Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) можно использовать в качестве инструмента для модификации поверхности образца. В области локального контакта зонда с образцом могут возникать достаточно большие силы, напряженности электрического поля и плотности электрических токов. Раздельное или совместное действие этих факторов может приводить к заметной локальной модификации поверхности образца и зонда. То есть, повышая уровень взаимодействия между зондом и образцом, можно перевести СЗМ из измерительного режима работы с нулевым или минимальным уровнем разрушения исследуемой поверхности, в литографический режим, обеспечивающий создание на поверхности образца заранее заданных структур с нанометровым уровнем пространственного разрешения. Различают след. виды сканирующей зондовой литографии: - СТМ литография; - АСМ анодно-окислительная литография; - АСМ силовая литография (наногравировка и наночеканка); - Другие специфические виды (электростатическая зарядовая литография, литография с помощью зонда ближнепольного оптического микроскопа и др. ).

Нанолитография с помощью СЗМ. • • СТМ литография С помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) можно производить ряд нанолитографических операций: модификацию поверхности, перенос материала зонда на образец и наоборот, перенос материала образца на зонд. Если эти операции могут производиться управляемым и предсказуемым образом, то это открывает ряд широких возможностей: создание запоминающих сред, технологию создания литографических рисунков с нанометровым разрешением, манипулирование молекулами и отдельными атомами, наносборку миниатюрных устройств. Наиболее простой способ модификации поверхности с помощью СТМ заключается в непосредственном контактном воздействии СТМ зонда на поверхность. Это приводит к появлению ямки на поверхности образца, но при этом может повреждаться зонд СТМ. Более щадящий способ воздействия на поверхность заключается в подаче на образец токового импульса. Поверхность образца под зонд при этом может расплавляться и даже частично испаряться.

Нанолитография с помощью АСМ Основные виды и способы • Электрическая нанолитография (ЭН). осуществляется с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Она может быть либо контактной (непосредственное воздействие), либо токовой. • Силовая литография (гравировка) основана на непосредственном механическом воздействии остроконечного зонда на поверхность подложки. • Силовая контактно-прерывистая литография как бы объединяет в себе оба предыдущих вида. Этот способ также называют наночеканкой. Для ее проведения необходимо, чтобы образец был мягче рабочей поверхности зонда. • Термохимическая нанолитография основана на использовании нагретой кремниевой иглы атомно-силового микроскопа.

Нанолитография с помощью СЗМ АСМ анодно-окислительная литография • АСМ анодно-окислительная литография является вариантом АСМ электрической литографии. С помощью электрической литографии можно изменять не только геометрические характеристики поверхности, но и ее локальные электрофизические свойства. • Например, приложение электрического смещения к проводящему кантилеверу стимулирует протекание электрохимических процессов на поверхности непосредственно под образцом, при этом может происходить окисление металлических слоев • В частности индуцированный зондом процесс окисления сверх тонкого слоя титана на поверхности кремния представлен на рисунке на следующем слайде.

Нанолитография с помощью СЗМ АСМ анодно-окислительная литография • В условиях окружающего воздуха или другой влажной среды поверхности образца и зонда покрыты слоем адсорбированной воды. • Когда зонд приближается к поверхности достаточно близко, эти слои приходят в контакт, и под действием капиллярных сил образуется водяной мостик. • При приложении соответствующей разности потенциалов на границе вода-поверхность, в воде и на зонде инициируется электрохимическая реакция. Если поверхность заряжена положительно, то зонд и поверхность вступают в электрохимическое взаимодействие как катод и анод соответственно. Окисел начинает расти в точке поверхности строго под зондом.

Нанолитография с помощью АСМ статическая литография - гравировка • АСМ литография-гравировка осуществляется статическим воздействием зонда на поверхность подложки. • При её осуществлении с использованием методики обычной контактной силовой микроскопии зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с достаточно большой силой прижима, так что на подложке (или на лежащем на ней слое резиста) формируется рисунок в виде углублений (царапин). • Главный недостаток способа – быстрое разрушение зонда • Недостатком способа является также то, что при формировании наноканавки статическим воздействием зонда случайные торсионные изгибы кантилевера приводят к краевым неоднородностям рисунка.

Нанолитография с помощью АСМ динамическая литография – наночеканка • При осуществлении наночеканки воздействие на поверхность подложки происходит за счет формирования углублений колеблющимся зондом, при этом используется прерывисто-контактный метод сканирования. • Такой метод нанолитографии свободен от торсионных искажений и позволяет производить визуализацию сформированного рисунка без серьезного воздействия на поверхность подложки или резиста. • Кратковременное «укалывание» поверхности также защищает зонд от быстрого разрушения.

Нанолитография с помощью АСМ Термохимическая нанолитография • Термохимическая нанолитография (ТХНЛ) - нагретая кремниевая игла атомно-силового микроскопа движется по специальной тонкой полимерной пленке. Под воздействием тепла на поверхности пленки начинается химическая реакция, в ходе которой соответствующие участки пленки изменяют свои химические свойства и приобретают способность присоединяться к другим молекулам. • Основной идеей ТХНЛ являются химические особенности пленки и использование горячей иглы (температура острия может превышать тысячу градусов Цельсия, иглу можно нагревать и охлаждать около миллиона раз в секунду). За счет того, что реакция на пленке запускается сама, удается избежать необходимости переносить вещества с иглы на пленку, как это делается в большинстве других методов.

Нанолитография с помощью АСМ Термохимическая нанолитография • ТХНЛ позволяет работать на скорости несколько миллиметров в секунду, в то время как другие современные методы - лишь на скорости около одной десятитысячной миллиметра в секунду. • Кроме того, ТХНЛ может применяться на воздухе, во влажной среде, без присутствия сильного электрического поля, как другие методы. Минимальные размеры, с которыми можно работать, используя ТХНЛ, - около 12 нанометров. • Исследователи из Университета Иллинойса ранее разработали чудозонд, с помощью которого стал возможен метод TCNL. Зонд разогревается до температуры выше 1000 °С, при этом он так же быстро остывает. Количество циклов нагревания/остывания может доходить до одного миллиона раз в секунду. Как говорят ученые, это самый маленький в мире управляемый источник тепла. Логотип Технического Института Джорджии, написанный с помощью TCNL

Dip-Pen нанолитография • Dip-Pen нанолитография (перьевая нанолитография или литография глубокого пера) - нанесение химического состава на подложку с помощью зонда. • В DPN нанолитографии зонд микроскопа покрыт жидкими чернилами, которые при контакте пера атомно-силового микроскопа с поверхностью образуют заданные наноструктуры. • Перьевая нанолитография - метод производства с использованием щупа сканирующего зонда в качестве перьевой авторучки для изображения наноструктур на поверхностях с использованием в качестве чернил произвольных молекулярных структур. • С помощью DPN можно нанести структуры размерами менее 10 нанометров, в то время как обычная оптическая нанолитография, использующаяся в полупроводниковой промышленности, не может пока обеспечить такой точности.

Dip-Pen нанолитография • Для типографских технологий одного пера недостаточно, поэтому ученые скомбинировали около тысячи независимо управляемых перьев. • Благодаря такому подходу, нанолитография глубокого пера стала универсальным инструментом для производства полупроводниковых компонентов со сложной структурой.

Dip-Pen нанолитография • Нанолитографиия глубокого пера (Dip-Pen Nanolithography - DPN) позволяет делать <массовые> оттиски, как если бы наносистемы печатались на типографском станке. • Разработана установка, позволяющую производить в наноразмерном диапазоне одновременно до 55 тыс. наноструктур с атомарной точностью и одинаковым молекулярным шаблоном на поверхности, для чего ученые скомбинировали около тысячи независимо управляемых перьев.

Nano. Pen литография • Основным недостатком Dip-Pen нанолитография является невозможность или сложность динамического нанесения наноструктур. • Метод нанесения наноструктур в режиме реального времени предложил коллектив ученых из калифорнийского университета Беркли, назвав его Nano. Pen литография. • Предложенное ими устройство состоит из двух катодов, изготовленных из ITO (оксид индия, легированный оловом), с заключенным между ними жидкостным слоем, содержащим наносимые наночастицы, к которым приложено (переменное) напряжение. На нижний электрод нанесен слой гидрогенизированного аморфного кремния • Принцип работы данного устройства следующий: пучок подаваемого излучения создает пару электрон-дырка в слое аморфного кремния, что приводит к локальному возрастанию проводимости. Это приводит к образованию неоднородного поля в жидкостном слое, которое, в свою очередь, взаимодействует с наночастицами , втягивая или выталкивая их из области с повышенной напряженностью электрического поля. Это так называемая диэлектрофоретическая сила.

Nano. Pen литография • Существует еще 2 силы, которые определяют процессы, протекающие в данном устройстве: индуцированная излучением переменнотоковая электроосмотическая сила (LACE) и электротермальная сила (ET). В результате можно выделить две силы: первая сила собирает частицы на значительном удалении вместе (LACE+ET), а вторая сила наносит их на поверхность кремниевого слоя (в основном DEP). • Nano. Pen литография открывает путь к быстрому и удобному способу упорядочивания структур из наночастиц – от проводников до цепей – для создания будущих электронных устройств, медицинских диагностических тестов и других приложений. • Отличительной чертой описанного выше метода является возможность применения маломощного источника излучения. В подтверждение своих слов авторы нанесли логотипы из наночастиц золота, используя обыкновенный проектор

Спасибо за внимание