La litografía de nanoimpresión ( NIL ) es un método para fabricar patrones a escala nanométrica. Es un proceso de nanolitografía simple con bajo costo, alto rendimiento y alta resolución. Crea patrones por deformación mecánica de impronta resistir y procesos subsecuentes. La capa protectora de impresión es típicamente una formulación de monómero o polímero que se cura mediante calor o luz UV durante la impresión. La adhesión entre la resistencia y la plantilla se controla para permitir una liberación adecuada.
Historia
El término "litografía de nanoimpresión" fue acuñado en la literatura científica en 1996, cuando el profesor Stephen Chou y sus estudiantes publicaron un informe en Science , [1] aunque el estampado en caliente (ahora tomado como sinónimo de NIL) de termoplásticos había estado apareciendo en la literatura de patentes desde hace algunos años. Poco después del artículo de Science , muchos investigadores desarrollaron diferentes variaciones e implementaciones. En este punto, la litografía por nanoimpresión se ha agregado a la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores (ITRS) para los nodos de 32 y 22 nm.
Procesos
Hay muchos tipos diferentes de litografía por nanoimpresión, pero tres de ellos son los más importantes: litografía por nanoimpresión termoplástica, litografía por nanoimpresión fotográfica y litografía por nanoimpresión térmica directa sin resistencia.
Litografía de nanoimpresión termoplástica
La litografía de nanoimpresión termoplástica (T-NIL) es la primera litografía de nanoimpresión desarrollada por el grupo del profesor Stephen Chou. En un proceso de T-NIL estándar, una capa delgada de huella resistir (polímero termoplástico) es como revestimiento por centrifugación sobre el sustrato de la muestra. Luego, el molde, que tiene patrones topológicos predefinidos, se pone en contacto con la muestra y se presionan juntos bajo cierta presión. Cuando se calienta por encima de la temperatura de transición vítrea del polímero, el patrón en el molde se presiona en la película de polímero ablandado. [1] Después de enfriarse, el molde se separa de la muestra y la capa protectora de patrón se deja en el sustrato. Se puede utilizar un proceso de transferencia de patrones ( grabado con iones reactivos , normalmente) para transferir el patrón en la capa protectora al sustrato inferior. [1]
Alternativamente, la soldadura en frío entre dos superficies metálicas también podría transferir metal nanoestructurado de baja dimensión sin calentamiento (especialmente para tamaños críticos de menos de ~ 10 nm). [2] [3] Se pueden fabricar estructuras tridimensionales repitiendo este procedimiento. El enfoque de soldadura en frío tiene la ventaja de reducir la contaminación o el defecto de contacto de la superficie debido a que no hay proceso de calentamiento, que es un problema principal en el último desarrollo y fabricación de dispositivos electrónicos orgánicos, así como en nuevas células solares. [4]
Litografía de nanoimpresión fotográfica
En la litografía de nanoimpresión fotográfica (P-NIL), se aplica una capa protectora líquida curable por foto (UV) al sustrato de la muestra y el molde normalmente está hecho de material transparente como sílice fundida o PDMS . Después de que el molde y el sustrato se presionan juntos, la capa protectora se cura con luz ultravioleta y se solidifica. Después de la separación del molde, se puede utilizar un proceso de transferencia de patrón similar para transferir el patrón en la capa protectora al material de debajo. El uso de un molde transparente a los rayos UV es difícil en el vacío, porque no sería posible un mandril de vacío para sujetar el molde.
Litografía de nanoimpresión térmica directa sin resistencias
A diferencia de los métodos de nanoimpresión mencionados anteriormente, la nanoimpresión térmica directa sin resistencias no requiere un paso de grabado adicional para transferir patrones de las resistencias de impresión a la capa del dispositivo.
En un proceso típico, los patrones de fotorresistencia se definen primero usando fotolitografía. Un sello de elastómero de polidimetilsiloxano ( PDMS ) se moldea posteriormente por réplica a partir de los patrones de resistencia. Además, una nanoimpresión de un solo paso moldea directamente materiales de película delgada en geometrías de dispositivo deseadas bajo presión a temperaturas elevadas. Los materiales impresos deben tener características de ablandamiento adecuadas para rellenar el patrón. Los semiconductores amorfos (por ejemplo, vidrio calcogenuro [5] [6] ) que muestran un alto índice de refracción y una amplia ventana transparente son materiales ideales para la impresión de dispositivos ópticos / fotónicos.
Este enfoque de creación de patrones de impresión directa ofrece una alternativa de integración monolítica con rendimiento y rendimiento potencialmente mejorados, y también puede permitir el procesamiento rollo a rollo de dispositivos sobre grandes áreas de sustrato inaccesibles mediante métodos convencionales de creación de patrones litográficos. [7]
Esquemas
Nanoimpresión de oblea completa
En un esquema completo de nanoimpresión de obleas, todos los patrones están contenidos en un solo campo de nanoimpresión y se transferirán en un solo paso de impresión. Esto permite un alto rendimiento y uniformidad. Es posible una nanoimpresión de oblea completa de al menos 8 pulgadas (203 mm) de diámetro con alta fidelidad.
Para garantizar la uniformidad de la presión y el patrón de los procesos completos de nanoimpresión de obleas y prolongar la vida útil del molde, sus inventores han desarrollado un método de prensado que utiliza presión de fluido isotrópico, denominado Air Cushion Press (ACP) [8] , que está siendo utilizado por sistemas comerciales de nanoimpresión. Alternativamente, se ha demostrado que las tecnologías roll on (p. Ej. Rollo a placa) en combinación con estampadores flexibles (p. Ej., PDMS) logran una impresión completa de obleas. [9]
Paso y repetición de nanoimpresión
La nanoimpresión se puede realizar de forma similar al paso y repetición de la litografía óptica. El campo de impresión (troquel) suele ser mucho más pequeño que el campo de nanoimpresión de oblea completo. La matriz se imprime repetidamente en el sustrato con cierto tamaño de paso. Este esquema es bueno para la creación de moldes de nanoimpresión.
Aplicaciones
La litografía de nanoimpresión se ha utilizado para fabricar dispositivos para aplicaciones eléctricas, ópticas, fotónicas y biológicas. Para dispositivos electrónicos, NIL se ha utilizado para fabricar MOSFET , O-TFT , memoria de un solo electrón. Para óptica y fotónica, se han realizado estudios intensivos en la fabricación de filtros de rejilla resonantes de sublongitud de onda, sensor de espectroscopía Raman mejorada en la superficie (SERS), [10] polarizadores , placa de ondas , estructuras antirreflectantes, circuito fotónico integrado y dispositivos plasmónicos de NIL. En el contexto de los dispositivos optoelectrónicos como los LED y las células solares , se está investigando el NIL en busca de estructuras de acoplamiento y desacoplamiento. [9] Se habían fabricado canales de nanofluidos de menos de 10 nm utilizando NIL y se habían utilizado en un experimento de estiramiento del ADN. Actualmente, NIL se utiliza para reducir el tamaño del dispositivo de clasificación biomolecular en un orden de magnitud más pequeño y más eficiente.
Beneficios
Un beneficio clave de la litografía por nanoimpresión es su gran simplicidad. El mayor costo asociado con la fabricación de chips es la herramienta de litografía óptica utilizada para imprimir los patrones del circuito. La litografía óptica requiere láseres excimer de alta potencia e inmensas pilas de elementos de lentes de tierra de precisión para lograr una resolución de escala nanométrica. No se necesitan ópticas complejas o fuentes de radiación de alta energía con una herramienta de nanoimpresión. No hay necesidad de fotorresistencias finamente diseñadas para la resolución y la sensibilidad en una longitud de onda determinada. Los requisitos simplificados de la tecnología conducen a su bajo costo.
Los moldes maestros de silicona se pueden utilizar hasta unos pocos miles de impresiones, mientras que los moldes de níquel pueden durar hasta diez de mil ciclos.
La litografía de impresión es inherentemente un proceso de modelado tridimensional. Los moldes de impresión se pueden fabricar con múltiples capas de topografía apiladas verticalmente. Las impresiones resultantes replican ambas capas con un solo paso de impresión, lo que permite a los fabricantes de chips reducir los costos de fabricación de chips y mejorar el rendimiento del producto. Como se mencionó anteriormente, no es necesario ajustar con precisión el material de impresión para obtener una alta resolución y sensibilidad. Se encuentra disponible una gama más amplia de materiales con diferentes propiedades para su uso con litografía impresa. La mayor variabilidad del material brinda a los químicos la libertad de diseñar nuevos materiales funcionales en lugar de polímeros resistentes al grabado de sacrificio. [11] Un material funcional puede imprimirse directamente para formar una capa en un chip sin necesidad de transferir el patrón a los materiales subyacentes. La implementación exitosa de un material de impresión funcional daría como resultado reducciones significativas de costos y un mayor rendimiento al eliminar muchos pasos difíciles de procesamiento de fabricación de chips. [12]
Preocupaciones
Las preocupaciones clave de la litografía por nanoimpresión son la superposición, los defectos, el patrón de la plantilla y el desgaste de la plantilla. Sin embargo, recientemente Kumar et al. han demostrado que los metales amorfos (vidrios metálicos) se pueden modelar en una escala inferior a 100 nm, lo que puede reducir significativamente el costo de la plantilla. [13]
Cubrir
La capacidad actual de superposición de 3 sigma es de 10 nm . [14] La superposición tiene más posibilidades con los enfoques de paso y escaneo en lugar de la impresión de oblea completa.
Defectos
Al igual que con la litografía por inmersión , se espera que el control de defectos mejore a medida que madura la tecnología. Se pueden eliminar los defectos de la plantilla con un tamaño por debajo del sesgo del proceso posterior a la impresión. Otros defectos requerirían una limpieza eficaz de la plantilla y / o el uso de sellos de polímero intermedios. Cuando no se usa vacío durante el proceso de impresión, el aire puede quedar atrapado, lo que resulta en defectos de burbujas. [15] Esto se debe a que la capa de resistencia a la impresión y las características de la plantilla o del sello no son perfectamente planas. Existe un riesgo elevado cuando el sello intermedio o maestro contiene depresiones (que son trampas de aire especialmente fáciles), o cuando el protector de impresión se dispensa como gotas justo antes de la impresión, en lugar de pre-hilado sobre el sustrato. Debe dejarse suficiente tiempo para que escape el aire. [16] Estos efectos son mucho menos críticos si se utilizan materiales de estampación flexibles, por ejemplo, PDMS. [9] Otro problema es la adhesión entre estampar y resistir. La alta adherencia (pegado) puede deslaminar la resistencia, que luego permanece en el sello. Este efecto degrada el patrón, reduce el rendimiento y daña el sello. Puede mitigarse empleando una capa antiestática FDTS en un sello.
Patrones de plantillas
El modelado de plantillas de alta resolución se puede realizar actualmente mediante litografía por haz de electrones o modelado por haz de iones enfocado ; sin embargo, con la resolución más pequeña, el rendimiento es muy lento. Como resultado, las herramientas de creación de patrones ópticos serán más útiles si tienen suficiente resolución. Este enfoque ha sido demostrado con éxito por Greener et al. mediante el cual se fabricaron rápidamente plantillas robustas mediante el modelado óptico de un sustrato metálico revestido con fotorresistencia a través de una fotomáscara . [17] Si se requieren patrones homogéneos en áreas grandes, la litografía de interferencia es una técnica de patrones muy atractiva. [18] [19] También se pueden utilizar otras técnicas de creación de patrones (incluso la creación de patrones dobles ). Kumar y Schroers en Yale desarrollaron el nanopatrón de metales amorfos que se pueden usar como plantillas económicas para nanoimpresión. Actualmente, la litografía de nanoimpresión de última generación se puede utilizar para patrones de hasta 20 nm y menos. [20]
Desgaste de la plantilla
El uso de una presión sustancial no solo para entrar en contacto sino también para penetrar una capa durante la impresión acelera el desgaste de las plantillas de impresión en comparación con otros tipos de máscaras litográficas. El desgaste de la plantilla se reduce con el uso adecuado de un revestimiento monocapa antiadherente FDTS en un sello. Un método basado en AFM muy eficiente y preciso para caracterizar la degradación de sellos PDMS permite optimizar materiales y procesos para minimizar el desgaste. [21]
Otro
Las aplicaciones futuras de la litografía por nanoimpresión pueden implicar el uso de materiales porosos de baja κ . Estos materiales no son rígidos y, como parte del sustrato, se dañan mecánicamente fácilmente por la presión del proceso de impresión.
Eliminación de capas residuales
Una característica clave de la litografía por nanoimpresión (a excepción de la nanoimpresión electroquímica) es la capa residual que sigue al proceso de impresión. Es preferible tener capas residuales lo suficientemente gruesas para soportar la alineación y el rendimiento y defectos bajos. [22] Sin embargo, esto hace que el paso de la litografía de nanoimpresión sea menos crítico para el control de la dimensión crítica (CD) que el paso de grabado utilizado para eliminar la capa residual. Por lo tanto, es importante considerar la eliminación de la capa residual como una parte integrada del proceso general de creación de patrones de nanoimpresión. [23] [24] En cierto sentido, el grabado de la capa residual es similar al proceso de revelado en la litografía convencional. Se ha propuesto combinar las técnicas de fotolitografía y litografía por nanoimpresión en un solo paso para eliminar la capa residual. [25]
Efectos de proximidad
La litografía de nanoimpresión se basa en el desplazamiento del polímero. Esto podría dar lugar a efectos sistemáticos a largas distancias. Por ejemplo, una serie grande y densa de protuberancias desplazará significativamente más polímero que una protuberancia aislada. Dependiendo de la distancia de esta protuberancia aislada de la matriz, es posible que la característica aislada no se imprima correctamente debido al desplazamiento y engrosamiento del polímero. Se pueden formar agujeros de resistencia entre grupos de protuberancias. [26] Del mismo modo, las depresiones más anchas en la plantilla no se llenan con tanto polímero como las depresiones más estrechas, lo que da como resultado líneas anchas deformes. Además, una depresión en el borde de una matriz grande se llena mucho antes que una ubicada en el centro de la matriz, lo que genera problemas de uniformidad dentro de la matriz.
Patrones 3D
Un beneficio único de la litografía por nanoimpresión es la capacidad de modelar estructuras 3D, como interconexiones damasquinadas y puertas en T, en menos pasos que los requeridos para la litografía convencional. Esto se logra construyendo la forma de T en la protuberancia de la plantilla. [27] De manera similar, la litografía por nanoimpresión se puede utilizar para replicar estructuras 3D creadas con Focused Ion Beam . Aunque el área que se puede modelar con Focused Ion Beam es limitada, se puede usar, por ejemplo, para imprimir estructuras en el borde de fibras ópticas. [28]
Nanoestructuración de alta relación de aspecto
Las superficies de alta relación de aspecto y nanoestructuradas jerárquicamente pueden ser engorrosas de fabricar y sufrir colapso estructural. Usando UV-NIL de polímero tiol-eno-epoxi fuera de estequiométrico es posible fabricar nanoestructuras robustas, de gran área y de alta relación de aspecto, así como estructuras complejas jerárquicamente estratificadas con colapso y defectos limitados. [29]
Aproximaciones alternativas
Nanoimpresión electroquímica
La nanoimpresión electroquímica se puede lograr utilizando un sello hecho de un conductor superiónico como el sulfuro de plata . [30] Cuando el sello entra en contacto con metal, se puede realizar un grabado electroquímico con un voltaje aplicado. La reacción electroquímica genera iones metálicos que se mueven desde la película original al sello. Finalmente, se elimina todo el metal y el patrón de sello complementario se transfiere al metal restante.
Impresión directa asistida por láser
La impresión directa asistida por láser (LADI) [31] es una técnica rápida para modelar nanoestructuras en sustratos sólidos y no requiere grabado. Un pulso de láser excimer único o múltiple funde una capa superficial delgada de material de sustrato y se graba en relieve un molde en la capa líquida resultante. Una variedad de estructuras con una resolución mejor que 10 nm se han impreso en silicio usando LADI, y el tiempo de estampado es menor de 250 ns. La alta resolución y velocidad de LADI, atribuida a la baja viscosidad del silicio fundido (un tercio de la del agua), podría abrir una variedad de aplicaciones y extenderse a otros materiales y técnicas de procesamiento.
Nanoimpresión ultrarrápida
La litografía ultrarrápida de nanoimpresión [32] o Pulsed-NIL es una técnica basada en el uso de sellos con una capa calefactora integrada debajo de la superficie nanopatterned. La inyección de un pulso de corriente único, corto (<100 μs) e intenso en la capa de calentamiento hace que la temperatura de la superficie del sello aumente repentinamente en varios cientos de grados ° C. Esto da como resultado la fusión de la película protectora termoplástica presionada contra ella y la rápida indentación de las nanoestructuras. Además del alto rendimiento, este proceso rápido tiene otras ventajas, a saber, el hecho de que se puede escalar directamente a grandes superficies y reduce la energía gastada en el ciclo térmico con respecto al NIL térmico estándar. Este enfoque lo aplica actualmente ThunderNIL srl. [33]
Nanoimpresión de rodillo
Los procesos de rodillo son muy adecuados para sustratos grandes (oblea completa) y producción a gran escala, ya que pueden implementarse en líneas de producción. Si se usa con un estampador suave, el proceso (tanto de impresión como de desmoldeo) puede ser extremadamente suave y tolerante a la rugosidad o defectos de la superficie. Por lo tanto, es posible el procesamiento incluso de sustratos extremadamente delgados y quebradizos. Mediante este proceso se han demostrado impresiones de obleas de silicio de hasta 50 µm de espesor. [9] Para UV-Roller-NIL sobre sustratos opacos, la luz UV debe destellar a través del estampador flexible, por ejemplo, integrando LED UV en un tambor de vidrio de cuarzo.
El futuro de la nanoimpresión
La litografía de nanoimpresión es un proceso de transferencia de patrones simple que no está limitado por difracción ni efectos de dispersión ni electrones secundarios, y no requiere ninguna química de radiación sofisticada. También es una técnica potencialmente sencilla y económica. Sin embargo, una barrera persistente para los patrones a escala nanométrica es la dependencia actual de otras técnicas de litografía para generar la plantilla. Es posible que las estructuras autoensambladas proporcionen la solución definitiva para plantillas de patrones periódicos a escalas de 10 nm y menos. [34] También es posible resolver el problema de generación de plantillas utilizando una plantilla programable [35] en un esquema basado en patrones dobles .
En octubre de 2007, Toshiba es la única empresa que ha validado la litografía de nanoimpresión para 22 nm y más. [36] Lo que es más significativo es que la litografía por nanoimpresión es la primera litografía por debajo de 30 nm validada por un usuario industrial.
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enlaces externos
- Noticias de la BBC
- Patrones de áreas grandes mediante interferencia y litografía de nanoimpresión