Vino si tu pe pagina de Facebook pentru o stire de stiinta, explicata simplu, in fiecare zi!
Pagina de Facebook!
În fiecare zi, o nouă fotografie din universul nostru fascinant împreună cu o explicaţie scrisă de către un astronom profesionist: Astronomy Picture Of the Day
   
Fizica Povestita

I
Fizica Povestita

Nanolitografia sau arta miniaturizarii!

Autor: Daniel Tutuc

Incepand cu ultima jumatate a secolului XX, am vazut un progres fara precedent in stiinta si o cursa continua in procesul miniaturizarii dispozitivelor electronice. In 1965 co-fondatorul Intel, Gordon Moore, prezicea dublarea numarului de tranzistori dintr-un cip o data la doi ani. Aceasta tendinta a fost urmata foarte precis pana in prezent si nu e asteptat sa se opreasca pentru inca un deceniu sau poate mai mult. Insa, care sunt metodele folosite pentru realizarea acestor dispozitive la scara nanometrica? In acest articol mi-am propus sa trec in revista principalele metode litografice folosite in ziua de azi in industrie si in laboratoarele de cercetare.

Litografie optica

Majoritatea dispozitivelor electronice produse in ziua de azi pentru a fi comercializate sunt facute prin litografie optica sau fotolitografie. Aceasta este cea mai ieftina metoda pentru a produce circuite miniaturale la scara industriala. Principiul litografiei optice consta in indepartarea selectiva a unor parti dintr-un film de polimer fotosensibil pentru a transfera o schema geometrica asupra probei cu ajutorul unei masti – desenul schemei este realizat dintr-un strat de metal aplicat pe o sticla de quartz.

Foto1: Procesul de litografie optica

Primul pas in acest proces este aplicarea unui strat subtire si uniform de polimer fotosensibil pe suprafata probei (in figura alaturata aceasta este un wafer), urmand montarea probei intr-un dispozitiv de aliniere cu masca. Pasul urmator consta in iluminarea probei prin masca cu lumina ultravioleta – lungimi de unda 248 sau 193 nm. In zonele iluminate lanturile moleculare ale polimerului sunt rupte de catre lumina ultravioleta, spre deosebire de zonele protejate de masca (vezi poza alaturata). Pasul urmator consta in indepartarea polimerului din zonele expuse cu ajutorul unui developant adecvat polimerului folosit. Astfel, in stratul subtire de polimer s-a transferat schema geometrica de pe masca. In ultimul pas exista mai multe variante de a transfera schema geometrica inscrisa in polimer catre proba. O prima solutie ar fi imersia probei intr-o solutie acida care nu ataca polimerul folosit, putandu-se indeparta material de pe suprafata probei din zonele unde polimerul a fost indepartat. O a doua solutie ar fi depunerea unuia sau mai multor straturi de metal (de obicei aur si crom) pentru a crea un circuit pe suprafata materialului, urmand imersia probei intr-un dizolvant adecvat pentru polimerul folosit. Trebuie mentionat ca metalul o sa ramana pe suprafata materialului numai in zonele in care polimerul a fost indepartat prin developare. In rest metalul este indepartat o data cu dizolvarea polimerului.

Posibilitatea de a proiecta o imagine clara a unui dispozitiv mic catre proba este limitata de lungimea de unda a luminii folosite – aparatele de ultima generatie folosesc lumina cu lungime de unda de 248 si 193 nm, care permit realizarea unor dispozitive de pana la 50 nm. Mai exista si alte limitari alte acestei tehnologii, cum ar fi polimerul si developantul folosit si capacitatea lentilei de reductie de a captura destule ordine de difractie de la masca iluminata.

Recent, un avant extraordinar l-a cunoscut asa-numita litografie optica prin imersie. Astfel, pana acum cativa ani, se credea ca am ajuns la sfarsitul litografiei optice, deoarece lungimi de unda ultraviolete si mai mici nu puteau fi folosite, pentru ca puneau probleme majore sistemului de constructie (oglinzi, polimer, etc.). Cu toate acestea, o solutie surpriza a venit dintr-un colt neasteptat: imersia optica.

Aici, intre sistemul optic si proba se interpune un strat subtire de lichid (de obicei apa), o solutie tehnica copiata de la microscoapele cu imersie in lichid. Deoarece indicele de refractie al lichidului este mai mare decat cel al mediului ambiant, sunt astfel posibile crearea unor structuri si mai mici pe proba, dupa cum si la microscopul cu imersie lichida probele ce sunt vizualizate apar putin mai mari (cu un factor in jur de 1,5). Un rol important in aceste cercetari l-a avut si cercetatorul roman Mircea Dusa, caruia i s-a acordat in anul 2003 premiul pentru cercetatorul anului al companiei ASML, prima companie ce a introdus cu succes pe piata un sistem optic de litografie cu imersie.

Litografie cu fascicul de electroni

Foto1: Procesul de litografie optica

Microscopul cu electroni (Scanning Electron Microscope sau SEM) este un tip de microscop care creeaza imagini prin focalizarea unui fascicul cu electroni de energie inalta pe suprafata unei probe si detectarea semnalelor interactiunii electronilor incidenti cu suprafata probei. Tipurile semnalelor detectate de un SEM variaza si pot include electroni secundari, raze X caracteristice sau electroni imprastiati inapoi. Intr-un SEM, aceste semnale vin nu numai de la fasciculul principal incident pe proba, dar si de la interactiuni ale electronilor in interiorul probei aproape de suprafata. Microscopul cu electroni este capabil sa produca imagini cu rezolutie foarte inalta ale suprafetei unei probe.

Litografia cu un SEM este similara litografiei optice, numai ca in loc de lumina ultravioleta si masca se foloseste fasciculul foarte subtire de electroni – in 2005 fasciculele de electroni aveau dimensiuni de ordinul nanometrilor – pentru a crea un desen intr-un polimer sensibil la lungimile de unda folosite. Deoarece astfel putem depasi limita de difractie a luminii si realiza dispozitive sub-micrometrice, acesta constituie marele avantaj al litografiei cu flux de electroni. Deoarece este inca scump, acest tip de litografie este folosit in principal in crearea de masti pentru litografia optica, in realizarea dispozitivelor semiconductoare cu volum mic de productie, si, nu in ultimul rand, in cercetare si dezvoltare.

Litografia cu fascicul de electroni nu este viabila pentru productia de masa din cauza volumului limitat de dispozitive care pot fi procesate intr-un timp dat. Fasciculul trebuie sa scaneze suprafata probei – iar expunerea propriu-zisa a schemei geometrice este seriala, insemnand ca expunerea are loc punct cu punct. Acest lucru face procesul foarte incet comparativ cu expunerea paralela din cazul litografiei optice, unde intreaga suprafata este expusa o data. Ca exemplu, pentru a transfera o schema catre un wafer (bucata standard de material, sub forma unui disc cu un diametru de pana la 30 cm si o grosime de ordinul milimetrilor) ar dura cateva ore, spre deosebire de cateva minute cat dureaza expunerea in cazul litografiei optice.

Litografie cu un Microscop cu Forta Atomica Foto1: Procesul de litografie optica

Un Microscop cu Forta Atomica sau AFM (Atomic Force Microscope) este un microscop cu o rezolutie demonstrata sub-nanometrica, in care imaginea este achizitionata prin inregistrarea deflectiei verticale a unui catilever cu ajutorul unui laser si a unei diode fotosensibile (vezi poza alaturata). La capatul catileverului este un varf cu o raza de sub 10 nm care este in contact cu proba. O data adus varful in contact cu proba, aceasta este miscata in plan cu ajutorul unui piezoscaner, iar deflectia cantileverului este inregistrata linie cu linie, asamblata intr-o matrice si interpretata in timp real cu ajutorul calculatorului, realizandu-se astfel imaginea suprafetei.

Litografia cu microscopul cu forta atomica se bazeaza pe interactia varfului cu suprafata. O prima modalitate de a crea un dispozitiv pe suprafata probei este de a aplica o diferenta de potential intre varf si suprafata. Aceasta diferenta de potential genereaza curgerea unui curent de electroni intre varf si suprafata probei, si care la randul lui declanseaza o reactie chimica. Rezultatul este crearea unei cantitati de oxid sub varf, modificand proprietatile electronice ale probei. Folosind diferite forme geometrice se pot crea dispozitive electronice sub-micrometrice. O a doua modalitate de a modifica proprietatile electronice ale suprafetei si de a crea dispozitive electronice este zgarierea efectiva a suprafetei cu ajutorul varfului sau zgarierea unui strat de polimer depus pe suprafata probei, urmata de imersia intr-o solutie acida si indepartarea selectiva a unei parti din suprafata probei.

Abonează-te la newletter:

Caută în site



Formular de contact

Advertisment ad adsense adlogger