CdL Scienza dei Materiali - Fisica delle Nanotecnologie - a.a. 2002/3
Appunti & trasparenze - Parte 7
Versione 1, Ottobre 2002
Francesco Fuso, tel 0502214305, 0502214293 - [email protected]
http://www.df.unipi.it/~fuso/dida
Strategie per superare il limite di diffrazione ottica in
litografia: litografia UV, XUV e raggi-X, phase-shifting
masks, etching anisotropo. Litografia atomica.
5/11/2002 - 8.30+2 ch10
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 1
Alcune strategie per aumentare la risoluzione della litografia ottica
1. Diminuire l
2. Usare radiazione e.m. nel
range dei raggi X (l ~ 1-100 Å)
3. Minimizzare effetti diffrazione
es. phase-shifting masks
previsioni “ottimistiche”?
4. “Ottimizzare” processi di ecthing
etching anisotropo, ...
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 2
2. X-Ray lithography (XRL)
Sorgente “ottimale”: sincrotrone
(fascio intenso e ben collimato)
--> proximity mode masks
Da M. Madou,
Fundamentals of microfab.,
CRC (1997)
Maschere:
typ. membrane Si
Resist: typ. PMMA
(sensibilità critica
--> alte dosi, ~ 2 J/cm2 )
Problema: fasci di elettroni
generati da scattering
X-Rays su mask, resist, subs...
Freietag et al., APL 71
1441 (1997)
Risoluzione effettiva
~ decine di nm
(anche se feature size < 10 nm)
Vantaggio: profondità di campo (fascio collimato)
--> high aspect ratio features, LIGA,...
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 3
3. Phase-shifting masks
Diffrazione/interferenza:
phase engineering onda e.m.
--> modifica interferenza
--> “controllo” effetti diffrazione
Ingrediente attualmente essenziale per spingere
risoluzione lito. ottica verso i 100 nm!!
Esempio: features ~ 100 nm ottenute
con sorgenti luce da 350 nm
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 4
Diligenti et al.
APL 75 489 (1999)
4. “Strategie” di processo
Mask alignment!!
ossido
Si-cristallino
Etching anisotropo + ossidazioni
successive
--> aumento risoluzione spaziale
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 5
Side-wall patterning
Processo di fabbricazione “complesso”
(ma economico!!) per creare Sinanowires:
a) ossidazione dry (spess. ≤ 0.5 µm):
Si (s) + O2  SiO2
seguita da deposizione Si3N4 e
patterning via lito. ottica convenzionale
b) CVD poly-Si (pirolisi SiH4 a bassa p):
SiH4 + calore(T~1100 °C)  Si (s) +2 H2 (g)
c) Reactive Ion Etching del poly-Si con
fascio ionico “inclinato”
--> rimane poly-Si solo sui bordi
d) wet chemical etching selettivo
(soprattutto nitruro) con H3PO4
e) rimozione ossido (poly-Si funge da
maschera) con etching selettivo
f) rimozione nitruro con RIE non inclinata
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 6
Si-nanowires per side-wall patterning
SEM cross sections (in “prospettiva”)
Risultati competitivi con electron beam lithography
(ma limitati a silicio, grazie alla enorme esperienza di
fabbricazione e disponibilità di tecnologie specifiche)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 7
Litografia atomica
See
http://nanocold.df.unipi.it
Idea di base:
fascio di particelle neutre al posto di radiazione e.m.
--> diffrazione a livello sub-nm (ldB ) senza problemi dei fasci di cariche
Vantaggi ulteriori:
- uso di “maschere ottiche” (non invasive, species-selective,…)
- possibilità deposizione diretta (bottoms-up a livello atomico) o resist-assisted
- carattere “parallelo” della tecnica mantenuto come in lito. ottica
Ingrediente fondamentale:
capacità di manipolare la dinamica di atomi neutri (atom-optics <-- laser cooling)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 8
Cenni di atom optics
Maschera ottica: onda stazionaria
--> forza “dipolare” (conservativa)
in direzione trasversa al moto degli
atomi (per opportuna scelta della
frequenza, prossima a ris. atomica)
Meschede Metcalf
in press (2002)
Onda stazionaria
--> array di nanolenti atomiche
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 9
Requisiti su fascio atomico
1. Intensità --> tempi di esposizione “ragionevoli”
2. Collimazione --> efficacia focalizzazione
(array di nanolenti ~ array di buche pot.)
Melassa ottica
Tecniche di laser cooling usate per aumentare collimazione e intensità fascio atomico
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 10
Applicabilità litografia atomica
Attualmente si applica a specie che possono essere manipolate facilmente via laser
(lunghezza d’onda, intensità, schemi “chiusi” di raffreddamento laser,…)
Per elementi reattivi in aria
(es. alcalini)
--> resist-assisted (SAM)
Svantaggio litografia atomica:
scarsa flessibilità
(dipende anche da sviluppo nuovi laser)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 11
Alcuni esempi di litografia atomica
Cr
Cr
Cr
Meschede Metcalf
in press (2002)
Na
Timp et al. PRL 69 1636 (1992)
Onda stazionaria 1D
McClelland et al.
Science 87 262 (1993)
Onde stazionarie 2D
Gupta et al.
Drodofsky et al.
APL 67 1378 (1995) Appl Phys B 65 755 (1997)
Holographic lithography
Vantaggio/svantaggio:
regolarità interferometrica
nanostrutture
(ma esistono “rimedi”)
Mützel et al. PRL (2002)
Risoluzione max:
~ 15-20 nm (finora!!)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 12
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 7 - pag. 13