Нанолитография ( НЛ ) — это развивающаяся область методов в нанотехнологиях, занимающаяся разработкой (созданием узоров, например, травлением, осаждением, записью, печатью и т. д.) нанометровых структур на различных материалах.
Современный термин отражает проектирование структур, построенных в диапазоне от 10−9 до 10−6 метров , т.е. в нанометровом масштабе. По сути, эта область является производной от литографии , охватывающей только очень малые структуры. Все методы NL можно разделить на четыре группы: фотолитография , сканирующая литография, мягкая литография и другие разнообразные методы. [1]
NL развился из необходимости увеличения количества субмикрометровых элементов (например, транзисторов, конденсаторов и т. д.) в интегральной схеме для соответствия закону Мура . Хотя литографические методы существуют с конца 18 века, ни один из них не применялся к наномасштабным структурам до середины 1950-х годов. С развитием полупроводниковой промышленности резко возрос спрос на методы, способные производить микро- и наномасштабные структуры. Фотолитография была применена к этим структурам впервые в 1958 году, положив начало эпохе нанолитографии. [2]
С тех пор фотолитография стала наиболее коммерчески успешной технологией, способной производить образцы размером менее 100 нм. [3] Существует несколько технологий, связанных с этой областью, каждая из которых разработана для обслуживания ее многочисленных применений в медицинской и полупроводниковой промышленности. Прорывы в этой области вносят значительный вклад в развитие нанотехнологий и становятся все более важными сегодня, поскольку растет спрос на все меньшие и меньшие компьютерные чипы. Дальнейшие области исследований связаны с физическими ограничениями области, сбором энергии и фотоникой . [3]
В греческом языке слово «нанолитография» можно разделить на три части: «нано» — карлик, «лит» — камень и «графия» — писать или «крошечные надписи на камне».
По состоянию на 2021 год фотолитография является наиболее широко используемой технологией в массовом производстве микроэлектроники и полупроводниковых приборов . Она характеризуется как высокой производительностью производства, так и малыми размерами деталей шаблонов.
Оптическая литография (или фотолитография) является одним из наиболее важных и распространенных наборов методов в области нанолитографии. Оптическая литография содержит несколько важных производных методов, все из которых используют очень короткие длины волн света для изменения растворимости определенных молекул, заставляя их смываться в растворе, оставляя желаемую структуру. Несколько методов оптической литографии требуют использования погружения в жидкость и множества технологий повышения разрешения, таких как маски сдвига фаз (PSM) и оптическая коррекция близости (OPC). Некоторые из включенных методов в этот набор включают многофотонную литографию , рентгеновскую литографию , нанолитографию со световым сопряжением (LCM) и экстремальную ультрафиолетовую литографию (EUVL). [3] Этот последний метод считается наиболее важным методом литографии следующего поколения (NGL) из-за его способности производить структуры точно ниже 30 нанометров при высокой производительности, что делает его жизнеспособным вариантом для коммерческих целей.
Квантовая оптическая литография (QOL) — это метод, не ограниченный дифракцией, позволяющий писать с разрешением 1 нм [4] оптическими средствами, используя красный лазерный диод (λ = 650 нм). Сложные узоры, такие как геометрические фигуры и буквы, были получены с разрешением 3 нм [5] на резистивной подложке. Метод был применен к наноузору графена с разрешением 20 нм. [6]
Электронно-лучевая литография (EBL) или электронно-лучевая литография с прямой записью (EBDW) сканирует сфокусированный пучок электронов на поверхности, покрытой электронно-чувствительной пленкой или резистом (например, PMMA или HSQ ), чтобы рисовать пользовательские формы. Изменяя растворимость резиста и последующим селективным удалением материала путем погружения в растворитель, были достигнуты разрешения менее 10 нм. Эта форма прямой записи, безмасковой литографии имеет высокое разрешение и низкую пропускную способность, ограничивая одноколоночные электронные пучки изготовлением фотошаблонов , мелкосерийным производством полупроводниковых приборов , а также исследованиями и разработками. Подходы с несколькими электронными пучками имеют своей целью увеличение пропускной способности для массового производства полупроводников. EBL можно использовать для селективного нанопаттерна белка на твердой подложке, направленного на сверхчувствительное зондирование. [7] Резисты для EBL можно упрочнять с помощью последовательного инфильтрационного синтеза (SIS).
Сканирующая зондовая литография (SPL) — это еще один набор методов для создания рисунка в нанометровом масштабе вплоть до отдельных атомов с использованием сканирующих зондов , либо путем вытравливания ненужного материала, либо путем прямой записи нового материала на подложку. Некоторые из важных методов в этой категории включают нанолитографию dip-pen , термохимическую нанолитографию , термическую сканирующую зондовую литографию и локальную окислительную нанолитографию . Нанолитография dip-pen является наиболее широко используемым из этих методов. [8]
Эта технология использует сфокусированный пучок протонов высокой энергии (МэВ) для создания рисунка на резистивном материале в наноразмерах и, как было показано, способна создавать узоры с высоким разрешением, значительно ниже отметки 100 нм. [9]
Этот набор методов включает ионно- и электронно-проекционную литографию. Ионно-лучевая литография использует сфокусированный или широкий пучок энергичных легких ионов (например, He + ) для переноса рисунка на поверхность. Используя ионно-лучевую литографию сближения (IBL), наномасштабные элементы можно переносить на неплоские поверхности. [10]
Мягкая литография использует эластомерные материалы, изготовленные из различных химических соединений, таких как полидиметилсилоксан . Эластомеры используются для изготовления штампа, формы или маски (похожей на фотошаблон ), которые в свою очередь используются для создания микрошаблонов и микроструктур. [11] Описанные ниже методы ограничены одним этапом. Последующее формирование рисунка на тех же поверхностях затруднено из-за проблем с несовпадением. Мягкая литография не подходит для производства устройств на основе полупроводников, поскольку она не является дополнительной для осаждения металла и травления. Эти методы обычно используются для химического формирования рисунка. [11]
Наноимпринтная литография (NIL) и ее варианты, такие как пошаговая и флэш-литография и направленная лазерная печать (LADI), являются перспективными технологиями репликации наношаблонов, в которых шаблоны создаются путем механической деформации резистов для импринтинга, как правило, мономерных или полимерных образований, которые отверждаются под воздействием тепла или УФ- излучения во время импринтинга. [ требуется ссылка ] Эту технологию можно комбинировать с контактной печатью и холодной сваркой . Наноимпринтная литография способна создавать шаблоны на уровнях менее 10 нм. [ требуется ссылка ]
Магнитолитография (МЛ) основана на применении магнитного поля к подложке с использованием парамагнитных металлических масок, называемых «магнитной маской». Магнитная маска, которая является аналогом фотомаски, определяет пространственное распределение и форму приложенного магнитного поля. Вторым компонентом являются ферромагнитные наночастицы (аналог фоторезиста ), которые собираются на подложке в соответствии с полем, индуцированным магнитной маской.
Нанофонтанный зонд представляет собой микрофлюидное устройство, по своей концепции похожее на перьевую ручку , которое наносит узкую дорожку химического вещества из резервуара на подложку в соответствии с запрограммированным шаблоном движения. [12]
Наносферная литография использует самоорганизующиеся монослои сфер (обычно из полистирола ) в качестве испаряющих масок. Этот метод использовался для изготовления массивов золотых наноточек с точно контролируемыми интервалами. [13]
Литография нейтральных частиц (NPL) использует широкий пучок энергичных нейтральных частиц для переноса рисунка на поверхность. [14]
Плазмонная литография использует возбуждения поверхностных плазмонов для создания структур, выходящих за пределы дифракционного предела, используя свойства ограничения поля субволновых поверхностных плазмонных поляритонов . [15]
Трафаретная литография — это безрезистивный и параллельный метод изготовления нанометровых шаблонов с использованием нанометровых отверстий в качестве теневых масок .