Наноимпринтная литография ( NIL ) — это метод изготовления нанометровых шаблонов. Это простой процесс нанолитографии с низкой стоимостью, высокой производительностью и высоким разрешением. Он создает шаблоны путем механической деформации резиста и последующих процессов. Резист импринта обычно представляет собой мономерную или полимерную формулу, которая отверждается под воздействием тепла или УФ-излучения во время импринтинга. Адгезия между резистом и шаблоном контролируется для обеспечения надлежащего отсоединения.
Термин «наноимпринтная литография» появился в научной литературе в 1996 году, когда профессор Стивен Чоу и его студенты опубликовали отчет в журнале Science [1] , хотя горячее тиснение (теперь синоним NIL) термопластиков уже несколько лет появлялось в патентной литературе. Вскоре после публикации в журнале Science многие исследователи разработали различные вариации и реализации. На данный момент наноимпринтная литография была добавлена в Международную технологическую дорожную карту для полупроводников (ITRS) для узлов 32 и 22 нм .
Их много, но наиболее важными являются следующие три процесса:
Термопластичная наноимпринтная литография (T-NIL) является самой ранней наноимпринтной литографией, разработанной группой профессора Стивена Чоу. В стандартном процессе T-NIL тонкий слой импринтного резиста (термопластичного полимера) наносится методом центрифугирования на подложку образца. Затем форма, имеющая предопределенные топологические узоры, приводится в контакт с образцом, и они сжимаются вместе под определенным давлением. При нагревании выше температуры стеклования полимера узор на форме вдавливается в размягченную полимерную пленку. [1] После охлаждения форма отделяется от образца, а резист узора остается на подложке. Процесс переноса узора ( обычно реактивное ионное травление ) может использоваться для переноса узора в резисте на нижнюю подложку. [1]
В качестве альтернативы холодная сварка между двумя металлическими поверхностями также может переносить низкоразмерный наноструктурированный металл без нагрева (особенно для критических размеров менее ~10 нм). [2] [3] Трехмерные структуры могут быть изготовлены путем повторения этой процедуры. Подход холодной сварки имеет преимущество в снижении загрязнения или дефекта поверхностного контакта из-за отсутствия процесса нагрева, что является основной проблемой в последних разработках и производстве органических электронных устройств и новых солнечных элементов. [4]
В фотонаноимпринтной литографии (P-NIL) УФ-отверждаемый жидкий резист наносится на подложку образца, а форма обычно изготавливается из прозрачного материала, такого как плавленый кварц или PDMS . После того, как форма и подложка сжаты вместе, резист отверждается в УФ-свете и становится твердым. После отделения формы можно использовать аналогичный процесс переноса рисунка для переноса рисунка в резисте на нижний материал. Использование УФ-прозрачной формы затруднено в вакууме, поскольку вакуумный зажим для удержания формы невозможен.
В отличие от вышеупомянутых методов наноимпринтинга, прямая термическая наноимпринтинг без резиста не требует дополнительного этапа травления для переноса рисунков с резистов на слой устройства.
В типичном процессе фоторезистивные шаблоны сначала определяются с помощью фотолитографии. Затем штамп из полидиметилсилоксана (PDMS) изготавливается с помощью реплики из резистивных шаблонов. Далее, одношаговый наноимпринт напрямую формует тонкопленочные материалы в желаемые геометрии устройств под давлением при повышенных температурах. Импринтированные материалы должны иметь подходящие характеристики размягчения, чтобы заполнить шаблон. Аморфные полупроводники (например, халькогенидное стекло [5] [6] ), демонстрирующие высокий показатель преломления и широкое прозрачное окно, являются идеальными материалами для импринтинга оптических/фотонных устройств.
Этот подход к прямому формированию рисунка с помощью оттиска предлагает альтернативу монолитной интеграции с потенциально улучшенной производительностью и выходом продукции, а также может обеспечить рулонную обработку устройств на больших площадях подложки, недоступных при использовании традиционных методов литографического формирования рисунка. [7]
В методах термической нанопечати компромисс между полным переносом рисунка и деформацией подложки создает ограничения в качестве изготовления. Немногие из них создали другие методы с использованием растворителя для процессов прямой безрезистивной нанопечати. [8] [9]
В схеме наноимпринта на всю пластину все шаблоны содержатся в одном наноимпринте и переносятся за один шаг импринта. Это обеспечивает высокую производительность и однородность. Возможен наноимпринт на всю пластину диаметром не менее 8 дюймов (203 мм) с высокой точностью.
Для обеспечения равномерности давления и рисунка в процессах наноимпринтинга на всей пластине и продления срока службы пресс-формы разработан и используется в коммерческих системах наноимпринтинга метод прессования с использованием изотропного давления жидкости, названный его изобретателями прессом на воздушной подушке (ACP) [10] . В качестве альтернативы были продемонстрированы рулонные технологии (например, рулон на пластину) в сочетании с гибкими штампами (например, PDMS) для полнопластинчатого импринтинга. [11]
Наноимпринт может быть выполнен способом, аналогичным пошаговой и повторной оптической литографии. Поле импринта (матрица) обычно намного меньше, чем поле наноимпринта всей пластины. Матрица многократно отпечатывается на подложке с определенным размером шага. Эта схема хороша для создания наноимпринт-формы.
Наноимпринтная литография использовалась для изготовления устройств для электрических, оптических, фотонных и биологических приложений. Для электронных устройств NIL использовался для изготовления MOSFET , O-TFT , одноэлектронной памяти. Для оптики и фотоники были проведены интенсивные исследования по изготовлению субволнового резонансного решеточного фильтра, датчика поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS), [12] поляризаторов , волновых пластин , антибликовых структур, интегральных фотонных схем и плазмонных устройств компанией NIL. В контексте оптоэлектронных устройств, таких как светодиоды и солнечные элементы , NIL исследуется для структур вывода и ввода. [11] С использованием NIL были изготовлены суб-10 нм нанофлюидные каналы, которые использовались в эксперименте по растяжению ДНК. В настоящее время NIL используется для уменьшения размера устройства для сортировки биомолекул на порядок меньше и эффективнее.
Ключевым преимуществом наноимпринтной литографии является ее абсолютная простота. Единственная самая большая стоимость, связанная с изготовлением чипов, — это оптический литографический инструмент, используемый для печати рисунков схем. Оптическая литография требует мощных эксимерных лазеров и огромных стопок прецизионно отшлифованных линзовых элементов для достижения разрешения в нанометровом масштабе. Нет необходимости в сложной оптике или источниках высокоэнергетического излучения с наноимпринтным инструментом. Нет необходимости в тонко подобранных фоторезистах, разработанных как для разрешения, так и для чувствительности на заданной длине волны. Упрощенные требования технологии приводят к ее низкой стоимости.
Силиконовые мастер-формы могут использоваться до нескольких тысяч оттисков, тогда как никелевые формы могут выдерживать до десяти тысяч циклов.
Литография оттиска по своей сути является трехмерным процессом формирования рисунка. Формы оттиска могут быть изготовлены с несколькими слоями топографии, расположенными вертикально. Полученные оттиски воспроизводят оба слоя за один шаг оттиска, что позволяет производителям чипов снизить затраты на изготовление чипов и повысить производительность.
Как упоминалось выше, материал для отпечатка не нуждается в тонкой настройке для высокого разрешения и чувствительности. Для использования с литографией отпечатка доступен более широкий спектр материалов с различными свойствами. Повышенная изменчивость материалов дает химикам свободу разрабатывать новые функциональные материалы, а не жертвенные полимеры, устойчивые к травлению. [13] Функциональный материал может быть отпечатан напрямую для формирования слоя в чипе без необходимости переноса рисунка в нижележащие материалы. Успешное внедрение функционального материала для отпечатка приведет к значительному снижению затрат и повышению производительности за счет исключения многих сложных этапов обработки чипа. [14]
Основными проблемами для наноимпринтной литографии являются наложение, дефекты, шаблонное шаблонирование и износ шаблона. Однако недавно Кумар и др. показали, что аморфные металлы (металлические стекла) могут быть шаблонизированы в масштабе менее 100 нм, что может значительно снизить стоимость шаблона. [15]
Текущая возможность наложения 3 сигма составляет 10 нм . [16] Наложение имеет больше шансов при подходах «шаг-и-сканирование», чем при отпечатке всей пластины.
Как и в случае с иммерсионной литографией , контроль дефектов, как ожидается, улучшится по мере развития технологии. Дефекты шаблона с размером ниже смещения процесса после оттиска могут быть устранены. Другие дефекты потребуют эффективной очистки шаблона и/или использования промежуточных полимерных штампов. Если в процессе оттиска не используется вакуум, может попасть воздух, что приведет к дефектам в виде пузырьков. [17] Это происходит потому, что слой резиста оттиска и шаблон или элементы штампа не являются идеально плоскими. Существует повышенный риск, когда промежуточный или мастер-штамп содержит углубления (которые особенно легко являются воздушными ловушками), или когда резист оттиска распределяется в виде капель непосредственно перед оттиска, а не предварительно наносится на подложку. Необходимо дать достаточно времени для выхода воздуха. [18] Эти эффекты гораздо менее критичны, если используются гибкие материалы штампа, например PDMS. [11] Другая проблема — адгезия между штампом и резистом. Высокая адгезия (прилипание) может привести к расслоению резиста, который затем остается на штампе. Этот эффект ухудшает рисунок, снижает выход и повреждает штамп. Эту проблему можно решить, нанеся на штамп антипригарный слой FDTS .
Шаблонное моделирование с высоким разрешением в настоящее время может быть выполнено с помощью электронно-лучевой литографии или сфокусированного ионного пучка ; однако при самом низком разрешении пропускная способность очень низкая. В результате оптические инструменты для моделирования будут более полезны, если они имеют достаточное разрешение. Такой подход был успешно продемонстрирован Гринером и др., когда надежные шаблоны были быстро изготовлены с помощью оптического моделирования покрытой фоторезистом металлической подложки через фотошаблон . [19] Если требуются однородные шаблоны на больших площадях, интерференционная литография является очень привлекательной техникой моделирования. [20] [21] Также могут использоваться другие методы моделирования (включая даже двойное моделирование ). Кумар и Шрерс из Йельского университета разработали наномоделирование аморфных металлов, которые можно использовать в качестве недорогих шаблонов для наноимпринтинга. В настоящее время современная наноимпринтинговая литография может использоваться для моделей размером до 20 нм и ниже. [22]
Использование существенного давления не только для контакта, но и для проникновения в слой во время импринтинга ускоряет износ шаблонов импринтинга по сравнению с другими типами литографических масок. Износ шаблона уменьшается при правильном использовании антиадгезионного монослойного покрытия FDTS на штампе. Очень эффективный и точный метод на основе АСМ для характеристики деградации штампов PDMS позволяет оптимизировать материалы и процессы для минимизации износа. [23]
Будущие применения наноимпринтной литографии могут включать использование пористых материалов с низким κ . Эти материалы не являются жесткими и, как часть подложки, легко повреждаются механически под давлением процесса импринтинга.
Ключевой характеристикой наноимпринтной литографии (за исключением электрохимической наноимпринтинга) является остаточный слой, следующий за процессом импринтинга. Предпочтительно иметь достаточно толстые остаточные слои для поддержки выравнивания и пропускной способности и низкого уровня дефектов. [24] Однако это делает этап наноимпринтной литографии менее критичным для контроля критических размеров (CD), чем этап травления, используемый для удаления остаточного слоя. Следовательно, важно рассматривать удаление остаточного слоя как неотъемлемую часть общего процесса наноимпринтинга. [25] [26] В некотором смысле травление остаточного слоя похоже на процесс проявления в обычной литографии. Было предложено объединить методы фотолитографии и наноимпринтной литографии в один этап, чтобы устранить остаточный слой. [27]
Литография наноимпринта основана на вытеснении полимера. Это может привести к систематическим эффектам на больших расстояниях. Например, большой плотный массив выступов вытеснит значительно больше полимера, чем изолированный выступ. В зависимости от расстояния этого изолированного выступа от массива, изолированный элемент может не отпечататься правильно из-за смещения и утолщения полимера. Резистивные отверстия могут образовываться между группами выступов. [28] Аналогично, более широкие углубления в шаблоне не заполняются таким же количеством полимера, как более узкие углубления, что приводит к деформированным широким линиям. Кроме того, углубление на краю большого массива заполняется гораздо раньше, чем то, которое находится в центре массива, что приводит к проблемам однородности внутри массива.
Уникальным преимуществом наноимпринтной литографии является возможность шаблонизировать 3D-структуры, такие как дамасские межсоединения и Т-образные затворы, за меньшее количество шагов, чем требуется для обычной литографии. Это достигается путем встраивания Т-образной формы в выступ на шаблоне. [29] Аналогичным образом наноимпринтную литографию можно использовать для копирования 3D-структур, созданных с помощью сфокусированного ионного пучка . Хотя область, на которой можно шаблонизировать с помощью сфокусированного ионного пучка, ограничена, ее можно использовать, например, для впечатывания структур на краю оптических волокон. [30]
Высокоаспектное отношение и иерархически наноструктурированные поверхности могут быть обременительными для изготовления и страдать от структурного коллапса. Используя UV-NIL нестехиометрического тиол-ен-эпоксидного полимера, можно изготовить прочные, большой площади и высокоаспектные наноструктуры, а также сложные иерархически слоистые структуры с ограниченным коллапсом и дефектностью. [31]
Электрохимическое наноимпринтирование может быть достигнуто с помощью штампа, изготовленного из суперионного проводника, такого как сульфид серебра . [32] Когда штамп контактирует с металлом, электрохимическое травление может быть выполнено с помощью приложенного напряжения. Электрохимическая реакция генерирует ионы металла, которые перемещаются из исходной пленки в штамп. В конечном итоге весь металл удаляется, и дополнительный рисунок штампа переносится на оставшийся металл.
Прямая лазерная печать (LADI) [33] — это быстрый метод создания наноструктур на твердых подложках, не требующий травления. Один или несколько импульсов эксимерного лазера расплавляют тонкий поверхностный слой материала подложки, и в полученный жидкий слой вдавливается форма. Разнообразные структуры с разрешением лучше 10 нм были впечатаны в кремний с использованием LADI, а время тиснения составляет менее 250 нс. Высокое разрешение и скорость LADI, обусловленные низкой вязкостью расплавленного кремния (одна треть вязкости воды), могут открыть множество приложений и быть распространены на другие материалы и методы обработки.
Сверхбыстрая наноимпринтная литография [34] или Pulsed-NIL — это метод, основанный на использовании штампов с нагревательным слоем, интегрированным под наноструктурированной поверхностью. Впрыскивание одного короткого (<100 мкс) интенсивного импульса тока в нагревательный слой приводит к внезапному повышению температуры поверхности штампа на несколько сотен градусов °C. Это приводит к плавлению термопластичной резистивной пленки, прижатой к нему, и быстрому вдавливанию наноструктур. Помимо высокой производительности, этот быстрый процесс имеет и другие преимущества, а именно тот факт, что его можно напрямую масштабировать до больших поверхностей, и он снижает энергию, затрачиваемую в термическом цикле по сравнению со стандартным термическим NIL. Этот подход в настоящее время реализуется компанией ThunderNIL srl. [35]
Процессы с использованием валков очень хорошо подходят для больших подложек (целая пластина) и крупномасштабного производства, поскольку их можно внедрить в производственные линии. При использовании с мягким штампом процесс (отпечаток, а также извлечение из формы) может быть чрезвычайно мягким и устойчивым к шероховатости поверхности или дефектам. Таким образом, возможна обработка даже очень тонких и хрупких подложек. С использованием этого процесса были продемонстрированы отпечатки кремниевых пластин толщиной до 50 мкм. [11] Для UV-Roller-NIL на непрозрачных подложках УФ-свет должен проходить через гибкий штамп, например, путем интеграции УФ-светодиодов в барабан из кварцевого стекла.
Литография наноотпечатков — это простой процесс переноса рисунка, который не ограничен ни дифракцией, ни эффектами рассеяния, ни вторичными электронами, и не требует какой-либо сложной химии излучения. Это также потенциально простая и недорогая технология. Однако сохраняющимся барьером для создания рисунка в нанометровом масштабе является текущая зависимость от других методов литографии для создания шаблона. Возможно, что самоорганизующиеся структуры обеспечат окончательное решение для шаблонов периодических рисунков в масштабах 10 нм и менее. [36] Также возможно решить проблему создания шаблона, используя программируемый шаблон [37] в схеме, основанной на двойном создании рисунка .
По состоянию на октябрь 2007 года Toshiba была единственной компанией, которая провела валидацию наноимпринтной литографии для 22 нм и более. [38] Что еще более важно, наноимпринтная литография стала первой литографией менее 30 нм, которая была валидирована промышленным пользователем.