Άλλες Μέθοδοι Λιθογραφίας

Transcript

1 Άλλες Μέθοδοι Λιθογραφίας

2 matech.org/ meetings/arc hives/litho/eu vl/ / 03_Challeng es.pdf

3 Λιθογραφία Δέσμης Ηλεκτρονίων Τα προσκρούοντα ηλεκτρόνια δημιουργούν μία σειρά από δευτερεύοντα ηλεκτρόνια χαμηλής ενέργειας, τα οποία δημιουργούν ελεύθερες ρίζες και ρίζες κατιόντων. Η απενεργοποίηση αυτών των ενδιάμεσων ουσιών μέσω θραύσης ή αντίδρασης με την μήτρα του πολυμερούς είναι η βάση της χημικής αλλαγής του φωτοπολυμερικού υλικού κατά την έκθεση Καθώς η δέσμη ηλεκτρονίων περνάει από το φωτοπολυμερές σκεδάζεται υπό μικρές γωνίες προς τα εμπρός (forward scattering) Καθώς η δέσμη περνάει στο υπόστρωμα, μεγάλο μέρος των ηλεκτρονίων σκεδάζονται πίσω (οπισθοσκέδαση, back scattering) στο φωτοπολυμερές σε μια περιοχή μεγαλύτερη από την επιθυμητή

4 Λιθογραφία Δέσμης Ηλεκτρονίων Διάγραμμα συστήματος t/introduction-ebeam

5 Οπτικό μέρος του συστήματος t/introduction-ebeam detector sample Scanning the electron beam Lens Aperture α convergence angle

6 CNF, Cornell Λιθογραφία Δέσμης Ηλεκτρονίων

7 Διακριτική ικανότητα με Raith 150 courtesy of Anders Holmberg L= 80 nm 50 nm 30 nm 25 nm L=Line width (pitch = 2L) 20 nm 18 nm 16 nm 15 nm

8 Λιθογραφία Δέσμης Ηλεκτρονίων Επίδραση της ενέργειας της ηλεκτρονικής δέσμης στο βάθος διείσδυσής της στο φωτοπολυμερικό υμένιο και στο υπόστρωμα Η λιθογραφία με ΛΔΗ είναι μία μέθοδος σειριακής απεικόνισης της μάσκας Περίπου 4 ώρες για κάθε δισκίο πυριτίου 4ιντσών

9 Παράμετροι

10 Τροχιές Ηλεκτρονίων Προσομοίωση με Monte-Carlo της τροχιάς των ηλεκτρονίων σε PMMA πάχους 1μm πάνω σε πυρίτιο για ηλεκτρόνια ενέργειας 10, 20 και 50 KV

11 Proximity effect correction Patterns before PEC (negative resist) Patterns after PEC (negative resist) 3Gaussian Fit (resist/si), 40keV

12 Λιθογραφία Δέσμης Ηλεκτρονίων H. G. Craighead, Science 290 (2000), Μικρογραφίες νανοηλεκτρομηχανικών συστημάτων (NEMS) α) συσπειρωτού ταλαντωτή, β) σε μεγέθυνση, γ) σειρά από νανοκαλώδια πυριτίου και δ) καθρέπτης από πυρίτιο με ανοίγματα ο οποίος ταλαντώνεται

13 Λιθογραφία Δέσμης Ηλεκτρονίων Cross-sectional transmission electron micrograph of a 13.5 nm thin-film read head after complete processing. A spiral nano-groove with 112 nm in linewidth and 80 nm in depth has been successfully fabricated (~50 Gbytes storage capacity) C. T. Pan S. C. Lo, J. C. Yang, Y. J. Chen Optical & Quantum Electronics (2007)

14 Λιθογραφία Δέσμης Ιόντων Η δέσμη ηλεκτρονίων εδώ αντικαθίσταται με δέσμη ιόντων, π.χ. Ga +, H +, He +. Τα ιόντα δημιουργούν δευτερεύοντα ηλεκτρόνια χαμηλής ενέργειας στο φωτοπολυμερικό υμένιο, πυροδοτώντας τις χημικές αντιδράσεις που οδηγούν στα λιθογραφικά αποτελέσματα Πλεονεκτήματα: 1. Η διείσδυση της δέσμης των ιόντων στο υπόστρωμα είναι πολύ μικρότερη από αυτή της δέσμης των ηλεκτρονίων, μειώνοντας έτσι το θόλωμα της δέσμης λόγω σκέδασης. 2. Η καλύτερη διάχυση της ενέργειας έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ευαισθησίας του φωτοπολυμερούς

15 Λιθογραφία Δέσμης Πρωτονίων Η δέσμη πρωτονίων έχει το χαρακτηριστικό ότι μπορεί να διεισδύσει σε μεγάλη απόσταση στο υπόστρωμα σε αντίθεση με τις δέσμες ιόντων Επίσης, δεν έχει το πρόβλημα της οπισθοσκέδασης όπως η ΛΔΗ και γι αυτό το λόγο χρησιμοποιείται για την έκθεση παχιών υμενίων F. Watt, M.B.H. Breese, A.A. Bettiol and J.A. Van Kan, Proton Beam Writing, Materials Today 10 (2007),

16 Λιθογραφία Δέσμης Πρωτονίων SEM εικόνα της ρητίνης TADEP. Πάχος: 12 μm, πλάτος γρ.: 280 nm, Λόγος ύψος/πλάτος: 42. (α) (α) SEM εικόνα της ρητίνης TADEP. Πάχος: 2 μm, πλάτος γραμμής: 167 nm, (β) Δομές νικελίου μετά από επιμετάλλωση και αφαίρεση της ρητίνης. Πάχος δομών Νi: 0.8 μm. (β) M. Chatzichristidi, E. Valamontes, P. Argitis, I. Raptis, J.A. van Kan, F. Zhang, F. Watt Microelectron. Eng (2008)

17 Λιθογραφία Δέσμης Πρωτονίων F. Watt, M.B.H. Breese, A.A. Bettiol and J.A. Van Kan, Proton Beam Writing, Materials Today 10 (2007),

18 Λιθογραφία στο Ακραίο Υπεριώδες (EUV) Πηγές: σύγχροτρον, λέιζερ ελεύθερου ηλεκτρονίου, πηγές πλάσματος Στα 13 nm η ακτίνα δράσης των φωτοηλεκτρονίων είναι ιδιαιτέρως μικρή (<5 nm), οπότε αντίθετα με τη λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης και τη λιθογραφία γειτνίασης με ακτίνες Χ, η επίδραση των δευτερογενών ηλεκτρονίων επί της διακριτικής ικανότητας είναι αμελητέα Τα οπτικά μέρη μιας τέτοιας διάταξης πρέπει να είναι μόνο ανακλαστικά και κατασκευάζονται από πολυστρωματικά διηλεκτρικά υλικά (π.χ. εναλλασσόμενες στοιβάδες μολυβδαινίου και πυριτίου, ή μολυβδαινίου και βηρυλλίου). Οι καλύτεροι καθρέπτες που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα, ανακλούν μόνο το 60-70% της ακτινοβολίας στα 13nm, όταν οι καθρέπτες στα 193nm ανακλούν το 99%. Επίσης, η επιφάνεια των καθρεπτών αυτών δεν επιτρέπεται να έχει ανωμαλίες μεγαλύτερες από 1nm.

19 Μάσκες για EUV

20 Μάσκες για EUV

21 Λιθογραφία στο Ακραίο Υπεριώδες (EUV)

22 Λιθογραφία στο Ακραίο Υπεριώδες (EUV) Δομές πλάτους 45 και 39nm που κατασκευάστηκαν με EUV

23 Λιθογραφία Ακτίνων-Χ Η λιθογραφία ακτίνων-χ είναι το κατώτερο όριο, όσο αφορά το μήκος κύματος, της λιθογραφίας με φωτόνια Έχουν δημιουργηθεί δύο διατάξεις για ΛΑΧ: η λιθογραφία μέσω προβολής η οποία χρησιμοποιεί ανακλαστικούς φακούς (EUV), και ΛΑΧ γειτνίασης με μήκη κύματος κοντά στο 1nm. Δομές πλάτους 130nm

24 Λιθογραφία Ακτίνων-Χ Δομή ύψους 1mm και πλάτους 70 mm Y. Cheng, B.Y. Shew, M.K. Chyu, P.H. Chen, Nucl. Instrum. Meth. A (2001)

25 Διακριτική ικανότητα οπτικής λιθογραφίας Νόμος του Rayleigh λ: το μήκος κύματος της ακτινοβολίας έκθεσης k 1 : μία παράμετρος που εξαρτάται από τη διαδικασία αποτύπωσης και τις ιδιότητες των υλικών που τυχόν χρησιμοποιούνται σε αυτήν, με τιμές αρχικά 0.8, στη συνέχεια και τώρα ΝΑ: το αριθμητικό άνοιγμα του αντικειμενικού φακού Για W=0.55λ μπορεί να επιτευχθεί αν k 1 =0.5 και ΝΑ=0.93, κάτι εφικτό. Όμως είναι δύσκολο αν ΝΑ=0.5 γιατί τότε k 1 =0.275λ Για λ=193nm με ΝΑ=0.93 και k 1 =0.3 μπορούμε να φτιάξουμε δομές 63nm και για να πάμε σε δομές 32nm πρέπει το k 1 =0.15 (πολύ δύσκολο).

26 Διακριτική ικανότητα οπτικής λιθογραφίας ΝΑ=n sinθ n : δείκτης διάθλασης του μέσου

27 Βάθος της εστίασης DOF = k 2 λ ( NA) 2 για μικρές γωνίες θ k 2 : μία παράμετρος που εξαρτάται από την διαδικασία με τιμές μεταξύ 0,5-1,0. Το τετράγωνο του αριθμητικού ανοίγματος είναι ένα μέτρο της δυνατότητας του φακού συγκέντρωσης του φωτός.

28 Immersion Lithography Ο χώρος μεταξύ του τελευταίου φακού και της επιφάνειας του φωτοπολυμερούς γεμίζεται με ένα υγρό (n>1) Το λ τώρα παίρνει την τιμή λ=λ 0 /n, όπου n ο δείκτης διάθλασης του υγρού, είναι σαν να μικραίνει το μήκος κύματος της έκθεσης Π.χ. n νερού =1.44 τότε ΝΑ=1.34, με n=1.65 το ΝΑ=1.53

29 Immersion Lithography Η διακριτική ικανότητα αυξήθηκε κατά 46% και το DOF μειώθηκε κατά 46%

30 Immersion Lithography Ομογενές υγρό Θερμοκρασία σταθερή διαφορετικά αλλάζει το n Τα υγρά αφήνουν λεκέδες, κάνουν φυσαλίδες και έχουν σωματίδια Προβλήματα Τυπωμένες φυσαλίδες Λεκέδες από το υγρό Τυπωμένα μικροσωματίδια και Μικροσωματίδια που επικάθισαν στη ρητίνη

31 Immersion Lithography

32 Immersion Lithography

33 Λιθογραφία με Χρήση Εύπλαστων Υλικών (Soft Lithography) Κατασκευή καλουπιού από πολυ(διμεθυλοσιλοξάνη) PDMS

34 Κατασκευή καλουπιού Ζύγιση: προπολυμερούς και μέσου δικτύωσης Απόχυση του προπολυμερούς στη μάσκα Επάλειψη Μίξη: ανάδευση με πλαστικό αναδευτήρα Θέρμανση: Δημιουργία σταυροδεσμών Απομάκρυνση αέρα: σε κενό, το πολυμερές αρχίζει να φουσκώνει s.pdf Αποκόλληση καλουπιού

35 Ανάτυπα από Καλούπι Y.Xia and G.M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 550 An SEM image of a dome-shaped object in polyurethane with patterned microstructures (corner cubes ca. 100 mm) on its surface that was formed by replica molding against a stretched PDMS mold.

36 Y.Xia and G.M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 550 SEM images of polymeric microstructures fabricated by μtm: A) patterned, isolated microstructures of PU on; B) isolated microcylinders of epoxy on 5-mm lines of epoxy supported on a glass slide C) a continuous web of epoxy over a layer of 5-mm lines of epoxy supported on a glass slide D) a three-layer structures on a glass slide made from a thermally curable epoxy Μicrotransfer Μolding, μtm Μικρομεταφορά Καλουπιού

37 Εγγραφή με Μικροεπαφή Y.Xia and G.M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 550 An SEM image of copper microstructures that were fabricated by electroless plating onto a pattern of electrocatalytic colloid particles of palladium. The palladium pattern was printed by μcp

38 Εγγραφή με Μικροεπαφή (μcp)

39 Μικροκαλούπι με την Βοήθεια Διαλύτη solvent-assisted micromolding, SAMIM) Y.Xia and G.M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 550 SEM images of polymeric microstructures fabricated by MIMIC from prepolymer of polyacrylate (A, C) and polyurethane (B, D) without solvents. The structures in B and D are freestanding; the buckling occurred during sample preparation and demonstrated their strength.

40 Λιθογραφία Νανοαποτυπώματος (Nanoimpint Lithography, NIL) CNF, Cornell

41 Λιθογραφία Νανοαποτυπώματος SEM micrograph of a top view of 60 nm deep holes imprinted into PMMA which have a 10 nm minimum diameter and a period of 40 nm. SEM micrograph of a SiO 2 mold with 10 nm minimum diameter pillars with a 40 nm period which are 60 nm tall, after being used 12 times

42 Λιθογραφία Νανοαποτυπώματος Chou, Krauss, and Renstrom, J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 14, 1996 SEM micrographs of 30 nm wide metal gratings with a 150 nm period fabricated using imprint lithography and lift off. The five pictures come from the four corners and the center of a mold that has a size of 15 mm by 18 mm.

43 Μάσκες για NIL Compatible with existing Mask Shop Infrastructure Vector scan machines (100keV) 5nm grid size Typical results (D. Resnick, Motorola)

44 DNA αζωτούχας βάσης φωσφορικού οξέος πεντόζης αδενίνη θυμίνη γουανίνη κυτοσίνη ουρακίλη

45 Μικροσυστοιχίες βιομορίων Σύνθεσης (in situ σύνθεση) Διοχέτευσης (προκατασκευασμένα μόρια) DNA chip (ολιγονουκλεοτίδια) Protein microarray Λειτουργικές Διατάξεις πρωτεϊνών-ανιχνευτών

46 Μικροσυστοιχίες βιομορίων Λειτουργική διάταξη Οι πρωτεΐνες ακινητοποιούνται στην επιφάνεια (πορτοκαλί χρώμα). Με αυτές τις διατάξεις ελέγχεται η λειτουργία ή η ικανότητα σύνδεσης των ακινητοποιημένων πρωτεϊνών. Διάταξη πρωτεΐνης-ανιχνευτή Ένα ή περισσότερα ειδικευμένα προσδετικά μόρια (μπλε χρώμα) σε κάθε πρωτεΐνη ακινητοποιούνται σε μία επιφάνεια. Στο παράδειγμα αυτό, όλες οι πρωτεΐνες δύο βιολογικών δειγμάτων που κάποιος θέλει να συγκρίνει χρωματίστηκαν με δύο διαφορετικές ταμπέλες T. Kodadek, Chem. Biol., 8, pp (2001).

47 Μικροσυστοιχίες βιομορίων Φωτοχημική μέθοδος Μικροκηλίδωση επαφής Μικροεκτόξευση M. Schena et al., Tibtech., 16, pp (1998).

48 Φωτοκαθοδηγούμενες Διαδικασίες Affymetrix chip: περιέχουν ομάδες ολιγονουκλεοτιδίων σε μία περιοχή 1,6 cm 2, με κάθε περιοχή να περιέχει περίπου δέκα εκατομμύρια ολιγονουκλεοτίδια μιας καθορισμένης σειράς. S.P.A. Fodor et al., Science, 251, pp (1991) G.H Mc Gall et al.,jacs 119, 5081 (1997) 5-(((R-methyl-2-nitropiperonyl)-oxy)carbonyl) (MeNPOC)-2-deoxynucleoside phosphoramidites

49 Φωτοκαθοδηγούμενες Διαδικασίες UV source Micromirror array Optical system DNA chip Το σύστημα βασίζεται στην χρήση μιας διάταξης καθρεπτών, η οποία μπορεί να προγραμματιστεί, για την δημιουργία μιας εικόνας. Το σύστημα αποτελείται από μία πηγή UV και ένα οπτικό σύστημα 1Χ το οποίο συνδέεται με ένα κελί αντιδράσεων μέσω ενός συστήματος με αντλίες. F. Cerrina et al., Microelectron. Eng., 61-62, pp (2002). Παραδείγματα μικροσυστοιχιών. Στην πρώτη μικροσυστοιχία ήταν ένας μόνο καθρέπτης ανοιχτός έχοντας του οκτώ καθρέπτες γύρω του κλειστούς (μέγεθος κουκκίδας 16μm). Στην δεύτερη συστοιχία κάθε τετράγωνο αντιστοιχεί σε τέσσερις ανοικτούς καθρέπτες (μέγεθος κουκκίδας 33μm)

50 Φωτοκαθοδηγούμενες Διαδικασίες Τροποποιημένη υάλινη επιφάνεια polyimide underlayer + SU-8 photoresist Επίστρωση πρώτου στρώματος και φωτοπολυμερούς Έκθεση του φωτοπολυμερούς Εμφάνιση του φωτοπολυμερούς και μεταφορά της εικόνας Αφαίρεση του φωτοπολυμερούς και του πρώτου στρώματος. Σύνδεση με DMTολιγονουκλεοτίδιο G. McGall et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, (1996).

51 Μικροκηλίδωση επαφής MacBeath et al., J. Am. Chem. Soc., 121, 7967 (1999)

52 Μικροεκτόξευση Σχηματική αναπαράσταση δομών επιφανειακής τάσης (υδρόφιλων και υδρόφοβων περιοχών) κατασκευασμένες με λιθογραφία για την εναπόθεση βιομορίων. Οι υδρόφοβες περιοχές έγιναν με χημική εναπόθεση από ατμό. Σχηματική αναπαράσταση μιας αντλίας inkjet που κατασκευάστικε με λιθογραφία και τεχνικές πλάσματος. A.P. Blanchard et al., Biosensors and Bioelectronics 11, 687 (1996)

53 Μικροσυστοιχίες με Χρήση Εύπλαστων Υλικών κατασκευή μάσκας κατασκευή καλουπιού Έκθεση του υποστρώματος σε αλκενοθειόλη με διαφορετικό τερματικό γκρουπ, βρέχεται με την αλκενοθειόλη Δημιουργία SAMs σε υπόστρωμα εμβαπτίζεται το υπόστρωμα σε διάλυμα πρωτεΐνης, η πρωτεΐνη προσροφάται επιλεκτικά σε ένα μόνο είδος αλκενοθειόλης M. Mrksich and G.M. Whitesides, Trends Biotec hnolog., 13,.228 (1995).