Nano patterning Fokus Top down vs. Bottom up There is plenty of room at the bottom R. Feynman 1959 Mindre, snabbare, billigare bättre G Moore (1965): The surface area of a single transistor is reduced with 50 % every 12 months. Upplösning λ=193 nm Senare ändrat till var 24:e månad. k=1/4 NA=1.7 sin Θ =1.4 R= 35nm 1
Men. Vilka alternativ finns? Ebeam ion beam Nanolitografi mfl Kommersiella nanomönstringsmetoder EUV Röntgen E beam/e projection Ion beam/ion projection E beam Två operation modes: 1. Direkt skrivande med digital mask (e beam) 2. Projektion genom mask (e beam projection lithography) 1 µm!!!!! E- beam/ E- projection Exponering sker utan diffraktion λ< 1Å för 10-50KeV elektroner) PMMA vanlig resist Begränsningar Abberation Spridning 5 nm feature size Bragg Fresnel lins för Röntgen strålar PSI institute 2
E beam / e projection Vanligast typen har samma struktur som SEM men med: Ståle av/på möjlighet Pixelering Noggrann positionering Aberration Optiska linser har utvecklats i 700 år perfekta Magnetiska har utvecklats i ca 70 år tokdåliga Viktigaste typerna är kromatisk och sfärisk aberration samt astigmatism Astigmatism sker pga icke uniformt magnetiskt fält, varitationer i strålen ej cirkulär och jämn Kromatisk aberration Sfärisk aberration Kromatisk pga ej samma Energi - Elektroner har alltid ca 0.2 ev spridning i sin energi pga coulomb interaktion både horisontellt (Boersch effekten) och lateralt (Loeffler) ger olika fokusering längs y-axeln Sfärisk pga - ej perfekta linser. Strålarna bryts inte mot ett gemensamt fokus. - En punkt avbildas som en utspridd skiva. Elektronspriding vid ebeam + och med ebeam Electron scattering, elastisk och oelastisk reflektion i resist och substrat Generering av secondary electrons Resisten exponeras även av dessa elektroner ökad linjebredd, fördubbling inte oväntat. + Kommersiell metod att generera submikrostrukturer + Automatiserat och kontrollerat + Stort fokusdjup + Direkt skrivande utan dyra masker - Långsam (därför dyr) ca 0.5 wafers/h vid 0.1 µm Dyr utrustning Elektronspridning Vakuum Aberration Ion beam litografi Ion beam (projektion) litografi relativt likt e beam Används mycket inom halvledare industrin Joner alstras i ett extremet högt E-fält 10 8 V/cm Accelereras och fokuseras mot ytan Också för avbildning Både additativ och subtraktiv Vanlig är focused Ion Beam (FIB) - Gallium joner vanlig - Guld eller iridium Interagerad med hela atomer Tyngre - Högre moment Skapar sekundära elektroner och utslagna joner som kan användas för avbildning av ytan - även icke ledande material Extreme precision fåtal nm Modifiera eller kontraktera strukturer skapade med andra tekniker - bryta elektrisk kontakt - deponera material för att skapa kontakt - Dopning Preparera prover för TEM - skär ut tunna skivor 3
Jämförelse med E-Beam SPM-tekniker + Mindre spridning + Resisterna är mer känsliga för joner + Större moment med samma energi ++ Högre upplösning och snabbare exponering än e-beam - Jonkälla, svårare att få bra - Strålens fokusering - Mask - Hög absorbans i resist svårt med djupa strukturer - Ion implantation - Ytojämn, (roughnes) Atomic force microscopy Direkt skrivande med SPM metoder Probe lithography, dip pen lithography; att skapa ett mönster med skarpa tippar Exakt med väldigt långsamt Enkel tip IBM s millipede array Tippen väts med bläck som diffunderar från tipp till yta http://www.zurich.ibm.com/imagegallery/millipede/ Problitografi med thioler Problitografi med proteiner A-B storlek proportionell mot kontaktid diffusions begränsad 4
Problitografi genom nano rakning Anodisk oxidation På anoden dvs positiva elektroden bildas oxid S Mjuk litografi Användning av nanomönster som form Nano imprint lithography (NIL) Nano stencil lithography (NSL) Snabb tillverkning av replikat av långsamma skrivande metoder t ex e beam och ion beam NIL (back to old tech) Termisk NIL Termisk NIL (hot embossing): Trycka in ett mönster i en polymer upphettas över glastemperaturen under processen UV NIL: Trycka in ett mönster i en polymer som härdas med UV-ljus under processen Temperatur kontra tryck viktigt David Mendels 5
Bra imprinting Termisk NIL Termisk NIL Stämpel mönster ej helt fyllda För låg T För kort tid Polymerfilm bortsliten Dålig addesion Mönster skiftade Termisk expansion UV NIL NIL summering 1. Stempel 2. 3. Resist Substrat UV-Licht www.amo.de + Sub 20 nm features utan EUV + Billigare än foto litografi, E/Ion- Beam - Inte moget för CMOS? - Alltid en residual film 4. + snabbare Gehärteter Resist -ej lika utvecklat,material problem 5. Nano Stencil Lithography NSL - strukturer Enligt en NSL förespråkare enkelt, utan resist och ickekontakt L. Doeswjik Visar att u och nano kan överföras på samma L. Doeswjik 6
Exempel på masktillverkning Komplicerad litografisk process + Resistlös + Många material möjliga + Utan kontakt + Utan uppvärmning + Relativt billigt + Multipla lager möjliga NSL fördelar Mikro och nano på en gång Känsliga (kemiskt och fysiskt) ytor kan beläggas Ytor med varierande topografi kan beläggas Men?? NSL - nackdelar Väldigt dyr mask, med sammanhängade strukturer Kräver vakuum Utsuddning av strukturer pga gap Deformering av masken MIMIC L. Doeswjik micro-nano SL connectors Connected micro-nano lines with different depth Enables fluidics between micro and nano channels Mahiar Hamedi et. al. Patent: WO 2006/096123 7
Micro/nano EC transistor - No connection between lines - Conduction along high aspect ratios - Micro contact pads inherent - Nano lines EC active PEDOT-S micro-nano fibers patterned with molding in capillaries 500 nm width 0.5 mm long Soft Litho. at the molecular scale Självorganiserade system Replicating a single carbon nanotube in PDMS Hua, NANO LETTERS 2004 Vol. 4, No. 12 2467-2471 MIMIC Applications / patterning Proteiner som mask E Kim, J. Am. Chem. Soc., Vol. 118, No. 24, 1996 8