Nanolitografie a nanometrologie

Transkript

1 Nanolitografie a nanometrologie 1 Nanolitografie 2 Litografie svazkem 3 Softlitografie 4 Skenovací nanolitografie 5 Nanometrologie

2 Nanolitografie Poznámky k tvorbě nanostruktur tvorba užitečných nanostruktur vyžaduje spojení s mikrookolím propracovanější u top-down technik u nanoobjektů je třeba zohledňovat charakter chemických vazeb např. vzájemná orientace nemůže být libovolná existuje hierarchie síly vazeb např. vliv vdw interakce roste s rozměrem molekuly, kovalentní vazby jsou už využity rozměry struktur jsou často zároveň nejmenšími jednotkami, které lze nezávisle ovládat potřebné je omezení a řízení stupňů volnosti samovolného pohybu stavebních bloků k dosažení žádaného uspořádání

3 Nanolitografie Princip litografie 1 nanesení vrstvy rezistu, vytvrzení 2 ozáření přes masku 3 vyvolání obrazu 4 zahřátí odstranění rozpouštědla 5 zpracování povrchu planární technologie využívaná hromadně, výroba IO

4 Nanolitografie Subtraktivní metoda mokré leptání ponoření do rozpouštědla, které neleptá rezist velice jednoduché, ekonomické, rychlé, mnoho materiálů izotropní leptání podleptání struktur, nepřesné laterální rozměry anizotropní leptání pro některé monokrystaly, např. KOH a {111} suché leptání leptání pomocí bombardování povrchu leptání iontovým svazkem IBE čistě fyzikální reaktivní iontové leptání RIE kombinované s chemickou cestou

5 Nanolitografie Aditivní metoda lift-off na vytvarovaný rezist se nanese vrstva materiálu musí být nespojitá rozpustí se rezist, opláchnutí jednoduchá a efektivní metoda vyžaduje strmé přechody a směrovou metodu depozice tloušťka vrstvy menší než tloušťka rezistu elektrolytický růst vespod je vodivá vrstva, rezist vymezí přístupové okno př. Ni: z roztoku NiCl 2 se na katodě redukuje Ni tloušťka řízena časem, Faradayův zákon m = ItM Fz, F = C jednoduchá metoda, vrstvy vysoké kvality v případě nanostruktur problémy s regenerací elektrolytu

6 Litografie svazkem Litografie elektronovým svazkem (EBL) rezist se ozařuje elektronovým svazkem řízeno počítačem, neexistuje maska, bez difrakčních omezení sekvenční proces, repeat-and-scan režim v podstatě SEM, rezist např. PMMA častá aplikace: masky pro optickou litografii tloušťky čar cca. 10 nm, lepší rozlišení pro izolované objekty, vliv SE (zlepšení vyšší napětí, tenčí rezist) primární elektrony se mohou odrazit od podložky deformace do větší vzdálenosti

7 Litografie svazkem Litografie zaostřeným iontovým svazkem (FIB) ionty mají mnohem větší energii než elektrony, také menší rozptyl v rezistu LMI zdroj kapalný zdroj kovových iontů, nevýhoda: disperze energie různé aplikace: litografie, depozice, tvorba defektů iont Ga + : nízká teplota tání, vhodná hmotnost, snadno odlišitelné elektrostatické čočky oprýskávání povrchů gas assisted etching (GAE) vpouští se halogenový plyn zvýší tvorbu volatilních produktů dodá chemickou citlivost lze odleptat oxidy bez poškození vodičů

8 Litografie svazkem Konstrukce FIB

9 Litografie svazkem Litografie zaostřeným iontovým svazkem (FIB) urychlení 5 50 kev, desítky na, stopa jednotky nm vznik poškozené vrstvy, lze odstranit nízkoenergetickým Ar svazkem Aplikace: ztenčování vzorků pro TEM lokální depozice kov obsahujících plynů (W(CO) 6 ), ochranné obětované vrstvy implantace, IO přerušení nebo vytvoření vodivé cesty Mikroskopie lepší citlivost k detailům typu krystalové orientace a zrn v kombinace se SEM lze získat 3D data

10 Litografie svazkem Aplikace FIB

11 Softlitografie Nanoimprint dvoustupňový proces: formou se vytvaruje rezist (PMMA, PC) rezist se zpracuje (RIE) poté následuje zpracování (např. lift-off) metoda jednoduchá, velmi přesná hromadná produkce antiadhesivní vrstva vtisk při teplotě nad T g po několik minut, ochlazení pod tlakem přesnost závisí na reologických vlastnostech, η a T g (lepší nízká M) kvalita otisku závisí na tloušťce rezistu h minimální motiv může být menší než molekula rezistu a) b) c) d) e)

12 Softlitografie Microcontact printing soft litografie polydimeethylsiloxane (PDMS) silikonový olej z OSi(CH 3 ) 2 O ohebný, průhledný, chemicky inertní z PDMS se vytvoří obtisk formy nalití prekurzoru PDMS a katalyzátoru zahřátí pro urychlení reakce (80 C, 1 h) vlastnosti lze volit poměrem složek namočení PDMS razítka do thiolu obtištění na zlatý povrch (vazba S Au) oblasti kontaktu jsou chráněny thiolem zpracování Au vrstvy případné zpracování podložky PDMS Au

13 Softlitografie Nanosphere lithography tvorba periodických objektů vytvoření monovrstvy z těsně uspořádaných částic depozice atomů odstranění částic možnost masky ze dvou vrstev

14 Skenovací nanolitografie Manipulace schopnost manipulace na atomární úrovni řada nanolitografických technik provádění chemických reakcí na atomární úrovni

15 Skenovací nanolitografie Manipulace Sn/Si monoatomární Sn vrtsva na Si s Si defekty vertikální manipulace (zaměňování atomů) doba přípravy 1,5 hod

16 Skenovací nanolitografie Provádění chemických reakcí

17 Skenovací nanolitografie AFM litografie silová využívá sílu hrotu, kontaktní i nekontaktní nanoshaving hrotem narušuje samouspořádanou vrstvu dip pen využívá rozpouštění, difuzi a redukci molekul

18 Skenovací nanolitografie Lokální oxidace vlivem elektrického pole dochází k disociaci vody nabité skupiny reagují s povrchem (Si SiO 2 ) rozdílné hustoty se projeví vystoupením motivu

19 Skenovací nanolitografie Nanosvařování využívá lokální oxidaci uchycení nanotrubičky k podložce využití k složitým manipulacím

20 Skenovací nanolitografie SPM techniky pro záznamové aplikace vysoká hustota záznamu: buňka 10 nm: hustota bitů/cm 2, současné technologie 10 9 bitů/cm 2 problém s rychlostí paralelní tím vzniká problém s detekcí piezo mag. záznam omezen velikostí domén pro spotřební elektroniku nutnost mechanické odolnosti

21 Nanometrologie Nanometrologie rozšíření délkové metrologie do nanorozměrů zaručení jednotnosti a správnosti měření rozměry pod 100 nm, nejistoty často pod 1 nm většinou mikroskopické techniky problém s definicemi dle norem délková metrologie interference stabilizovaným laserem pro přesná měření optická interferometrie rozlišení pod 1 nm i kapacitní a induktivní senzory bez návaznosti na metr

22 Nanometrologie Optická interferometrie využití vzdálenosti maxim/minim vlnová délka Michelsonův interferometr polarizace, 1 nebo 2 vlnové délky pro menší rozměry interpolace teoreticky sinusový průběh vliv indexu lomu, polarizace, difrakce nedokonalosti optiky průměrování přes velkou plochu rozlišení vícesvazkových speciálních interferometrů až 0,01 nm

23 Nanometrologie Rentgenová interferometrie tři Si destičky z monokrystalu, rovnoměrně vzdálené vybroušené plochy kolmé k rovinám (220) LLL interferometr (Laueho difrakce, Braggův odraz) minima vzdálená o d 220, nezávisí na λ nelze pozorovat přímo Moiré proužky pohybem poslední lamely

24 Nanometrologie Combined Optical and X-ray Interferometer (COXI) zařízení pro kalibraci nanoposuvů pro posuvy do 1 µm je nejistota pro 95 %: ±30 pm l = 1 4 λ (N 02 N 01 ) + (n x2 n x1 )d (f x 2 f x1 )d 220

25 Nanometrologie Metrologické AFM obsahují vazbu na definici metru 3 interferometry možnost velkého skenovacího rozsahu korekce při výpočtu nebo real-time