Přednáška 11 Litografie, maskování, vytváření nanostruktur.
Litografie kombinace více procesů vedoucích k vytvoření požadované struktury nebo také přesné chemicko- fyzikální opracování existuje řada různých postupů jak to provádět, některé jsou vhodné pro hromadnou výrobu jiné naopak pro výzkum a vývoj
Princip většina litografií je založená na principu zakrývání povrchu maskou tam, kde nemá být vytvořená vrstva. Maska se pak odstraní. Tyto kroky lze mnohokrát opakovat.
Obsah Fotolitografie Soft litografie templátová nanosférická imprinted Skenovací litografie elektronovým svazkem iontovým svazkem hrotem Doplněk Galvanické pokovování
Fotolitografie základní litografie pro mikroelektroniku Postup Citlivou vrstvu vytvoříme z polymeru (fotorezistu) naneseného na povrchu ten přes vzorovou masku osvítíme sklo s Cr povlakem obraz vyvoláme, nevyvolané zbytky rezistu smyjeme (poz. - negativ.) další zpracování např. leptáním odstraníme nezakryté oblasti
http://www.sbb.cz/docs/prednasky/vscht/mikrolitografie.pdf Osvit rezistu přes masku
Fotorezist pozitivní a negativní ovlivňuje složitost masky je to polymer, který reaguje změnou struktury na vystavení fotonům nebo elektronům Jak ho nanést? Spin casting nebo dip casting. Předepsaný postup použití vede na reprodukovatelnou tloušťku vrstvy.
Subtraktivní další zpracování mokré leptání pomoříme do rozpouštědla, které neleptá rezist, ale odstraňuje nezakrytou vrstvu jednoduchá, levná technika, rychlá ale leptá izotropně (všesměrově), takže podleptá struktury na hranách anizotropně Izotropně
Subtraktivní další zpracování suché leptání použijeme ionty z plazmatu Ion Beam Etching odprašování jen fyzikálním procesem Reactive Ion Beam Etching odprašování fyzikálně chemickým procesem
Bosch proces ICP plasma
Příklad zdroj iontů průměr 15 cm nebo 35 cm tj. celý vzorek najednou http://www.oxford-instruments.com/products/etching-deposition-growth/tools/tools/ionfab300plus/documents/ion%20beam%20brochure.pdf
Příklady CdHgTe (CMT) etch for infrared detector applications Difrakční mřížka - quartz
Příklady Alcatel patentovaný postup 35 mm otvory leptané do hloubky 300 mm rychlostí 14 mm/min
Aditivní další zpracování lift-off na povrch s vytvarovaný rezistem (zakryté jen vybrané oblasti) se nanese vrstva nového materiálu, který má pokrývat rezistem nezakryté oblasti rezist rozpustíme a vrstva, které byla na něj nanesena je odstraněna nutné je deponovat vrstvu rostoucí ve směru normály a tenčí než vrstva rezistu
Lift off
Aditivní další zpracování elektrolytický růst na povrch s vytvarovaný rezistem (zakryté jen vybrané oblasti) je nanesen na el. vodivý podklad novou vrstvu vytvoříme galvanickým pokovováním z roztoku velice rychlé a jednoduché vytvořené vrstvy jsou dobré kvality
Softlitografie - nanosférická maska vytvořená z rezistu je nahrazená maskou z malých polystyrenových kuliček průměr od 20 nm do cca 200 nm kuličky rozmícháme v kapalině a naneseme na povrch spin nebo dip technikou vznikne podle kvality zpracování více nebo méně pravidelná struktura
Nanosférická litografie Single layer of spheres Double layer of spheres
Nanosférická litografie Monolayer of PS spheres 200 nm prepared by dip-coating method, AFM image of area 20 20 a 5 5 μm.
Nanosférická litografie AFM 5 x 5 microns Single layer mask AFM 2 x 2 microns Double l. mask Pyramid Shape
Softlitografie - imprinted vytvoříme razítko a to používáme na vytváření masek na dalších površích razítko z polydimeethylsiloxane (PDMS) ohebný, průhledný, poměrně chemicky inertní
Softlitografie - imprinted Vytvoření razítka na kopírovaný povrch naneseme DPMS s katalizátorem ohřevem vytvrdíme
Softlitografie - imprinted Používání razítka razítko namočíme do thiolu obtiskneme na Au povrch, v místech kontaktu se Thiol přenese (vazba S - Au) Thiol slouží jako maska a můžeme provádět další operace Pozn. Thiol sirný alkohol
Softlitografie - nanoimprinted otiskává se přímo pevná maska do vrstvy rezistu. maska rezist zpracování vrstva
Příklady
Skenovací litografie - elektronovým svazkem Obrazce na vrstvu rezistu vytváříme pomocí svazku elektronů (upravené SEM) Tloušťky čar pod 10 nm Maska existuje jen jako program v počítači toto je technika pro výrobu masek pro fotolitografii rezisty obvykle na bázi PMMA
Skenovací litografie - iontovým svazkem zaostřený iontový svazek (FIB) stopa cca 10 nm lze doplnit o gas assisted etching (GAE) pomocí místně připouštěných halogenových plynů lze zvýšit rychlost a i selektivity leptání např. odleptat jen oxid nikoliv kov
Příklad
Skenovací litografie hrotem např. výměna atomů Si za Sn pomocí hrotu
Hrotem AFM tři základní principy silová síla působící na hrot naruší povrch (úprava masky spíše než vlastního tvrdého povrchu) nanoshaving hrotem narušíme samoorganizovanou vrstvu dip pen využijeme rozpouštění, difuzi a redukci molekul Videa http://www.ntmdt.com/spm-principles/view/litho graphies
Silová
Dip pen
Lokální oxidace hrotem el. pole disociuje vodu nabité skupiny reagují s povrchem takže např. Si na SiO2 nebo Ti na TiO2 viz níže
Vybavení laboratoře litografie příklad nové lab. CEITEC Laboratoře nanolitografie umístěné v čistých prostorách (třída 100 100 000) vybavené špičkovou technikou pro přípravu nanostruktur umožňují efektivní výrobu všech druhů nano a mikrostruktur a zařízení v jednom laboratorním komplexu. Typický počet neživých částic ve vzduchu ve 11 3 městě je 10 částic/ m (0,3 µm velkých).
Vybavení CEITEC Elektronový litograf MBE Bezmaskový laserový rastrovací litograf ALD PECVD + RIE, 400 C, s pohyblivou elektrodou PECVD - ICP, 400 C Elektronová napařovačka UV litograf (Aligner) s možností nanoimprint litografie Systém pro automatické nanášení a vyvolávání rezistů Mikroskop Reflektometr Sysrém pro magnetronové naprašování, 2 komory, 6DC, 4RF magnetrony Kontaktovačka pro hranové a kuličkové kontaktování Mechanický profilometr Chemické boxy se zařízením pro odstředivé lití Laserové řezání substrátů LPCVD & PECVD Testovací environmentální komora MOCVD (MOVPE) Měřicí stanice Chemické boxy RIE odstraňovač rezistu DRIE - r.f. ICP (fluor) RIE - r.f. ICP (chlor - GaAs) Licence software COVENTOR, návrh MEMS (DESIGNER, ANALYZER, INTEGRATOR, Microfluidics, ARCHITECT3D Libraries, SEMulator3D / MEMulator) Licence software CADENCE (simulace a návrh integrovaných obvodů) http://www.ceitec.vutbr.cz/cs/centralni-laboratoe/laborato-nanolitografie-a-piprava-nanostruktur
Galvanické povlakování
Princip Vylučování kovu Me na katodě z roztoku jeho iontů Mez+ probíhá podle reakce: Mez+ + z e- = Me Ve skutečnosti je však tento děj mnohem komplikovanější, neboť se skládá z řady dílčích procesů, které jsou ovlivněny podmínkami, při nichž se vylučování uskutečňuje (teplota, ph, složení elektrolytu, obsah nečistot, míchání apod.). V galvanotechnické praxi převládají elektrolyty, v nichž jsou kovy vázány v komplexech. Např. kovy jako Cu, Zn, Cd, Ag, Au se často Katoda Anoda vylučují z kyanidových komplexů apod. Elektrolyt s ionty kovu
Základní zákony 1. Faradayův zákon Hmotnost látky vyloučené na elektrodě závisí přímo úměrně na elektrickém proudu, procházejícím elektrolytem, a na čase, po který elektrický proud procházel. m = A.I.t, kde m je hmotnost vyloučené látky, A je elektrochemický ekvivalent látky, I je elektrický proud, t je čas nebo též m = A.Q, kde Q je elektrický náboj prošlý elektrolytem.
Základní zákony 2. Faradayův zákon Látková množství vyloučená stejným nábojem jsou pro všechny látky chemicky ekvivalentní, neboli elektrochemický ekvivalent A závisí přímo úměrně na molární hmotnosti látky. Mm A zf, kde F je Faradayova konstanta F = 9,6485 104 C.mol 1 a z je počet elektronů, které jsou potřeba při vyloučení jedné molekuly (např. pro Cu2+ Cu je z = 2, pro Ag+ Ag je z = 1).
Příklady
Literatura http://fyzika.upol.cz/cs/system/files/download/vuj tek/texty/zanan-lit.pdf http://www.sbb.cz/docs/prednasky/vscht/mikrolit ografie.pdf J.W. Gardner, V.K. Varadan, O. O. Awadelkarim, Microsensors MEMS and Smart Devices http://www.scribd.com/doc/86725365/15/resist