JoséIgnacio Martín Universidad de Oviedo -CINN · Técnicas de nanofabricaciónpara aplicaciones...
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Técnicas de nanofabricación para aplicaciones en Nanotecnología – Jaca 2011
José Ignacio MartínUniversidad de Oviedo - CINN
LITOGRAFÍA ÓPTICA
Líneas del Hg
LITOGRAFÍA ÓPTICAPROYECCIÓN
NAkresolución
λ1= = MFS
LITOGRAFÍA ÓPTICAPROYECCIÓN
LITOGRAFÍA DE INMERSIÓN
Cambiar el índice de refracción aumenta la NA (se recoge más luz)
El agua pura reúne todos los requisitos: n = 1.47, 5% absorción, compatible con lentes y fotoresina, no contamina.
LITOGRAFÍA ÓPTICA
LITOGRAFÍA ÓPTICAFUENTES DE LUZ
Longitud de onda (nm) Rango y fuente
436 Línea-G Lámpara Hg (UV)
365 Línea-I Lámpara Hg (UV)
248 Láser KrF (DUV)
193 Láser ArF (DUV)
157 Láser F2 (DUV)
LITOGRAFÍA ÓPTICAFUENTES DE LUZ
Longitud de onda (nm) Rango y fuente
436 Línea-G Lámpara Hg (UV)
365 Línea-I Lámpara Hg (UV)
248 Láser KrF (DUV)
193 Láser ArF (DUV)
157 Láser F2 (DUV)
¿Longitud de onda menor?
LITOGRAFÍA ÓPTICAFUENTES DE LUZ
Longitud de onda (nm) Rango y fuente
436 Línea-G Lámpara Hg (UV)
365 Línea-I Lámpara Hg (UV)
248 Láser KrF (DUV)
193 Láser ArF (DUV)
157 Láser F2 (DUV)
~ 10 (13.4) Plasma (EUV)
~ 1 Rayos-X, sincrotrón
� Litografía EUV (ultravioleta extremo)
� Litografía con rayos-x
� Litografía EUV (ultravioleta extremo)
� Litografía con rayos-x
� Litografía por interferencia láser� Litografía holográfica
LITOGRAFÍA EUV(ULTRAVIOLETA EXTREMO)
Stulen & Sweeney, IEEE J. Quantum Electronics 35, 694 (1999)
LITOGRAFÍA ÓPTICA
STEPPER
Control X-Y
Imagen sobre la obleaImagen sobre la oblea
LITOGRAFÍA ÓPTICA
STEPPER
Control X-Y
Imagen sobre la obleaImagen sobre la oblea
¿ Sigue vigente para
λ pequeña ?
LITOGRAFÍA EUVPara λ = 157 nm (láser F2) cambiar lentes de cuarzo por lentes
de CaF2 por problemas de absorción para λ < 180 nm
Para λ ~ 10 nm todos los materiales absorben prácticamente toda la luz
���� Cambiar óptica de refracción por óptica de reflexión
Máscara
Espejo de imagen secundario
LITOGRAFÍA EUVESPEJOS λ ~ 10 nm
Coeficiente de reflexión
Stulen & Sweeney, IEEE J. Quantum Electronics 35, 694 (1999)
LITOGRAFÍA EUVESPEJOS λ ~ 13.4 nm
Multicapas Mo/Si ( alto n / bajo n )
S. Bajt
D. AttwoodDispersión ~ 1/λ2 ���� rugosidad muy baja
LITOGRAFÍA EUVESPEJOS λ ~ 13.4 nm
S. Bajt
D. Attwood
LITOGRAFÍA EUVESPEJOS λ ~ 13.4 nm
D. Sweeney
D. AttwoodJ.Taylor
D. Attwood
LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO
R. Stulen
D. Attwood
LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO
D. Attwood & R. Stulen
λ pequeña = absorción por N2 + O2
Necesidad de vacío
LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO
B. Replogle
D. Attwood
LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO (proyección)
D. Sweeney
D. Attwood
4 espejos
LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO (proyección)
D. Attwood
R. Hudyma & D. Sweeney
6 espejos
LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO
LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
Materia neutra no proporciona EUV
Se requiere no sólo iones, sino iones multicargadospositivamente
�Generación de un plasma
Temperaturas hasta del orden de 200000 K
Átomos ionizados con carga del orden de +10e
Radiación compatible con espejos de Mo/Si (λ ~ 13.4 nm)
LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
Plasma de Xe
D. Attwood
LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
G. O’Sullivan, R. Faulkner, A Cummings
D. Attwood
LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
Plasma de Xe
D. Attwood
Banda espejos Mo/Si
LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
Plasma de Xe Banda espejos Mo/Si
Ineficiente: 100 W de 13.4 nm implica varios kW de consumo de otras fuentes
LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
Plasma de Sn
U. Stamm
Pueden contribuir iones de Sn desde +8e a +13e
LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
Plasma de Sn
Mucho más efeciente que Xe
a 13.4 nm
D. Attwood,
G. O’Sullivan, R. Faulkner, A Cummings
LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
PLASMA PRODUCIDO POR LÁSER (LPP)
D. Attwood
U. Stamm
LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
PLASMA POR DESCARGA ELÉCTRICA (DPP)
D. Attwood, N.Fornaciari & G. Kubiak
U. Stamm
LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
ESPECIFICACIONES REQUERIDAS
Control de la resolución Reproducibilidad de los pulsos de plasma
Rendimiento Potencia EUV producida + recogida por óptica colectora
100 obleas/hora ~ 100 W
Coste económico Vida de los componentes
LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
VIDA DE LOS COMPONENTES
Iones de la fuente de plasma tienen suficiente energía como para arrancar material (sputtering) del sistema (Xe ó Sn)
Si se usa Sn (+ eficiente para EUV), además se deposita sobre las lentes de Mo/Si colectoras!!!
� Vida de los componentes muy reducida
100 W + pulsos a 1kHz ~ 1 mes de vida
LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO
R. Stulen
D. Attwood
LITOGRAFÍA EUVMÁSCARA
Silicio u otro sustrato con bajo
coeficiente de expansión térmica
Multicapa Mo/SiCapping SiO2
Buffer Ru
Patrón de material absorbente (TaN, Cr, W)
LITOGRAFÍA EUVMÁSCARADEFECTOS
AMPLITUD FASE
Se “pueden ver” (AFM, SEM, dispersión EUV) si los hay en la máscara pero es muy difícil
repararlos
���� ¡No pueden existir!
LITOGRAFÍA EUVRESINA
Brainard et al, Microelectron. Eng. 61-62, 707 (2002)
λ (EUV) ~ tamañopolímero
LITOGRAFÍA EUVRESINA
Transparencia: elementos en la resina con alta relación de aspecto
Densidad óptica: OD Transmitancia: T
OD = −−−− log(T)
Brainard et al,
Microelectron. Eng. 61-62, 707 (2002)
EUV: energía ���� baja transparencia independientemente de la resina
LITOGRAFÍA EUVRESINA
Sensibilidad: menor potencia fuentes EUV ���� mayor sensibilidad de la resina (~ factor 10)
< 10 mJ/cm2
���� Cuidado con la rugosidad de borde de línea (LER)
LITOGRAFÍA EUVRESINA
Positive Resist
2.3mJ/cm2 LER=7.2nm
Negative Resist
3.2mJ/cm2 LER=7.6nm
M. Smith
LITOGRAFÍA EUV
LITOGRAFÍA EUV
LITOGRAFÍA EUV
D. Attwood, UCB
LITOGRAFÍA POR RAYOS-X
λλλλ ~ 1 nmReduce el problema de la Difracción
VENTAJAS• Se evita el problema de la difracción: alta resolución• Rápido - Proceso en paralelo • Posibilidad de obtener formas complejas
DESVENTAJAS• Se han de utilizar fuentes especiales de rayos-X: RADIACIÓN SINCROTRÓN (fuentes puntuales ~ centésima parte de la potencia de radiación)• Difícil de hacer máscaras���� Fuera de las hojas de ruta
LITOGRAFÍA POR RAYOS-X
Jefferson Lab
LITOGRAFÍA POR RAYOS-X
Máscaras
• Combinación de materialesopacos (elementos pesados: Au) y transparentes (membranas de bajo peso atómico: BN, S3N4) a los rayos-X
• Hecha por litografía electrónica• Polvo no es problema por ser transparente a los rayos-X
• Efectos de sombra
LITOGRAFÍA POR RAYOS-X
Problemas con los efectos geométricosPenumbra: tamaño finito de la fuente+ espacio máscara-muestra
δ = Φ g/LIncidencia oblicua: desplazamientolateral d en la magnificación, a ser corregido al hacer la máscara
d = r g/L
LITOGRAFÍA POR RAYOS-X
Máscara de oro
LITOGRAFÍA POR RAYOS-X
LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO
Rendija d
Difracción Fresnel
Simulaciónd = 150 nmλ = 0.8 nm
A. J. Bourdillon
Y. Vladimirsky
LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANOIntensidad a distancia crítica
( ~ d2/3λ)
A. J. Bourdillon
Y. Vladimirsky
LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANOIntensidad a distancia crítica
( ~ d2/3λ)
¡ Motivos menores que en la máscara ! ���� Demagnificación
LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO
A. J. Bourdillon
Y. Vladimirsky
d = 150 nmλ = 0.8 nm
Distintos niveles de revelado
LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO
Demagnificación por desplazamiento
A. J. Bourdillon
Y. Vladimirsky
LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO
Y. Vladimirsky
Demagnificación
LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO
Y. Vladimirsky
Demagnificación
LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO
Y. Vladimirsky
Correcciones en máscara
LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER
Dos haces láser coherentes interfieren para producir franjasperiódicas con separación menor que la longitud de onda
Sin máscara
Zona de InterferenciaDebido a la interferencia, la intensidad sobre la resina se modula.
La dosis solo es suficiente paracambiar las propiedades de la resina en los máximos de interferencia.
Se pueden obtener motivos de hasta λ/10 de tamaño
LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER
Zona de InterferenciaDebido a la interferencia, la intensidad sobre la resina se modula.
La dosis solo es suficiente paracambiar las propiedades de la resina en los máximos de interferencia.
Se pueden obtener motivos de hasta λ/10 de tamaño
LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER
LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER
Se pueden obtener arrays sobre áreas grandes, pero la estabilidadóptica y mecánica ha de ser óptima
P. W. Konkola
LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER
C. A. Ross
LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER
VENTAJAS• Rápido – Proceso en paralelo• Proceso relativamente sencillo – Sin máscara • Alta resolución y áreas relativamente grandes
DESVENTAJAS• Solo es posible hacer estructuras derivadas de interferogramas
LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA ACROMÁTICA (AIL)
Problema: coherencia de la fuente de luz láser
Se pueden sustituir los espejospor redes de difracción quedifracten la luz de forma selectiva.
Nanoestructuras de hasta 13 nm en PMMA
MIT
LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA DE RAYOS-X
L. J. Heyderman
LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
D. XuMás de 2 haces ���� 3D
LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
D. Xu
Al menos 4 haces para redes 3D
Se pueden obtener las 14 redes de
Bravais
LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
Usar máscara de fase ���� provoca interferencia
Sistema complejo de configurar y estabilizar
D. Xu
LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
L. Hunting
MÁSCARA FASE
Si
PDMS
PDMS
Photoresist
Si
PDMS
LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
D. Xu
MÁSCARA FASE
ZT
C
λ
22Λ=
Tz
αtan
Λ=c
α
Cuadrada
Hexagonal
LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
D. Xu
Log-pile structure1D Phase Mask
1st Exposure
Photoresist
Woodpile structure
LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
D. Xu
1D Phase Mask
1st Exposure
Photoresist
CRISTALES FOTÓNICOS
Litografía EUV (ultravioleta extremo)
λ ~ 13.4 nm
Silicio u otro sustrato con bajo
coeficiente de expansión térmica
Multicapa Mo/SiCapping SiO2
Buffer Ru
Patrón de material absorbente (TaN, Cr, W)
Silicio u otro sustrato con bajo
coeficiente de expansión térmica
Multicapa Mo/SiCapping SiO2
Buffer Ru
Patrón de material absorbente (TaN, Cr, W)
Litografía con rayos-x
Litografía por interferencia láser
Sin máscara
Técnicas de nanofabricación para aplicaciones en Nanotecnología – Jaca 2011
José Ignacio MartínUniversidad de Oviedo - CINN