Fabricação de nanoestruturas Parte II Prof. Dr. Antonio Carlos Seabra

1. Fabricação de nanoestruturas Parte II Prof. Dr. Antonio Carlos Seabra Dep. Eng. de Sistemas Eletrônicos Escola Politécnica da USP acseabra@lsi.usp.br

2. Litografia Top-Down • Litografia na Indústria de CIs • Litografia Óptica • Litografia por Raios-X • Apresentações em ftp://ftp.cat.cbpf.br/publico/sampaio/ • Litografia Top-Down para Nanotecnologia • Aplicações

3. Nanotecnologia Máscara(s) Escrita Direta Nanocarimbos LitografiaÓptica Litografiapor Raios-X Hoje CAD

4. Nanoescala Mecânica Quântica Luz Visível MEMS Glóbulo Vermelho Diâmetro Atômico Diâmetro do Cabelo Humano 0,1 mm Bactérias 0,1 1 105 103 104 100 10 Nanômetros Moléculas Orgânicas Vírus Diâmetro de um Nanotubo de Carbono Microchips Onde se situa a Nanotecnologia?

5. Litografia Top-Down para Nanotecnologia • Não precisa de 35 níveis • Não precisa ter a mesma produtividade • Precisa ter resolução na faixa 10-100nm • Precisa ter capacidade de alinhamento para apenas 2-3 níveis

6. Litografia Top-Down para Nanotecnologia • Em quê ela pode contribuir com estruturas auto-formadas (bottom-up)? • Posicionamento em locais pré-definidos • Fabricação de estruturas com qualquer geometria (2D-3D) • Fabricação de estruturas em qualquer material • Possibilita o acesso ao mundo exterior (realizando conexões e nanoconexões) • Combinada com estruturas auto-formadas cria um enorme potencial inovativo em pesquisa e novos produtos

7. Estruturas protéicas (Microtúbulos) conectadas por nanofios.10 Nanoconexões

8. Litografia Top-Down para Nanotecnologia

9. Litografia Top-Down para Nanotecnologia • Principais técnicas litográficas (top-down) para aplicação em nanotecnologia • Feixe de elétrons • Raios-X (EUV) • Feixe de Íons • Holografia • Nanoimpressão • Varredura de Sonda (SPL ou PPL) • Litografia óptica!

10. Fonte Abertura com geometria Pré-formatada Litografia Top-Down para Nanotecnologia • Litografia por Feixe de Elétrons

11. Litografia por feixe de elétrons • Afinal, é um microscópio eletrônico de varredura? Eletrostáticas (10-100ns) 16bits 0,1nm capacidade de endereçamento 4”,6”,8” 2nm~0,5nm capacidade de posicionamento

12. Litografia por Feixe de Elétrons • Difração não limita a resolução • Resolução depende basicamente do diâmetro do feixe, ~5nm • Aplicações • Escrita direta (inclusive para fabricação de máscaras) • Pesquisa • Prototipagem • Projeção (stepper) • Limitações • Serial, produtividade adequada para pequenas séries e pesquisa • Efeito de proximidade • Opera em alto vácuo (10-6 ~10-10 torr)

13. Para aumentar a resolução: Limitação da Resolução M , Vb , DE , f e  a? (dv = tamanho da fonte, M = desmagnificação) (Cs = aber. esférica, a = ângulo de conv.) (Csa distância focal  distância de trabalho) (Cc = aber. cromática, DE = esp. de Energia do feixe, Vb = tensão de acel.) Vb = 30kV, l = 0,08nm

14. Fonte de Elétrons

15. “b” “a” Efeito de Proximidade Espalhamento de Elétrons no Resiste e no Substrato

16. Efeito de Proximidade Pode ser modelado por uma dupla gaussiana: Em geral uma matriz de 50.000 x 50.000 pontos

17. Efeito de Proximidade • Substrato de Silício e resiste PMMA de 0,5 µm de espessura  = 0.75 (independente da energia do feixe) • keV = 11 / 15 / 20 / 25 / 30 / 35 = 0.9 / 1.4 / 2.2 / 2.8 / 4.0 / 5.8 • Substrato de GaAs e resiste PMMA de 0,5 µm de espessura •  = 1.4 (independente da energia do feixe) • keV = 15 / 20 / 25 / 30 / 35 / 39 • = 0.7 / 1.0 / 1.3 / 1.8 / 2.2 / 2.6

18. PMMA = 400nm Si = 40mm PMMA = 400nm Nb = 20nm Si = 40mm Função delta de Dirac Convolução com feixe gaussiano de 50nm Interface Superfície Distribuição de Energia Considerando o Efeito de Proximidade

19. Efeito de Proximidade • Parâmetros de Efeito de Proximidade: • a, b, h

20. Linhas de 50nm x 10um Microsquids em Filmes Magnéticos * Trabalho conjunto IFUSP-EPUSP-CBPF

21. Estratégias para minimizar o efeito de proximidade • Utilize resistes finos • Utilize substratos finos • Ajuste a tensão de aceleração • Divida a geometria em sub-estruturas com doses diferentes

22. Litografia por Feixe de Ions • Como LFE, LFI pode ser utilizada para escrita direta

23. Melhor resolução e produtividade Litografia por Feixe de Ions • Características principais • Menos sujeita à retroespalhamento (massas maiores) • Resistes para LFI são mais sensíveis • Maiores energias que LFE • Dificuldades • Fontes de íons menos confiáveis • Mais difícil de focalizar • Menor profundidade de penetração (30nm ~ 500nm) • Implantador Iônico de baixa energia!

24. Litografia por Holografia • Aplicação imediata em cristais fotônicos (Scheneider, 2004) • Redes fabricadas em filmes de Al • Posição relativa das três redes para gerar o padrão de interferência • Exposição laser Nd:YAG (355nm) • Estruturas (4108) resultantes no resiste sobre a superfície (LFE = 25108 ) • Excelente resolução e profundidade de foco

25. Litografia por Holografia • Combinação com litografia por feixe de elétrons… • Adicionar estruturas com geometrias específicas • Guias de Onda • Ressonadores

26. Deposições Deposições de metal e resiste resiste 2 resiste resiste resiste 2 metal metal metal resiste 1 resiste 1 substrato substrato substrato substrato substrato substrato substrato substrato Escrita Direta Exposição do resiste resiste 2 Revelação 1 resiste 1 Revelação do resiste Revelação 2 resiste 2 resiste 1 Úmida Seca Deposição metal metal 10nm! metal Lift-off Lift-off • Lift-off • Processo Tradicional Corrosão

27. 2. 1. 3. Vista de Topo: Resiste Evaporação: 1.Nb 2.Al 3.Nb SET Nb/AlOx/Nb Lift-off e evaporação inclinada(com sombras) +AlOx