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CdL Scienza dei Materiali - Fisica delle Nanotecnologie - a.a. 2002/3 Appunti & trasparenze - Parte 7 Versione 1, Ottobre 2002 Francesco Fuso, tel 0502214305, 0502214293 - fuso@df.unipi.it http://www.df.unipi.it/~fuso/dida.

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5/11/2002 - 8.30+2 ch10

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  1. CdL Scienza dei Materiali - Fisica delle Nanotecnologie - a.a. 2002/3 Appunti & trasparenze - Parte 7 Versione 1, Ottobre 2002 Francesco Fuso, tel 0502214305, 0502214293 - fuso@df.unipi.it http://www.df.unipi.it/~fuso/dida • Strategie per superare il limite di diffrazione ottica in litografia: litografia UV, XUV e raggi-X, phase-shifting masks, etching anisotropo. Litografia atomica. 5/11/2002 - 8.30+2 ch10

  2. Alcune strategie per aumentare la risoluzione della litografia ottica 1. Diminuire l 2. Usare radiazione e.m. nel range dei raggi X (l ~ 1-100 Å) 3. Minimizzare effetti diffrazione es. phase-shifting masks previsioni “ottimistiche”? 4. “Ottimizzare” processi di ecthing etching anisotropo, ...

  3. 2. X-Ray lithography (XRL) Da M. Madou, Fundamentals of microfab., CRC (1997) Sorgente “ottimale”: sincrotrone (fascio intenso e ben collimato) --> proximity mode masks Maschere: typ. membrane Si Resist: typ. PMMA (sensibilità critica --> alte dosi, ~ 2 J/cm2 ) Problema: fasci di elettroni generati da scattering X-Rays su mask, resist, subs... Freietag et al., APL 71 1441 (1997) Risoluzione effettiva ~ decine di nm (anche se feature size < 10 nm) Vantaggio: profondità di campo (fascio collimato) --> high aspect ratio features, LIGA,...

  4. 3. Phase-shifting masks Diffrazione/interferenza: phase engineering onda e.m. --> modifica interferenza --> “controllo” effetti diffrazione Ingrediente attualmente essenziale per spingere risoluzione lito. ottica verso i 100 nm!! Esempio: features ~ 100 nm ottenute con sorgenti luce da 350 nm

  5. 4. “Strategie” di processo Diligenti et al. APL 75 489 (1999) Mask alignment!! ossido Si-cristallino Etching anisotropo + ossidazioni successive --> aumento risoluzione spaziale

  6. Side-wall patterning Processo di fabbricazione “complesso” (ma economico!!) per creare Si-nanowires: a) ossidazione dry (spess. ≤ 0.5 µm): Si (s) + O2 SiO2 seguita da deposizione Si3N4 e patterning via lito. ottica convenzionale b) CVD poly-Si (pirolisi SiH4 a bassa p): SiH4 + calore(T~1100 °C)  Si (s) +2 H2 (g) c) Reactive Ion Etching del poly-Si con fascio ionico “inclinato” --> rimane poly-Si solo sui bordi d) wet chemical etching selettivo (soprattutto nitruro) con H3PO4 e) rimozione ossido (poly-Si funge da maschera) con etching selettivo f) rimozione nitruro con RIE non inclinata

  7. Si-nanowires per side-wall patterning SEM cross sections (in “prospettiva”) Risultati competitivi con electron beam lithography (ma limitati a silicio, grazie alla enorme esperienza di fabbricazione e disponibilità di tecnologie specifiche)

  8. Litografia atomica See http://nanocold.df.unipi.it Idea di base: fascio di particelle neutre al posto di radiazione e.m. --> diffrazione a livello sub-nm (dB ) senza problemi dei fasci di cariche Vantaggi ulteriori: - uso di “maschere ottiche” (non invasive, species-selective,…) - possibilità deposizione diretta (bottoms-up a livello atomico) o resist-assisted - carattere “parallelo” della tecnica mantenuto come in lito. ottica Ingrediente fondamentale: capacità di manipolare la dinamica di atomi neutri (atom-optics <-- laser cooling)

  9. Cenni di atom optics Maschera ottica: onda stazionaria --> forza “dipolare” (conservativa) in direzione trasversa al moto degli atomi (per opportuna scelta della frequenza, prossima a ris. atomica) Meschede Metcalf in press (2002) Onda stazionaria --> array di nanolenti atomiche

  10. Requisiti su fascio atomico 1. Intensità --> tempi di esposizione “ragionevoli” 2. Collimazione --> efficacia focalizzazione (array di nanolenti ~ array di buche pot.) Melassa ottica Tecniche di laser cooling usate per aumentare collimazione e intensità fascio atomico

  11. Applicabilità litografia atomica Attualmente si applica a specie che possono essere manipolate facilmente via laser (lunghezza d’onda, intensità, schemi “chiusi” di raffreddamento laser,…) Per elementi reattivi in aria (es. alcalini) --> resist-assisted (SAM) Svantaggio litografia atomica: scarsa flessibilità (dipende anche da sviluppo nuovi laser)

  12. Alcuni esempi di litografia atomica Cr Cr Cr Meschede Metcalf in press (2002) Na Timp et al. PRL 69 1636 (1992) Onda stazionaria 1D Onde stazionarie 2D McClelland et al. Science 87 262 (1993) Gupta et al. APL 67 1378 (1995) Drodofsky et al. Appl Phys B 65 755 (1997) Holographic lithography Vantaggio/svantaggio: regolarità interferometrica nanostrutture (ma esistono “rimedi”) Risoluzione max: ~ 15-20 nm (finora!!) Mützel et al. PRL (2002)

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