Litograf i ck é techniky

1. Litografické techniky

2. Čo je klasická litografia? • Procesy: • Odstránenie materiálu – Leptanie • Nanášanie materiálu – Depozícia • Modifikácia materiálu – Implantácia, difúzia, atď. Rezist - tenká vrstva polymérneho materiálu, ktorou sa pokryje substrát - po modifikovaný je možné ho odstrániť z určitých oblastí Expozícia – charakteristické žiarenie, častice Vyvolanie – selektívne odstránenie v rozpúšťadle Metódy expozície: Priame písanie – elektróny alebo ióny sú fokusované do bodu malého priemeru, ktorým je priamo rastrovaný rezist Expozícia cez masku – svetlo alebo X-lúče sú premietnuté do rezistu cez litografickú masku

3. Konvenčné litografické techniky • Optická litografia (fotoligrafia) (436 –157 nm) • Elektrónová litografia (10 keV –100 keV) • Röntgenová litografia (5 nm – 0,4 nm) • Iónová litografia (50 keV – 3 MeV)

4. Sondové litografické techniky • AFM (Atomic force microscope) • mechanicky vtláčanie ihly do materiálu (kontaktný mód) • lokálnou oxidáciou - elektrickým poľom (polokontaktný mód) • STM (Scanning probe microscope) • odparenie z ihly alebo desorpcia z povrchu elektrickým poľom • zdroj nízkoenergetických elektrónov (1-10 eV)

5. Optická litografia • interakcia svetla v oblasti vlnových dĺžok 170 až 430 nm • so svetlocitlivou zložkoufotorezistu • Metódy optickej litografie: • kontaktná • bezkontaktná •  projekčná Kontaktná metóda: • d- hrúbka fotorezistu • - vlnová dĺžka použitého žiarenia 2b – šírka čiar a štrbín Bezkontaktná metóda: Projekčná metóda: - pre s >> d, - s je medzera medzi maskou a rezistom • obsahuje komplikovanú sústavu šošoviek, niekoľko centimetrov od masky • nižšia teoretická rozlišovacia schopnosť • zlepšený záznam a znížená hustota defektov. - pre s= 10 mmteoretická rozlišovacia schopnosť 3 mm.

6. Kontaktná metóda • výpočet teoretickej rozlišovacej schopnosti, bmin • najlepšie rozlíšenie : krátka vlnová dĺžka, tenký rezist, dobrý kontakt • odporúča sa hrúbka rezistu 1 m

7. Princíp negatívnych a pozitívnych svetlocitlivých vrstiev X1,X2 – pozitívny proces Y1,Y2 – negatívny proces A – vrstva rezistu B – deponovaná vrstva C – substrát E – exponovaná oblasť D – expozičné svetlo

8. Princíp lift-off litografickej techniky A-expozičné svetlo B- exponovaná oblasť C-fotorezist D-substrát E-deponovaná vrstva.

9. Difrakcia Difrakcia svetla okolo hrán nepriesvitných oblastí spôsobuje, že zobrazenie hrán masky nie je ostré, ale sa skladá zo striedavých jasných a temných pásov, ktoré zasahujú do geometrického tieňa Vzávislosti od vzdialenosti zdroja alebo projekčnej dosky od štrbiny: Fresnelova difrakcia – kontaktná, bezkontaktná Fraunhoferova difrakcia – projekčná metóda 1- bodový zdroj 2 - hrana masky 3 - podložka 4 - svetelný tok

10. Fraunhoferova difrakcia Frenselova difrakcia Rozdelenie intenzity svetla spôsobené difrakciou svetla na maske 1 – svetlo, 2 – maska, 3 – rezist, 4 – substrát, b – šírka čiar a štrbín, s – medzera medzi maskou a rezistom. A) 1 - rovinná vlna svetla, 2 – štrbina, 3 –podložka B) Svetelný tok pre b = 5λ C) Svetelný tok pre b = 2λ  - uhol Fraunhoferovej difrakcii

11. Elektrónová litografia • Zdroje elektrónov: • - s priamo žeravenou katódou (wolfrám, W s prímesou Th) • s autoemisnou katódou • (hrot monokryštálu wolfrámu) • vysokoenergetické elektróny (10 keV – 100 keV), vlnová dĺžka je menšia ako 0,1 nm, vysoká rozlišovacia schopnosť • sfokusované do bodu veľkosti 1 nm a/ fokusovaný elektrónový zväzok exponujúci dosku po častiach, b/ systémyv projekčnom usporiadaní exponujúci celú dosku naraz.

12. Proximity efekt • pri prechode elektrónového žiarenia hmotou dochádza k elastickým a neelastickým zrážkam • proximity (výmenný) efekt – expozícia rezistu v miestach, kde nedopadá pôvodné žiarenie • 100 elektrónov vo vrstve PMMA simulované Monte Carlo • 10 kV – rozptyl 1 m • 20 kV – rozptyl 3 - 4 m Základné pozitívne elektrónové rezisty: - Polymethylmethalkrylát (PMMA) - Polybutylmethalkrylát (PBMA) - Polyfenylmethalkrylát (PFMA)

13. Röntgenova litografia • röntgenové žiarenie energie 0,25 – 3 keV, • vlnová dĺžka - 5 – 0,4 nm • bombardovanie plochy zdroja urýchlenými elektrónmi pri nízkom tlaku (elektróny energie - 10 – 30 keV) • vzdialenosť maska, doska – 10 až 100 m • zdroj palladium – elektróny 20 keV – ostrý pík 2,84 keV röntgenového žiarenia • maska – najkritickejšia časť – absorpčný materiál Výhoda – vysoká kvalita vytvorených štruktúr - neexistuje difrakcia a proximity efekt

14. Iónová litografia - rozptyl iónov s energiou 1 až 3 MeV je o niekoľko rádov menší ako rozptyl elektrónov - veľkú rozlišovaciu schopnosť - fokusovaný zväzok iónov sa dá elektrostaticky vychyľovať - rozlíšenie je závislé na rozptyle iónov a rozptyle sekundárne vzniknutých elektrónov 1 - iónový zdroj 2 - extraktor 3 - elektrostatické šošovky 4 - triodová oblasť 5 - urýchlenie

15. Technologické procesy • Čistota podložky: • organické nečistoty – (mokrou cestou kyselinou fluorovodíkovou, alebo plazmochemickým leptaním) • - anorganické nečistoty – (ponorením, parami rozpúšťadla, ultrazvukom a sprejovaním) • Nanášanie rezistu - Ovrstvovanie – (nanesenie rezistu odstreďovaním konštantnou požadovanou frekvenciou otáčania až do suchého stavu) • Expozícia – (fotóny, elektróny, ióny, X-lúče)

16. Leptanie: • mokré leptanie - leptanie roztokmi chemických leptadiel • suché leptanie - plazmochemické leptanie • Odstraňovanie rezistu: • Mokrou cestou: • pozitívneho - acetón • negatívneho – trichlorethylketon • Suchou cestou: • - v plazme

17. Sondová litografia alebo nanolitografia 1. Mechanical Influence iContact AFM Lithography. This mode allows to scratch the sampleusing cantilever tip. iResonant Mode Lithography 2. Electric Influence iSTM Electric Lithography iAFM Electric Lithography

18. Porovnanie zobrazovacích techník

20. Scanning Tunneling Microscopy - tunneling current for small bias voltage • - constant-height mode • constant-current mode

21. The operation of an atomic forcemicroscope (AFM) • Contact AFM • Semicontact AFM • Non-contact AFM

22. STM nanolitografia • mono-atómová negatívna vrstva, • napätie medzi STM ihlou a vzorkou v prirodzenom prostredí, pri kladnom potenciály na vzorke a určitom prahovom napätí sa začne vytvárať oxid • tetra-methyl ammonium hydroxid - odleptať tisíc krát rýchlejšie ako oxid a vytvoriť tak vzor z oxidovaných častí. • veľký rozdiel v leptacej rýchlosti medzi (100) a (111) smerom, spôsobujúci, že čiary budú leptané pod uhlom 55o pre (100) orientovanú štruktúru.

23. AFM – nanolitografia Priložením odpovedajúcej intenzity elektrického poľa bude prebiehať elektrochemická reakcia na hranici voda-povrch a voda-ihla, cez vytvorený vodný mostík. Pri kladnom náboji na povrchu titánovej vrstvy a zápornom napätí na ihle bude narastať oxid v bode priamo pod ihlou Princíp nanooxidácie pomocou AFM. 1 – vodivý povlak ihly, 2 – absorbovaný mostík, 3 – anódový oxid, 4 – oxid titánu, 5 – tenká vrstva titánu.

24. 10 m pásik • zosnímať povrch modifikovaného materiálu • oxidačným procesom vytvoriť štruktúru • selektívnym leptaním odstrániť oxid alebo • základný materiál

25. Vplyv napätia Priemerné prahové napätie pre Si a Ti ihly, merané viacerými skupinami sa rovná Vplyv vlhkosti - malej vlhkosť - 5 nm vrstva vody - 92% vlhkosti - 8 nm vrstva vody Zloženie oxidu Objemový rast - TiO2 vrstvy oxidu TiO vrstvy oxidu

26. Nanolitografia

27. Preparing evaporation mask Schematic plot of the fabrication sequence for an evaporation shadow mask A, The upper photoresist film of a multilayer consisting of thick photoresist, thin gold or chromium and a thin photoresist film is pattering by AFM lithography. B, The metal layer is etched though the holes and the thick resist film is removed in an oxygen plasma. C, Evaporation through the holes (i). A second evaporation step with a tilted sample leads to a duplication of the pattern (ii). D, removals of the evaporation mask.

28. field or current induced surface modifications are achieved by applying a voltage to a conducting tip of a scanning tunneling microscope (STM) or an atomic force microscope (AFM) • techniques by which the sample surface is mechanically modified Fabrication of the Ti/TiOx SET by the STM nano –oxidation process AFM micrograph of a meander – like structure in photoresist, fabricated by AFM-lithography.

29. Moore’s Law: Chip Power Doubles Every 18 (24) Months Continuous Improvement of the Same Approach: Making a Master Mask and Its Replication by Photolithography 20 Years of Mesoscopics