Мақсаты: білім алушыларға нанолитографияның мәнін, оның негізгі түрлерін (оптикалық, электрондық сәулелік, сканерлеуші зонд және нанотаңбалы литография), қолданылу аясын және наноқұрылымдарды алудағы рөлін түсіндіру.

Дәріс жоспары:

          1.       Нанолитография дегеніміз не?

          2.       Оптикалық литография

          3.       Электрондық сәулелік литография 

4.       Сканерлеуші зонд литографиясы

5.       Нанотаңбалы литография

 

1.       Нанолитография дегеніміз не?

Нанолитография – нанометрлік масштабтағы құрылымдарды жобалауға (ою, жазу, басып шығару) қатысты нанотехнологиядағы инженерия саласы. Грек тілінен аударғанда бұл сөзді үш бөлікке бөлуге болады: «нано» - ергежейлі, «лит» - тас және «графи» - жазу немесе «тастағы кішкентай әріптер». Бүгінгі күні бұл сөз 10−9-дан 10−6 метрге дейінгі диапазондағы құрылымдарды немесе нанометрлік диапазондағы құрылымдарды қамту үшін кеңейді. Нанолитографияның барлық әдістерін екі санатқа бөлуге болады: қажетті құрылымды қалдырып, молекулаларды өңдейтін және қажетті құрылымды бетке тікелей жазатын (3D принтердің құрылымды жасайтынына ұқсас).

Нанолитография саласы Мур заңын сақтау үшін интегралдық схемадағы транзисторлар санын көбейту қажеттілігінен туындады. Литографиялық әдістер 18 ғасырдың аяғынан бері қолданылғанымен, олардың ешқайсысы 1950 жылдардың ортасына дейін наноөлшемді құрылымдарға қолданылған жоқ. Жартылай өткізгіш өнеркәсібінің дамуымен микро және нано өлшемді құрылымдарды жасауға мүмкіндік беретін технологияларға сұраныс күрт өсті. Фотолитография алғаш рет осы құрылымдарға 1958 жылы қолданылып, нанолитография дәуірін бастады. Содан бері фотолитография 100 нанометрден аз мүмкіндіктері бар үлгілерді шығаруға қабілетті коммерциялық тұрғыдан ең табысты әдіске айналды. Осы саламен байланысты бірнеше әдістемелер бар, олардың әрқайсысы медициналық және жартылай өткізгіш салаларда әртүрлі мақсаттарға арналған. Осы саладағы жетістіктер нанотехнологияның дамуына елеулі үлес қосуда және кішірек және кішірек компьютерлік чиптерге сұраныстың өсуіне байланысты бүгінгі күні маңыздырақ болып отыр. Зерттеудің келесі бағыттары өрістің физикалық шектеулеріне, энергия жинауға және фотоникаға қатысты.

2. Оптикалық литография

Оптикалық литография (немесе фотолитография) нанолитография саласындағы маңызды және кең таралған әдістердің бірі болып табылады. Оптикалық литографияда бірнеше маңызды туынды әдістемелер бар, олардың барлығы белгілі бір молекулалардың ерігіштігін өзгерту үшін өте қысқа толқын ұзындығын пайдаланады. Сәуле әсерінен кейбір молекулалар ерітіндіге ағып кетеді және қажетті құрылымды қалдырады. Кейбір оптикалық литография әдістері сұйық батыруды және фазалық ығысу маскалары (PSM) және жақындық әсерін түзету сияқты ажыратымдылықты арттырудың әртүрлі әдістерін пайдалануды талап етеді. Бұл жинаққа енгізілген кейбір әдістер мультифотонды литографияны, рентгендік литографияны, жарықпен әрекеттесу нанолитографиясын (LCM) және экстремалды ультракүлгін литографияны (EUVL) пайдаланады. Бұл соңғы әдіс 30 нанометрге дейінгі дәлдікпен құрылымдарды жасау мүмкіндігіне байланысты келесі буын литографиясының ең маңызды әдісі болып саналады.

 

3. Электрондық сәулелік литография

Электрондық сәулелік литография (EBL) немесе электронды сәулелік тікелей жазу литографиясы (EBDW) электронды-сезімтал пленкамен қапталған бетті сканерлейді немесе реттелетін 3D кескіндерін салу үшін электрондардың фокусталған сәулесі бар қарсылықты (PMMA немесе HSQ сияқты) сканерлейді. Қарсыластың ерігіштігін өзгертіп, содан кейін еріткішке батыру арқылы материалды таңдап алу арқылы 10 нм-ден аз рұқсаттарға қол жеткізілді. Бетпердесіз тікелей жазу литографиясының бұл нысаны жоғары ажыратымдылыққа және төмен өткізу қабілетіне ие, фотомаска жасау, төмен көлемді жартылай өткізгіш құрылғыларды өндіру және ғылыми-зерттеу және әзірлеу үшін бір бағаналы электронды сәулелерді пайдалануды шектейді. Көп электронды сәулелік тәсілдер жартылай өткізгіштерді жаппай өндіруде өнімділікті арттыруға бағытталған.

EBL ультрасезімтал сенсорларға арналған қатты тіректердегі нәруыздардың селективті наноүлгілері үшін пайдаланылуы мүмкін[3].

 

4. Сканерлеуші ​​зонд литографиясы

Сканерлеу зондының литографиясы (SPL) - қажетсіз материалды өңдеу арқылы алып тастауға немесе жаңа материалды тікелей субстратқа жазу арқылы сканерлеу зондтарын пайдалана отырып, жеке атомдарға дейін нанометрлік масштабта суреттер жасауға арналған әдістердің жиынтығы болып табылады. Осы санаттағы кейбір маңызды әдістерге қалам нанолитографиясы, термохимиялық нанолитография, термиялық сканерлеу зонд литографиясы және локальды тотығу нанолитографиясы жатады. Осы әдістердің ішінде ең көп қолданылатыны қалам нанолитографиясы болып табылады.

 

5. Нанотаңбалы литография

Nanoimprint литографиясы (NIL) және оның Step-and-Flash Imprint Lithography және Laser Assisted Directed Imprint (LADI) сияқты нұсқалары полимерленетін үлгілер механикалық деформацияланатын із қалдыратын кедергілер, әдетте мономерлі немесе полимерлі нысандар арқылы жасалатын перспективалы наноөлшемді репликация технологиялары болып табылады. басып шығару кезінде жылу немесе ультракүлгін сәулеленуге ұшыраған кезде. Бұл әдісті контактілі басып шығарумен және суық дәнекерлеумен біріктіруге болады. Nanoimprint литографиясы 10 нм-ге дейінгі дәлдікпен үлгілерді жасауға мүмкіндік береді.

Литография – материалдың жұқа плёнкасына сурет салу әдісі, микроэлектроника мен полиграфияда кеңінен қолданылады.

Суретті алу үшін белгілі бір толқын ұзындығы бар жарық қолданылады.  Сурет бөлшектерінің (деталінің) минималды өлшемі  толқын ұзындығының жартысына сәйкес келеді (дифракция шегімен анықталады).

Фоторезист – жарықпен сәулеленгенде физика-химиялық қасиеттерін өзгертетін арнайы материал.

Фотошаблон - бұл пайдаланылатын электромагниттік сәулеледе мөлдір болатын, бірақ бетіндегі сурет бояуы осы сәуледе  мөлдір болмайтын пластина.

Литография кезеңдері (II.24-сурет):

·       Бетті дайындау

·       Фотоқабатты жағу

·       Сәйкестендіру және бақылау

·       Айқындау

·       Өңдеу

сурет

Бетті дайындау

Фотоқабатты жағу үшін бетті дайындау дегеніміз фоторезисттің жабысуына кедергі жасайтын беттік  майлы пленкаларды еріту үшін бетті органикалық еріткіш буларымен өңдеу. Қалған еріткіш іздерін жою үшін, сондай-ақ кейіннен фоторезисттің жұқа (»1 мкм) қабатын «тесіп жіберуі мүмкін»  микробөлшектерден құтылу үшін өте таза (деионизацияланған) сумен жуып тастайды.

Фотоқабатты жағу

Фотоқабатты жаққан кезде органикалық еріткіштегі жарыққа сезімтал полимер ерітіндісі қолданылады (фоторезист). Пластина бетінде фоторезисттің жұқа қабаттарын алу үшін оның тұтқырлығы өте аз болуы керек, оған еріткіштің жоғары құрамы (салмағы бойынша 80-95%) арқылы қол жеткізіледі. Өз кезегінде, фотоқабат қалыңдығының азаюымен фотолитографиялық процестің ажыратымдылығы артады. Дегенмен, 0,5 мкм-ден аз қалыңдықта, фотоқабаттағы ақаулардың («тесілген жерлер») тығыздығы күрт артады және фотомасканың қорғаныс қасиеттері төмендейді.

Фотоқабатты жағу екі жолдың бірімен орындалуы мүмкін:

центрифугалау немесе аэрозольді бүрку арқылы. Центрифуганы қолдану жағдайында, фоторезисттің дозаланған мөлшері айналмалы платформаға (центрифугаға) вакууммен  қысылған пластинаның ортасына беріледі. Сұйық фоторезист орталықтан шетіне қарай ағады және центрден тепкіш күштер оны пластинаның бетіне біркелкі таратады да, артық мөлшерін арнайы қаптамаға лақтырады. Центрифуганың айналу жылдамдығы шамамен 6000 айн/мин, фотоқабаттың қалыңдығы сәйкес тұтқырлықты таңдау арқылы, яғни еріткіш құрамымен реттеледі.

Центрифугалаудың келесі кемшіліктері бар:

1. Тұтқыр фоторезисттің нашар жайылғыштығына байланысты салыстырмалы қалыңдықты (бірнеше микрометр) және біркелкі пленкалар алудың қиындығы.

2. Жағылған пленканың кернеулі күйі. Айқындау кезеңінде фотомаска аймақтарының босаңсынуына және өлшемдерінің өзгеруіне алып келеді.

3. тегістеу процесі кезінде тұтқырлықтың жоғарылауы нәтижесінде шеттерінің қалыңдауы фотошаблонның (фотомасканың) фотоқабатпен түйісуін нашарлатады.

4. Бірнеше пластиналарды бір уақытта өңдеуді ұйымдастырудың қиындығы.

Аэрозольді бүрку кезінде фоторезист бүріккіштен (форсунка) қайтымды-ілгерілемелі қозғалыс жасап тұрған үстел бетіндегі пластинкаларға беріледі. Қажетті қалыңдық біртіндеп қалыптасады. Жеке майда бөлшектер жайылып, бірігіп, үздіксіз қабат түзеді. Келесі шашырату кезінде бөлшектер жартылай кептірілген қабатқа келіп түседі және біршама оны ерітеді. Сондықтан фоторезисттің тұтқырлығына және жұмсалуына, ағын жылдамдығына, үстелдің қозғалыс жылдамдығына және форсункадан субстратқа (подложкаға) дейінгі қашықтыққа тәуелді өңдеу уақыты эксперименталды түрде анықталады. Үстелді кері айналдырғанда шеткі пластиналар орталыққа қарағанда фоторезисттің үлкен дозасын алады. Шеткі пластиналар қабаттарының қалыңдауына жол бермеу үшін форсункаға қайтымды-ілгерілемелі қозғалыс беріледі (үстел қозғалысымен синхронды). Қозғалыс соңында  үстел тежелген кезде  форсунка жоғары көтеріліп,  пластиналар жазықтығындағы бөлшектер ағынының тығыздығы төмендейді.

Аэрозольді бүркуде центрифугалаудағы кемшіліктер болмайды және мүмкіндік пластиналарды топтық өңдеуге мүмкіндік береді, бірақ қоршаған атмосфераның тазалығына (шаңсыз) қатаң талаптар қояды. Фоторезистті жағу, содан кейін фотоқабатты кептіру - қолдануға жарамды микросхемалардың шығымдылығының пайызын анықтайтын өте маңызды операциялар болып табылады.

Сәйкестендіру және бақылау

Бақылау алдындағы  сәйкестендіру дегеніміз фотошаблонның пластина бетіне дәл бағытталуын білдіреді, яғни келесі топологиялық қабаттың элементтері (фотомаскадағы немесе фотошаблондағы) алдыңғы қабаттың элементтеріне (пластинада) әзірлеушінің ​​белгілеген орнына дәл келетіндей етіп орналасуы керек.  Мысалы, эмиттер (катод, сәуле шығарғыш) аймақтарының суреті бар фотошаблон базалық аймақтары қалыптастырылған  пластинаға  дәл бағдарланған болуы керек.

Айқындау

Жасырын суреттерді негативті фоторезисттерде айқындау үшін фотоқабатты органикалық еріткішпен өңдейді. Бұл кезде сәулеленбеген аймақтар ериді, ал ультракүлгін сәулесін жұтып  атомаралық байланыстарын үзетін және құрылымның қайта құрылуы (фотополимерлену) болатын  сәулеленген аймақтар сақталады.

Оң фоторезисттердің сәулеленуге ұшыраған аймақтарындағы құрылым бұзылады (деструкция) және қышқыл пайда болады. Оны еритін қабаттарға ауыстыру үшін  сілтілік қасиеттері бар бейорганикалық қосылыстар ерітіндісін (KOH, NaOH және т.б.) қолданады.

Айқындағыштардың іздерін жуып, алынған фотомасканы кептіргеннен кейін термиялық қатаюға ұшыратады (фоторезисттің маркасына байланысты 120÷180°С), нәтижесінде оның қорғаныс қасиеттері түпкілікті қалыптасады.

Өңдеу

Сұйық өңдегіштерде  өңдеу кезінде бейорганикалық қосылыстардың (әдетте қышқылдар) сулы ерітінділері қолданылады. Ерітіндідегі өңдегіштің химиялық құрамы мен концентрациясы беттік  қабаты белсенді түрде еритіндей, ал төменгі  қабаты ерімейтіндей етіп таңдалады.

Өңдеу процесі кезінде химиялық өнімдер беттен ерітіндіге әкетіледі және ерітіндіден жаңа өңдегіш беріледі. Осы екі процесс жылдамдығы өңдеу жылдамдығын көрсететін өзара диффузияға сәйкес өтеді. Майда элементтерде ірі элементтерге қарағанда масса алмасу қиын жүреді және өңдеу жылдамдығы төмен. Өңдеудің технологиялық уақыты ең кішкентай элемент бойынша белгіленгендіктен, үлкенірек элементтер «шамадан тыс өңделеді».

Өңдеу дәлдігіне айтарлықтай қол жеткізу үшін вакуумды-плазмалық («құрғақ») өңдеу әдістері қолданылады, онда қабаттың бұзылуы зарядталған бөлшектердің (инерттік газ иондары) ағынымен бомбалау салдарынан механикалық түрде жүреді. Осы мақсатта вакуумдық камерада 1÷10 Па газ қысымында разряд жаңылып, өңделетін пластина катод ретінде энергиясы 1 кВ дейінгі иондармен өңделеді.  Полимерлі фотомаска құрылымы және оның қалыңдығы қабатты өңдеу аяқталғанша қорғаныш қасиеттерін сақтайды.