1. Scopi della nanofabbricazione
Scopi
• Processing parallelo dei componenti
su grandi aree
• Fabbricazione di nanostrutture
< 10nm
• Convenienza economica
Funzioni
• Dispositivi
nanoelettronici/fotonici/magnetici
• Ottica sotto lunghezza d’onda
• Array biologici
Problemi
• Proprietà dei materiali
• Allineamento
• Strutture multistrato
Bottom Up o
Top Down ?
2. Litografia a fascio elettronico, Contact Tecniche basate su chimica in soluzione,
printing, iitografia UV profondo, litografia a Molecular Beam Epitaxy (MBE), Atomic
raggi X, litografia basata su tecniche Layer Deposition, MOCVD, Pulsed Laser
scanning probe Deposition (PLD)
3. Definizione litografica di strutture
L’obiettivo è definire lateralmente delle strutture per realizzare un dispositivo, cioè
creare un pattern con risoluzione spaziale pari alla dimensione laterale minima
delle strutture desiderate (dal µm degli anni ‘80 a sotto 100 nm)
In genere si usano tecniche di tipo top-down (rimozione localizzata di zone di film,…)
Tecnica più diffusa: litografia ottica (e con fasci di cariche)
4.
5. Litografia convenzionale
Maschera
Fotoresist
Un sistema per litografia ottica convenzionale consiste in una sorgente luminosa, una
fotomaschera, un sistema ottico, e il fotoresist depositato sul
wafer. Il processo litografico si basa sulla capacità del fotoresist di conservare una replica
della fotomaschera che viene usata per i successivi passaggi, ad es., etching,
deposizione o impiantazione.
6. Litografia ottica
Ingredienti della litografia ottica:
- radiazione e.m. (ben collimata)
- maschera (trasparente/opaca)
- fotoresist (ben depositato)
- sviluppo ed etching
Vantaggi della litografia ottica:
- flessibilità
- semplicità
- “parallelismo” di processo
- scalabilità
La risoluzione spaziale finale
dipende da diversi fattori:
lunghezza d’onda, qualità del
fotoresist, processo di etching, etc.
7. Tipi di fotoresist
UV
Fotoresist positivo
La luce rende il fotoresist
più “solubile” nell’agente di
sviluppo
La maschera contiene una copia esatta del pattern che deve rimanere sul wafer.
UV
Fotoresist negativo Rimozione maschera
“polimerizzazione” UV
Lavaggio
La maschera contiene l’“inverso” del pattern che deve essere
trasferito.
8. Fotoresist positivo e negativo
Esistono due tipi di fotoresist: positivo e negativo. Per i resist positivi, il resist viene esposto a luce UV nei punti in
cui il materiale sottostante deve essere rimosso. In questi resist, l’esposizione alla luce UV cambia la struttura
chimica del resist in modo che diventa più solubile nell’agente di sviluppo. Il resist esposto viene quindi lavato via
dalla soluzione di sviluppo, lasciando finestre sul materiale sottostante. La maschera quindi, contiene una copia
esatta del pattern che deve rimanere sul wafer.
I resist negativi si comportano in modo opposto. L’esposizione alla luce UV polimerizza il resist negativo che
diventa più difficile da sciogliere. Quindi, il resist negativo rimane sulla superficie esposta, e la soluzione di
sviluppo rimuove solo le parti non esposte. Le maschere usate per fotoresist negativi, quindi, contengono l’inverso
(o quot;negativo“ fotografico) del pattern che deve essere trasferito.
10. Schema di processo
di litografia planare. Il
substrato viene
inizialmente ricoperto
con un sottile strato
(resist) di materiale
sensibile alla
radiazione utilizzata.
Lo strato viene quindi
impressionato dalla
radiazione e rimosso
dalle zone volute. Alla
creazione del disegno
litografico in positivo o
in negativo, possono
seguire processi di
deposizione, di
attacco chimico, di
impianto ionico
oppure di ricrescita.
12. • Processi di microfabbricazione : – Additivo: deposizione – Sottrattivo: etching
– Modifica: doping, annealing, o curing
Esistono due tecniche principali per il patterning additivo e sottrattivo:
Lift-off: lo strato con il pattern viene
Etch-back: il fotoresist viene applicato
depositato sul fotoresist; il materiale non
sopra lo strato dove deve essere trasferito
necessario viene asportato quando il resist
il pattern e il materiale non necessario
viene rimosso
viene rimosso tramite etching
Hard-Baking è l’ultimo passo del processo fotolitografico. E’ necessario per indurire il
fotoresist e migliorare l’adesione del fotoresist alla superficie del wafer.
13. Metodi di miniaturizzazione “Top down” :
Fotolitografia
E’ il processo di trasferimento di una forma geometrica su una maschera e quindi
sulla superficie di un wafer di silicio
Passi del processo:
• pulitura del wafer
• formazione di una strato barriera
• applicazione del fotoresist
• soft baking
• allineamento della maschera
• esposizione e sviluppo
• hard-baking.
14. Molecular Printing/Patterning - Litografia
Trasferimento di forme geometricche e pattern da una maschera alla superficie di
un wafer di silicio.
Fotoresist
Spin-coated
Wafer di silicio pulito Strato “barriera”
“chimicamente” di ossido di silicio
UV
Risciacquo
Processing di un circuito integrato
15. Esempio di fabbricazione EBL di QD
Tecniche litografiche (EBL)
+
crescita film sottili
a) Deposizione film sottile su substrato;
b) Irraggiamento attraverso una maschera;
c) Configurazione dopo lo scioglimento della parte di
resist esposta (sviluppo);
d) Deposizione di una altro materiale come maschera di
etching;
e) Rimozione del resist;
f) Rimozione chimica del materiale del quantum well non
protetto dalla maschera di etching;
g) Configurazione finale dopo la rimozione della
maschera.
16. Esempio di fabbricazione EBL di QD “nanostrutturati”
Fotoluminescenza eccitonica
esaltata in QDs
Spettro di fotoluminescenza di un
array di quantum dot del diametro di
60 nm ottenuto per litografia,
confrontato con lo spettro di un
singolo quantum well
17. Deposizione fotoresist
Metodo di deposizione usato più frequentemente: spin-coating (va bene per i polimeri)
(altrimenti spray, elettroforesi, Langmuir-Blodgett deposition, dipping per SAMs, …)
In genere seguito da soft temperature curing (T < 100 °C)
(Se si supera la temperatura di transizione vetrosa peggiora 5000 giri/s per 60 s
l’uniformità)
Spin-coating: ottima omogeneità, rapidità, semplicità spessori tipici del resist : 0.5–1.0 µm
18. Applicazione del fotoresist
Il metodo standard per l’applicazione del fotoresist nella fabbricazione di IC è quello di
mettere in rapida rotazione il wafer di silicio. Con questa tecnica, detta spin coating,
si ottiene un sottile strato uniforme di fotoresist sulla superficie del wafer.
• In genere 3000-6000 rpm per 15-30 s
• Lo spessore del resist è determinato da:
– viscosità del resist
– velocità di rotazione dello spinner
• Lo spessore del resist è dato da t = kp2/w1/2, con
– k = costante dello spinner, in genere 80-100
– p = percentuale di resist solido
– w = velocità di rotazione dello spinner in rpm/1000
• Spessori usuali per processi commerciali sono di 1-2 mm
20. Etching
L’etching è la rimozione selettiva dei film depositati
e.g.: immersione in HF per rimuovere l’ossido nativo ma non il Si
21. Configurazioni maschera
Le maschere possono essere Pattern complessi possono essere
prodotte con altre tecniche e replicate prodotti con un’unica esposizione
con litografia ottica su superfici relativamente ampie (> mm2)
22. Litografia ottica
• Risoluzione controllata da λ e z • Risoluzione controllata da λ e NA
• Problemi maschera: 1x, danneggiamento • Problemi maschera: 4x, protetta
23. Diffrazione in litografia ottica
• La luce che attraversa la maschera non ha diffrazione - contatto
• In campo vicino, la luce subisce diffrazione di Fresnel - prossimità
• In campo lontano, la luce subisce diffrazione di Fraunhofer - proiezione
24. Risoluzione della fotolitografia
La litografia di contatto è limitata dalla diffrazione di Fresnel :
con λ lunghezza d’onda della radiazione usata e g distanza maschera-resist.
La litografia di proiezione è limitata dal criterio di Rayleigh:
con λ lunghezza d’onda della radiazione usata, NA apertura numerica della lente
(NA = n sin α), e k1 costante (in genere k1 = 0.6 - 0.8)
La profondità di fuoco, DOF, è data da:
k1 and k2 in genere dipendono da molti parametri di processo, dal resist, dal tipo
di maschera e dal pattern che deve essere trasferito, ecc.
26. Litografia contatto/prossimità
• La luce che attraversa il piano della
maschera subisce diffrazione
• Fotoresist attentamente progettati
aiutano a compensare la diffrazione e
danno un pattern uniforme
27. Strategie di aumento risoluzione: phase shift masks
120 nm wide gates produced using
λ = 248 nm radiation and PSM
masks
29. Micro e nanolitografia
La diffrazione e altri effetti ottici limitano la risoluzione della litografia DUV (λ =
193 nm) al range di 75-100 nm.
Per arrivare sotto i 100 nm si può usare la litografia EUV (λ = 13.5 nm)
Altre tecniche per scendere sotto i 100 nm sono:lì litografie a raggi X, ioni e
elettroni.
Intel lithography roadmap (Nov 2004)
