La nanolitografía ( NL ) es un campo en crecimiento de técnicas dentro de la nanotecnología que se ocupa de la ingeniería (creación de patrones, por ejemplo, grabado, depósito, escritura, impresión, etc.) de estructuras a escala nanométrica en diversos materiales.
El término moderno refleja un diseño de estructuras construidas en un rango de 10 −9 a 10 −6 metros, es decir, escala nanométrica. Esencialmente, el campo es un derivado de la litografía , que solo cubre estructuras muy pequeñas. Todos los métodos de NL se pueden clasificar en cuatro grupos: fotolitografía , litografía de escaneo, litografía blanda y otras técnicas diversas. [1]
La NL ha evolucionado a partir de la necesidad de aumentar el número de características submicrométricas (por ejemplo, transistores, condensadores, etc.) en un circuito integrado para cumplir con la Ley de Moore . Si bien las técnicas litográficas han existido desde fines del siglo XVIII, ninguna se aplicó a estructuras a escala nanométrica hasta mediados de la década de 1950. Con la evolución de la industria de semiconductores, la demanda de técnicas capaces de producir estructuras a escala micro y nanométrica se disparó. La fotolitografía se aplicó a estas estructuras por primera vez en 1958, comenzando la era de la nanolitografía. [2]
Desde entonces, la fotolitografía se ha convertido en la técnica de mayor éxito comercial, capaz de producir patrones de menos de 100 nm. [3] Existen varias técnicas asociadas con este campo, cada una diseñada para satisfacer sus múltiples usos en las industrias médica y de semiconductores. Los avances en este campo contribuyen significativamente al avance de la nanotecnología y son cada vez más importantes hoy en día, a medida que aumenta la demanda de chips informáticos cada vez más pequeños. Otras áreas de investigación abordan las limitaciones físicas del campo, la recolección de energía y la fotónica . [3]
Del griego, la palabra nanolitografía se puede dividir en tres partes: "nano", que significa enano, "lith", que significa piedra, y "graphy", que significa escribir o "pequeña escritura sobre piedra".
A partir de 2021, la fotolitografía es la técnica más utilizada en la producción en masa de dispositivos microelectrónicos y semiconductores . Se caracteriza tanto por un alto rendimiento de producción como por el pequeño tamaño de los patrones.
La litografía óptica (o fotolitografía) es uno de los conjuntos de técnicas más importantes y prevalentes en el campo de la nanolitografía. La litografía óptica contiene varias técnicas derivadas importantes, todas las cuales utilizan longitudes de onda de luz muy cortas para cambiar la solubilidad de ciertas moléculas, haciendo que se eliminen en solución, dejando atrás una estructura deseada. Varias técnicas de litografía óptica requieren el uso de inmersión en líquido y una serie de tecnologías de mejora de la resolución como máscaras de desplazamiento de fase (PSM) y corrección de proximidad óptica (OPC). Algunas de las técnicas incluidas en este conjunto incluyen litografía multifotónica , litografía de rayos X , nanolitografía de acoplamiento de luz (LCM) y litografía ultravioleta extrema (EUVL). [3] Esta última técnica se considera la técnica de litografía de próxima generación (NGL) más importante debido a su capacidad para producir estructuras con precisión por debajo de los 30 nanómetros a altas tasas de rendimiento, lo que la convierte en una opción viable para fines comerciales.
La litografía óptica cuántica (QOL) es un método de difracción ilimitada capaz de escribir con una resolución de 1 nm [4] por medios ópticos, utilizando un diodo láser rojo (λ = 650 nm). Se obtuvieron patrones complejos como figuras geométricas y letras con una resolución de 3 nm [5] sobre un sustrato resistente. El método se aplicó a nanopatrones de grafeno con una resolución de 20 nm. [6]
La litografía por haz de electrones (EBL) o litografía de escritura directa por haz de electrones (EBDW) escanea un haz de electrones enfocado sobre una superficie cubierta con una película o resistencia sensible a los electrones (por ejemplo, PMMA o HSQ ) para dibujar formas personalizadas. Al cambiar la solubilidad de la resistencia y la posterior eliminación selectiva del material por inmersión en un solvente, se han logrado resoluciones inferiores a 10 nm. Esta forma de litografía de escritura directa sin máscara tiene alta resolución y bajo rendimiento, lo que limita los haces de electrones de una sola columna a la fabricación de fotomáscaras , la producción de bajo volumen de dispositivos semiconductores y la investigación y el desarrollo. Los enfoques de múltiples haces de electrones tienen como objetivo un aumento del rendimiento para la producción en masa de semiconductores. La EBL se puede utilizar para la nanoformación selectiva de proteínas en un sustrato sólido, destinada a la detección ultrasensible. [7] Las resistencias para EBL se pueden endurecer mediante síntesis de infiltración secuencial (SIS).
La litografía por sonda de barrido (SPL) es otro conjunto de técnicas para crear patrones a escala nanométrica hasta átomos individuales utilizando sondas de barrido , ya sea eliminando material no deseado o escribiendo directamente material nuevo sobre un sustrato. Algunas de las técnicas importantes en esta categoría incluyen la nanolitografía con pluma de inmersión , la nanolitografía termoquímica , la litografía por sonda de barrido térmico y la nanolitografía de oxidación local . La nanolitografía con pluma de inmersión es la más utilizada de estas técnicas. [8]
Esta técnica utiliza un haz enfocado de protones de alta energía (MeV) para crear patrones de material resistente en nanodimensiones y se ha demostrado que es capaz de producir patrones de alta resolución muy por debajo de la marca de 100 nm. [9]
Este conjunto de técnicas incluye litografías de proyección de iones y electrones. La litografía de haz de iones utiliza un haz amplio o enfocado de iones ligeros energéticos (como He + ) para transferir el patrón a una superficie. Mediante la litografía de proximidad de haz de iones (IBL), se pueden transferir características a escala nanométrica a superficies no planas. [10]
La litografía blanda utiliza materiales elastómeros fabricados a partir de diferentes compuestos químicos, como el polidimetilsiloxano . Los elastómeros se utilizan para hacer un sello, un molde o una máscara (similar a una fotomáscara ) que, a su vez, se utiliza para generar micropatrones y microestructuras. [11] Las técnicas descritas a continuación se limitan a una etapa. La creación de patrones consecuente en las mismas superficies es difícil debido a problemas de desalineación. La litografía blanda no es adecuada para la producción de dispositivos basados en semiconductores, ya que no es complementaria para la deposición y el grabado de metales. Los métodos se utilizan comúnmente para la creación de patrones químicos. [11]
La litografía por nanoimpresión (NIL) y sus variantes, como la litografía por impresión por pasos y flash y la impresión dirigida asistida por láser (LADI), son tecnologías prometedoras de replicación de nanopatrones en las que los patrones se crean mediante la deformación mecánica de las resistencias de impresión, normalmente formaciones de monómeros o polímeros que se curan con calor o luz ultravioleta durante la impresión. [ cita requerida ] Esta técnica se puede combinar con la impresión por contacto y la soldadura en frío . La litografía por nanoimpresión es capaz de producir patrones a niveles inferiores a 10 nm. [ cita requerida ]
La magnetolitografía (ML) se basa en la aplicación de un campo magnético sobre el sustrato mediante máscaras metálicas paramagnéticas llamadas "máscaras magnéticas". La máscara magnética, análoga a la fotomáscara, define la distribución espacial y la forma del campo magnético aplicado. El segundo componente son nanopartículas ferromagnéticas (análogas a la fotorresistencia ) que se ensamblan sobre el sustrato de acuerdo con el campo inducido por la máscara magnética.
Una sonda de nanofuente es un dispositivo microfluídico similar en concepto a una pluma estilográfica que deposita una pista estrecha de sustancia química desde un depósito sobre el sustrato de acuerdo con el patrón de movimiento programado. [12]
La litografía de nanoesferas utiliza monocapas autoensambladas de esferas (normalmente hechas de poliestireno ) como máscaras de evaporación. Este método se ha utilizado para fabricar conjuntos de nanopuntos de oro con espaciamientos controlados con precisión. [13]
La litografía de partículas neutras (NPL) utiliza un haz ancho de partículas neutras energéticas para transferir patrones sobre una superficie. [14]
La litografía plasmónica utiliza excitaciones de plasmones de superficie para generar patrones más allá del límite de difracción, beneficiándose de las propiedades de confinamiento de campo de sublongitud de onda de los polaritones de plasmones de superficie . [15]
La litografía con esténcil es un método paralelo y sin resistencia para fabricar patrones a escala nanométrica utilizando aberturas de tamaño nanométrico como máscaras de sombra .