La litografía por nanoimpresión ( NIL ) es un método para fabricar patrones a escala nanométrica . Es un proceso de nanolitografía simple de bajo costo, alto rendimiento y alta resolución. Crea patrones mediante la deformación mecánica de la resistencia a la impresión y procesos posteriores. El protector de impresión suele ser una formulación de monómero o polímero que se cura mediante calor o luz ultravioleta durante la impresión. La adherencia entre la resistencia y la plantilla se controla para permitir una liberación adecuada.
El término "litografía por nanoimpresión" fue acuñado en la literatura científica en 1996, cuando el profesor Stephen Chou y sus estudiantes publicaron un informe en Science , [1] aunque el estampado en caliente (ahora considerado sinónimo de NIL) de termoplásticos había estado apareciendo en en la literatura de patentes desde hace algunos años. Poco después de la publicación de Science , muchos investigadores desarrollaron diferentes variaciones e implementaciones. En este punto, la litografía de nanoimpresión se ha agregado a la Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para Semiconductores (ITRS) para los nodos de 32 y 22 nm .
Hay muchos pero los procesos más importantes son los siguientes tres:
La litografía de nanoimpresión termoplástica (T-NIL) es la primera litografía de nanoimpresión desarrollada por el grupo del profesor Stephen Chou. En un proceso T-NIL estándar, se aplica por rotación una fina capa de resistente a la impresión (polímero termoplástico) sobre el sustrato de la muestra. Luego, el molde, que tiene patrones topológicos predefinidos, se pone en contacto con la muestra y se presionan entre sí bajo cierta presión. Cuando se calienta por encima de la temperatura de transición vítrea del polímero, el patrón del molde se presiona contra la película de polímero ablanda. [1] Después de enfriarse, el molde se separa de la muestra y el patrón protector se deja en el sustrato. Se puede utilizar un proceso de transferencia de patrón ( grabado con iones reactivos , normalmente) para transferir el patrón en la resistencia al sustrato inferior. [1]
Alternativamente, la soldadura en frío entre dos superficies metálicas también podría transferir metal nanoestructurado de baja dimensión sin calentamiento (especialmente para tamaños críticos inferiores a ~10 nm). [2] [3] Se pueden fabricar estructuras tridimensionales repitiendo este procedimiento. El enfoque de soldadura en frío tiene la ventaja de reducir la contaminación por contacto de la superficie o los defectos debidos a la ausencia de un proceso de calentamiento, que es un problema principal en los últimos desarrollos y fabricación de dispositivos electrónicos orgánicos y nuevas células solares. [4]
En la litografía por nanoimpresión fotográfica (P-NIL), se aplica una resistencia líquida curable por UV al sustrato de la muestra y el molde normalmente está hecho de material transparente como sílice fundida o PDMS . Después de presionar el molde y el sustrato, la capa protectora se cura con luz ultravioleta y se vuelve sólida. Después de la separación del molde, se puede utilizar un proceso de transferencia de patrón similar para transferir el patrón en resistencia al material inferior. El uso de un molde transparente a los rayos UV es difícil en vacío, porque no sería posible un mandril de vacío para sujetar el molde.
A diferencia de los métodos de nanoimpresión mencionados anteriormente, la nanoimpresión térmica directa sin resistencia no requiere un paso de grabado adicional para transferir patrones desde las resistencias de impresión a la capa del dispositivo.
En un proceso típico, los patrones fotorresistentes se definen primero mediante fotolitografía. Posteriormente se moldea una réplica de un sello de elastómero de polidimetilsiloxano (PDMS) a partir de los patrones de resistencia. Además, una nanoimpresión de un solo paso moldea directamente materiales de película delgada en las geometrías de dispositivo deseadas bajo presión a temperaturas elevadas. Los materiales impresos deben tener características de ablandamiento adecuadas para rellenar el patrón. Los semiconductores amorfos (por ejemplo, vidrio de calcogenuro [5] [6] ) que demuestran un alto índice de refracción y una amplia ventana transparente son materiales ideales para la impresión de dispositivos ópticos/fotónicos.
Este enfoque de creación de patrones de impresión directa ofrece una alternativa de integración monolítica con rendimiento y rendimiento potencialmente mejorados, y también puede permitir el procesamiento rollo a rollo de dispositivos sobre grandes áreas de sustrato inaccesibles mediante métodos de creación de patrones litográficos convencionales. [7]
En los métodos de nanoimpresión térmica, el equilibrio entre la transferencia completa del patrón y la deformación del sustrato crea limitaciones en la calidad de la fabricación. Pocos han creado otros métodos asistidos por disolventes para procesos de nanoimpresión directos y sin resistencia. [8] [9]
En un esquema de nanoimpresión de oblea completa, todos los patrones están contenidos en una única nanoimpresión y se transfieren en un solo paso de impresión. Esto permite un alto rendimiento y uniformidad. Es posible realizar una nanoimpresión de oblea completa de al menos 8 pulgadas (203 mm) de diámetro con alta fidelidad.
Para garantizar la uniformidad de presión y patrón de los procesos de nanoimpresión de oblea completa y prolongar la vida útil del molde, se ha desarrollado un método de prensado que utiliza presión de fluido isotrópico, llamado prensa de colchón de aire (ACP) [10] por sus inventores, que está siendo utilizado por nanoimpresión comercial. sistemas. Alternativamente, se han demostrado tecnologías roll-on (por ejemplo, roll to plate) en combinación con estampadores flexibles (por ejemplo, PDMS) para la impresión de oblea completa. [11]
La nanoimpresión se puede realizar de forma similar a la litografía óptica de paso y repetición. El campo de impresión (troquel) suele ser mucho más pequeño que el campo de nanoimpresión de oblea completa. El troquel se imprime repetidamente en el sustrato con un cierto tamaño de paso. Este esquema es bueno para la creación de moldes de nanoimpresión.
La litografía por nanoimpresión se ha utilizado para fabricar dispositivos para aplicaciones eléctricas, ópticas, fotónicas y biológicas. Para dispositivos electrónicos, NIL se ha utilizado para fabricar memorias de un solo electrón MOSFET , O-TFT . Para óptica y fotónica, NIL ha realizado estudios intensivos en la fabricación de filtros de rejilla resonantes de sublongitud de onda, sensores de espectroscopia Raman de superficie mejorada (SERS), [12] polarizadores , placas de ondas , estructuras antirreflectantes, circuitos fotónicos integrados y dispositivos plasmónicos. En el contexto de dispositivos optoelectrónicos como LED y células solares , se investiga NIL para estructuras de desacoplamiento y desacoplamiento. [11] Se fabricaron canales nanofluídicos de menos de 10 nm utilizando NIL y se utilizaron en experimentos de estiramiento de ADN. Actualmente, NIL se utiliza para reducir el tamaño del dispositivo de clasificación biomolecular en un orden de magnitud más pequeño y más eficiente.
Un beneficio clave de la litografía por nanoimpresión es su absoluta simplicidad. El mayor costo asociado con la fabricación de chips es la herramienta de litografía óptica utilizada para imprimir los patrones del circuito. La litografía óptica requiere láseres excimer de alta potencia e inmensas pilas de elementos de lentes rectificados con precisión para lograr una resolución a escala nanométrica. Con una herramienta de nanoimpresión no se necesitan ópticas complejas ni fuentes de radiación de alta energía. No hay necesidad de fotoprotectores finamente diseñados para resolución y sensibilidad a una longitud de onda determinada. Los requisitos simplificados de la tecnología conducen a su bajo coste.
Los moldes maestros de silicio se pueden utilizar para realizar hasta unos pocos miles de impresiones, mientras que los moldes de níquel pueden durar hasta diez mil ciclos.
La litografía de impresión es inherentemente un proceso de modelado tridimensional. Los moldes de impresión se pueden fabricar con múltiples capas de topografía apiladas verticalmente. Las impresiones resultantes replican ambas capas con un solo paso de impresión, lo que permite a los fabricantes de chips reducir los costos de fabricación de chips y mejorar el rendimiento del producto.
Como se mencionó anteriormente, no es necesario ajustar con precisión el material de impresión para lograr alta resolución y sensibilidad. Se encuentra disponible una gama más amplia de materiales con diferentes propiedades para su uso con litografía de impresión. La mayor variabilidad de los materiales brinda a los químicos la libertad de diseñar nuevos materiales funcionales en lugar de polímeros sacrificables resistentes al grabado. [13] Se puede imprimir un material funcional directamente para formar una capa en un chip sin necesidad de transferir el patrón a los materiales subyacentes. La implementación exitosa de un material de impresión funcional daría como resultado importantes reducciones de costos y un mayor rendimiento al eliminar muchos pasos difíciles del procesamiento de fabricación de chips. [14]
Las principales preocupaciones de la litografía por nanoimpresión son la superposición, los defectos, el patrón de la plantilla y el desgaste de la plantilla. Sin embargo, recientemente Kumar et al. han demostrado que los metales amorfos (vidrios metálicos) se pueden modelar en una escala inferior a 100 nm, lo que puede reducir significativamente el costo de la plantilla. [15]
La capacidad actual de superposición 3 sigma es de 10 nm . [16] La superposición tiene más posibilidades con los enfoques de paso y escaneo que con la impresión de oblea completa.
Al igual que con la litografía por inmersión , se espera que el control de defectos mejore a medida que la tecnología madure. Se pueden eliminar los defectos de la plantilla con un tamaño inferior al sesgo del proceso posterior a la impresión. Otros defectos requerirían una limpieza eficaz de la plantilla y/o el uso de sellos de polímero intermedios. Cuando no se utiliza vacío durante el proceso de impresión, el aire puede quedar atrapado y provocar defectos en las burbujas. [17] Esto se debe a que la capa resistente a la impresión y las características de la plantilla o del sello no son perfectamente planas. Existe un riesgo elevado cuando el sello intermedio o maestro contiene depresiones (que son especialmente fáciles de atrapar aire), o cuando el protector de impresión se dispensa en forma de gotas justo antes de imprimir, en lugar de hilar previamente sobre el sustrato. Se debe dejar suficiente tiempo para que escape el aire. [18] Estos efectos son mucho menos críticos si se utilizan materiales de estampado flexibles, por ejemplo, PDMS. [11] Otro problema es la adhesión entre el sello y la resistencia. La alta adherencia (pegajoso) puede deslaminar la resistencia, que luego permanece en el sello. Este efecto degrada el patrón, reduce el rendimiento y daña el sello. Puede mitigarse empleando una capa antistición FDTS en un sello.
Actualmente, el modelado de plantillas de alta resolución se puede realizar mediante litografía por haz de electrones o modelado por haz de iones enfocado ; sin embargo, con la resolución más pequeña, el rendimiento es muy lento. Como resultado, las herramientas de patrones ópticos serán más útiles si tienen suficiente resolución. Este enfoque ha sido demostrado con éxito por Greener et al. mediante lo cual se fabricaron rápidamente plantillas robustas mediante patrones ópticos de un sustrato metálico recubierto de fotorresistente a través de una fotomáscara . [19] Si se requieren patrones homogéneos en áreas grandes, la litografía de interferencia es una técnica de modelado muy atractiva. [20] [21] También se pueden utilizar otras técnicas de modelado (incluido incluso el doble patrón ). Kumar y Schroers en Yale desarrollaron nanopatrones de metales amorfos que pueden usarse como plantillas económicas para nanoimpresión. Actualmente, la litografía de nanoimpresión de última generación se puede utilizar para patrones de hasta 20 nm o menos. [22]
El uso de una presión sustancial no sólo para hacer contacto sino también para penetrar una capa durante la impresión acelera el desgaste de las plantillas de impresión en comparación con otros tipos de máscaras litográficas. El desgaste de la plantilla se reduce con el uso adecuado de un recubrimiento monocapa antiadherente FDTS en un sello. Un método basado en AFM muy eficiente y preciso para caracterizar la degradación de sellos PDMS permite optimizar materiales y procesos para minimizar el desgaste. [23]
Las aplicaciones futuras de la litografía por nanoimpresión pueden implicar el uso de materiales porosos de baja κ . Estos materiales no son rígidos y, como parte del sustrato, se dañan mecánicamente fácilmente por la presión del proceso de impresión.
Una característica clave de la litografía por nanoimpresión (a excepción de la nanoimpresión electroquímica) es la capa residual que sigue al proceso de impresión. Es preferible tener capas residuales lo suficientemente gruesas para soportar la alineación y el rendimiento y bajos defectos. [24] Sin embargo, esto hace que el paso de litografía por nanoimpresión sea menos crítico para el control de la dimensión crítica (CD) que el paso de grabado utilizado para eliminar la capa residual. Por lo tanto, es importante considerar la eliminación de la capa residual como una parte integrada del proceso general de modelado de nanoimpresión. [25] [26] En cierto sentido, el grabado de la capa residual es similar al proceso de revelado en la litografía convencional. Se ha propuesto combinar técnicas de fotolitografía y litografía de nanoimpresión en un solo paso para eliminar la capa residual. [27]
La litografía por nanoimpresión se basa en el desplazamiento del polímero. Esto podría provocar efectos sistemáticos a largas distancias. Por ejemplo, una serie grande y densa de protuberancias desplazará significativamente más polímero que una protuberancia aislada. Dependiendo de la distancia de esta protuberancia aislada de la matriz, es posible que la característica aislada no se imprima correctamente debido al desplazamiento y al engrosamiento del polímero. Se pueden formar agujeros de resistencia entre grupos de protuberancias. [28] Del mismo modo, las depresiones más anchas en la plantilla no se llenan con tanto polímero como las depresiones más estrechas, lo que resulta en líneas anchas deformes. Además, una depresión en el borde de una matriz grande se llena mucho antes que una ubicada en el centro de la matriz, lo que genera problemas de uniformidad dentro de la matriz.
Un beneficio único de la litografía por nanoimpresión es la capacidad de modelar estructuras 3D, como interconexiones damasquinadas y puertas en T, en menos pasos de los necesarios para la litografía convencional. Esto se logra construyendo la forma de T en la protuberancia de la plantilla. [29] De manera similar, la litografía por nanoimpresión se puede utilizar para replicar estructuras 3D creadas utilizando Focused Ion Beam . Aunque el área que se puede modelar usando Focused Ion Beam es limitada, se puede usar, por ejemplo, para imprimir estructuras en el borde de fibras ópticas. [30]
Las superficies nanoestructuradas jerárquicamente y con una alta relación de aspecto pueden ser engorrosas de fabricar y sufrir un colapso estructural. Usando UV-NIL de polímero tiol-eno-epóxido no estequiométrico es posible fabricar nanoestructuras robustas, de gran área y de alta relación de aspecto, así como estructuras complejas en capas jerárquicas con colapso y defectos limitados. [31]
La nanoimpresión electroquímica se puede lograr utilizando un sello hecho de un conductor superiónico como el sulfuro de plata . [32] Cuando el sello entra en contacto con metal, el grabado electroquímico se puede realizar con un voltaje aplicado. La reacción electroquímica genera iones metálicos que pasan de la película original al sello. Finalmente se retira todo el metal y el patrón de sello complementario se transfiere al metal restante.
La impresión directa asistida por láser (LADI) [33] es una técnica rápida para modelar nanoestructuras en sustratos sólidos y no requiere grabado. Uno o varios pulsos de láser excimer funden una fina capa superficial de material de sustrato y se estampa un molde en la capa líquida resultante. Se han impreso en silicio una variedad de estructuras con una resolución superior a 10 nm utilizando LADI, y el tiempo de estampado es inferior a 250 ns. La alta resolución y velocidad de LADI, atribuidas a la baja viscosidad del silicio fundido (un tercio de la del agua), podrían abrir una variedad de aplicaciones y extenderse a otros materiales y técnicas de procesamiento.
La litografía por nanoimpresión ultrarrápida [34] o Pulsed-NIL es una técnica basada en el uso de sellos con una capa calefactora integrada debajo de la superficie con nanopatrones. La inyección de un único pulso de corriente intenso, corto (<100 μs) en la capa calefactora hace que la temperatura de la superficie del sello aumente repentinamente en varios cientos de grados °C. Esto da como resultado la fusión de la película protectora termoplástica presionada contra ella y la rápida indentación de las nanoestructuras. Además del alto rendimiento, este rápido proceso tiene otras ventajas, a saber, el hecho de que se puede ampliar fácilmente a grandes superficies y reduce la energía gastada en el ciclo térmico con respecto al NIL térmico estándar. Este enfoque lo sigue actualmente ThunderNIL srl. [35]
Los procesos de rodillos son muy adecuados para sustratos grandes (oblea completa) y producción a gran escala, ya que pueden implementarse en líneas de producción. Si se utiliza con un estampador suave, el proceso (impresión y desmoldeo) puede ser extremadamente suave y tolerante a la rugosidad o los defectos de la superficie. De este modo es posible procesar incluso sustratos extremadamente finos y quebradizos. Con este proceso se han demostrado huellas de obleas de silicio de hasta 50 μm de espesor. [11] Para UV-Roller-NIL sobre sustratos opacos, la luz UV debe pasar a través del estampador flexible, por ejemplo integrando LED UV en un tambor de vidrio de cuarzo.
La litografía por nanoimpresión es un proceso simple de transferencia de patrones que no está limitado por los efectos de difracción ni de dispersión ni por electrones secundarios, y no requiere ninguna química de radiación sofisticada. También es una técnica potencialmente sencilla y económica. Sin embargo, una barrera persistente para los patrones a escala nanométrica es la dependencia actual de otras técnicas de litografía para generar la plantilla. Es posible que las estructuras autoensambladas proporcionen la solución definitiva para plantillas de patrones periódicos a escalas de 10 nm y menos. [36] También es posible resolver el problema de generación de plantillas utilizando una plantilla programable [37] en un esquema basado en patrones dobles .
En octubre de 2007, Toshiba es la única empresa que ha validado la litografía de nanoimpresión para 22 nm y más. [38] Lo que es más significativo es que la litografía por nanoimpresión fue la primera litografía por debajo de 30 nm validada por un usuario industrial.