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Litografía por sonda de barrido térmico

Descomposición térmica de polímeros

La litografía de sonda de barrido térmico ( t-SPL ) es una forma de litografía de sonda de barrido [1] (SPL) mediante la cual el material se estructura a escala nanométrica utilizando sondas de barrido , principalmente mediante la aplicación de energía térmica .

Los campos relacionados son la SPL termomecánica (ver también Memoria de milpiés ), la SPL termoquímica [2] [3] (o nanolitografía termoquímica ) donde el objetivo es influir en la química local, y la litografía por inmersión térmica [4] como técnica aditiva.

Historia

Los científicos de Daniel Rugar y John Mamin en los laboratorios de investigación de IBM en Almaden han sido pioneros en el uso de sondas AFM (microscopio de fuerza atómica) calentadas para la modificación de superficies. En 1992, utilizaron pulsos láser de microsegundos para calentar las puntas del AFM para escribir hendiduras tan pequeñas como 150 nm en el polímero PMMA a velocidades de 100 kHz. [5] En los años siguientes, desarrollaron voladizos con frecuencias de resonancia superiores a 4 MHz e integraron calentadores resistivos y sensores piezorresistivos para escribir y leer datos. [6] [7] Este concepto de almacenamiento de datos termomecánico formó la base del proyecto Millipede que fue inicializado por Peter Vettiger y Gerd Binnig en los laboratorios de investigación de IBM en Zurich en 1995. Era un ejemplo de un dispositivo de almacenamiento de memoria con una gran variedad de sondas paralelas, que sin embargo nunca se comercializó debido a la creciente competencia de la memoria no volátil como la memoria flash . El medio de almacenamiento de la memoria Millipede consistía en polímeros con funcionalidad de memoria de forma, como por ejemplo poliestireno reticulado , [8] para permitir escribir sangrías de datos mediante deformación plástica y borrar los datos nuevamente mediante calentamiento. Sin embargo, la evaporación en lugar de la deformación plástica era necesaria para que las aplicaciones de nanolitografía pudieran crear cualquier patrón en la resistencia . Dicha evaporación local de la resistencia inducida por una punta calentada podría lograrse para varios materiales como tetranitrato de pentaeritritol , [9] policarbonatos reticulados , [10] y polímeros Diels-Alder . [11] En 2010, IBM Research en Zurich logró un progreso significativo en la elección del material de resistencia, lo que condujo a una alta resolución y un patrón de relieve 3D preciso [12] con el uso del polímero de despolimerización autoamplificado poliftalaldehído (PPA) [12] [13] y vidrios moleculares [14] como resistencia, donde el polímero se descompone en monómeros volátiles al calentarlo con la punta sin la aplicación de fuerza mecánica y sin acumulación o residuos de la resistencia.

Principio de funcionamiento

Los voladizos térmicos se fabrican a partir de obleas de silicio mediante procesos de micromecanizado de superficie y en masa . Las sondas tienen un radio de curvatura inferior a 5 nm, lo que permite una resolución inferior a 10 nm en la resistencia. [15] El calentamiento resistivo se lleva a cabo mediante microcalentadores integrados en las patas del voladizo que se crean mediante diferentes niveles de dopaje . La constante de tiempo de los calentadores se encuentra entre 5 μs y 100 μs. [16] [17] La ​​electromigración limita la temperatura sostenible a largo plazo del calentador a 700–800 °C. [17] Los calentadores integrados permiten la metrología in situ de los patrones escritos, lo que permite el control de retroalimentación, [18] la costura de campo sin el uso de marcadores de alineación [19] y el uso de estructuras preestampadas como referencia para la superposición de sub-5 nm . [20] La transferencia de patrones para la fabricación de dispositivos semiconductores , incluido el grabado de iones reactivos y el despegue de metal , se ha demostrado con una resolución inferior a 20 nm. [21]

Comparación con otras técnicas litográficas

Debido a la naturaleza ablativa del proceso de modelado, no se necesita ningún paso de desarrollo (como en: eliminación selectiva de las regiones expuestas o no expuestas de la resistencia como para el haz de electrones y la litografía óptica ), ni tampoco correcciones de proximidad óptica . Se han demostrado velocidades máximas de escritura lineal de hasta 20 mm/s [22] con rendimientos en el rango de 10 4 – 10 5 μm 2 h −1 [1] que es comparable al haz de electrones de una sola columna en forma de Gauss usando HSQ como resistencia. [23] La resolución de t-SPL está determinada por la forma de la punta de la sonda y no está limitada por el límite de difracción o por el tamaño del punto focal de los enfoques del haz, sin embargo, las interacciones punta-muestra durante el proceso de metrología in situ crean desgaste de la punta , [24] limitando la vida útil de las sondas. Para prolongar la vida útil de las puntas de la sonda, se han demostrado puntas recubiertas de diamante ultrananocristalino (UNCD) [25] y carburo de silicio (SiC) [24] o métodos de imágenes de contacto flotante sin desgaste [26] . No se producen daños ni cargas de electrones en las superficies estampadas debido a la ausencia de haces de electrones o iones. [21]

Referencias

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  2. ^ Szoszkiewicz, Robert; Okada, Takashi; Jones, Simon C.; Li, Tai-De; King, William P.; Marder, Seth R.; Riedo, Elisa (1 de abril de 2007). "Nanolitografía termoquímica de alta velocidad con tamaño de característica inferior a 15 nm". Nano Letters . 7 (4): 1064–1069. Bibcode :2007NanoL...7.1064S. doi :10.1021/nl070300f. ISSN  1530-6984. PMID  17385937.
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Véase también