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Litografía por sonda de barrido

La litografía por sonda de barrido [1] ( SPL ) describe un conjunto de métodos nanolitográficos para modelar material a escala nanométrica utilizando sondas de barrido. Es un enfoque de escritura directa, sin máscara , que evita el límite de difracción y puede alcanzar resoluciones por debajo de los 10 nm. [2] Se considera una tecnología litográfica alternativa que se utiliza a menudo en entornos académicos y de investigación. El término litografía por sonda de barrido se acuñó después de los primeros experimentos de modelado con microscopios de sonda de barrido (SPM) a fines de la década de 1980. [3]

Clasificación

Los diferentes enfoques hacia SPL se pueden clasificar por su objetivo de agregar o eliminar material, por la naturaleza general del proceso, ya sea químico o físico, o de acuerdo con los mecanismos impulsores de la interacción sonda-superficie utilizados en el proceso de modelado: mecánico , térmico , difusivo y eléctrico .

Descripción general

Mecánico/termomecánico

La litografía de sonda de barrido mecánico (m-SPL) es un método de nanomaquinado o nano-rayado [4] de arriba hacia abajo sin la aplicación de calor. [5] La SPL termomecánica aplica calor junto con una fuerza mecánica, por ejemplo, la indentación de polímeros en la memoria Millipede .

Térmico

La litografía por sonda de barrido térmico (t-SPL) utiliza una sonda de barrido calentable para eliminar material de una superficie de manera eficiente sin aplicar fuerzas mecánicas significativas. La profundidad del patrón se puede controlar para crear estructuras 3D de alta resolución. [6] [7]

Termoquímico

La litografía de sonda de barrido termoquímica (tc-SPL) o nanolitografía termoquímica (TCNL) emplea las puntas de la sonda de barrido para inducir reacciones químicas activadas térmicamente para cambiar la funcionalidad química o la fase de las superficies. Dichas reacciones activadas térmicamente se han demostrado en proteínas , [8] semiconductores orgánicos , [9] polímeros conjugados electroluminiscentes , [10] y resistencias de nanocinta . [11] Además, se ha demostrado la desprotección de grupos funcionales [12] (que a veces implica gradientes de temperatura [13] ), la reducción de óxidos, [14] y la cristalización de cerámicas piezoeléctricas/ferroeléctricas [15] .

Pluma de inmersión/pluma de inmersión térmica

La litografía por sonda de barrido con pluma de inmersión (dp-SPL) o nanolitografía por pluma de inmersión (DPN) es una técnica de litografía por sonda de barrido basada en la difusión , donde la punta se emplea para crear patrones en una variedad de sustancias mediante la deposición de una variedad de tintas líquidas . [16] [17] [18] La litografía por sonda de barrido con pluma de inmersión térmica o nanolitografía por pluma de inmersión térmica (TDPN) extiende las tintas utilizables a los sólidos, que se pueden depositar en su forma líquida cuando las sondas se precalientan. [19] [20] [21]

Oxidación

La litografía de oxidación por sonda de barrido (o-SPL), también llamada nanolitografía de oxidación local (LON), oxidación por sonda de barrido, nanooxidación, oxidación anódica local, litografía de oxidación AFM , se basa en el confinamiento espacial de una reacción de oxidación . [22] [23]

Sesgo inducido

La litografía de sonda de barrido inducida por sesgo (b-SPL) utiliza los altos campos eléctricos creados en el vértice de la punta de una sonda cuando se aplican voltajes entre la punta y la muestra para facilitar y confinar una variedad de reacciones químicas para descomponer gases [24] o líquidos [2] [25] con el fin de depositar y hacer crecer localmente materiales en las superficies.

Corriente inducida

En la litografía de sonda de barrido inducida por corriente (c-SPL), además de los altos campos eléctricos de b-SPL, también se utiliza una corriente de electrones enfocada que emana de la punta de SPM para crear nanopatrones, por ejemplo, en polímeros [26] y vidrios moleculares. [27]

Magnético

Se han desarrollado varias técnicas de sonda de barrido para escribir patrones de magnetización en estructuras ferromagnéticas , que a menudo se describen como técnicas de SPL magnéticas. La litografía de sonda de barrido magnético asistida térmicamente (tam-SPL) [28] funciona empleando una sonda de barrido calentable para calentar y enfriar localmente regiones de una capa ferromagnética polarizada por intercambio en presencia de un campo magnético externo. Esto provoca un cambio en el bucle de histéresis de las regiones expuestas, fijando la magnetización en una orientación diferente en comparación con las regiones no expuestas. Las regiones fijadas se vuelven estables incluso en presencia de campos externos después del enfriamiento, lo que permite escribir nanopatrones arbitrarios en la magnetización de la capa ferromagnética.

En conjuntos de nanoislas ferromagnéticas en interacción, como el hielo de espín artificial , se han utilizado técnicas de sonda de barrido para escribir patrones magnéticos arbitrarios invirtiendo localmente la magnetización de islas individuales. La escritura magnética impulsada por defectos topológicos (TMW) [29] utiliza el campo dipolar de una sonda de barrido magnetizada para inducir defectos topológicos en el campo de magnetización de islas ferromagnéticas individuales. Estos defectos topológicos interactúan con los bordes de las islas y se aniquilan, dejando la magnetización invertida. Otra forma de escribir estos patrones magnéticos es la creación de patrones de microscopía de fuerza magnética asistida por campo [30] , donde se aplica un campo magnético externo un poco por debajo del campo de conmutación de las nanoislas y se utiliza una sonda de barrido magnetizada para aumentar localmente la intensidad del campo por encima de la requerida para invertir la magnetización de islas seleccionadas.

En sistemas magnéticos donde las interacciones interfaciales Dzyaloshinskii–Moriya estabilizan texturas magnéticas conocidas como skyrmions magnéticos , se ha empleado la nanolitografía magnética de sonda de barrido para la escritura directa de skyrmions y redes de skyrmions. [31] [32]

Comparación con otras técnicas litográficas

Al ser una tecnología en serie, la SPL es inherentemente más lenta que, por ejemplo, la fotolitografía o la litografía de nanoimpresión , mientras que la paralelización requerida para la fabricación en masa se considera un gran esfuerzo de ingeniería de sistemas ( véase también la memoria Millipede ). En cuanto a la resolución, los métodos SPL pasan por alto el límite de difracción óptica debido al uso de sondas de escaneo en comparación con los métodos fotolitográficos . Algunas sondas tienen capacidades de metrología in situ integradas , lo que permite un control de retroalimentación durante el proceso de escritura. [33] La SPL funciona en condiciones atmosféricas ambientales , sin la necesidad de ultra alto vacío ( UHV ), a diferencia de la litografía de haz de electrones o EUV .

Referencias

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