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 resina de impresión y procesos posteriores. La resina de impresión es típicamente una formulación de monómero o polímero que se cura con calor o luz ultravioleta durante la impresión. La adhesión entre la resina y la plantilla se controla para permitir una liberación adecuada.
El término "litografía de 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 como sinónimo de NIL) de termoplásticos ya había aparecido en la literatura de patentes durante algunos años. Poco después de la publicación en 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 tres siguientes:
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 una fina capa de resina de impresión (polímero termoplástico) sobre el sustrato de la muestra. A continuación, el molde, que tiene patrones topológicos predefinidos, se pone en contacto con la muestra y se presionan juntos bajo cierta presión. Cuando se calienta por encima de la temperatura de transición vítrea del polímero, el patrón del molde se presiona sobre la película de polímero ablandada. [1] Después de enfriarse, el molde se separa de la muestra y la resina del patrón se deja sobre el sustrato. Se puede utilizar un proceso de transferencia de patrón ( grabado iónico reactivo , normalmente) para transferir el patrón de la resina al sustrato inferior. [1]
Como alternativa, 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 método de soldadura en frío tiene la ventaja de reducir la contaminación o los defectos de contacto de la superficie debido a la falta de proceso de calentamiento, que es un problema principal en el último desarrollo y fabricación de dispositivos electrónicos orgánicos y nuevas células solares. [4]
En la litografía de nanoimpresión fotográfica (P-NIL), se aplica una resina líquida curable por UV al sustrato de muestra y el molde normalmente está hecho de material transparente como sílice fundida o PDMS . Después de que el molde y el sustrato se presionan juntos, la resina se cura con luz UV 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 la resina al material inferior. El uso de un molde transparente a los rayos UV es difícil en vacío, porque no sería posible utilizar 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 de las resistencias de impresión a la capa del dispositivo.
En un proceso típico, los patrones de fotorresistencia se definen primero mediante fotolitografía. A continuación, 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 los materiales de película delgada en las geometrías deseadas del dispositivo bajo presión a temperaturas elevadas. Los materiales impresos deben tener características de ablandamiento adecuadas para rellenar el patrón. Los semiconductores amorfos (por ejemplo, el vidrio 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 un rendimiento y una productividad potencialmente mejorados, y también puede permitir el procesamiento rollo a rollo de dispositivos sobre grandes áreas de sustrato inaccesibles utilizando los métodos convencionales de creación de patrones litográficos. [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 abordado el problema de crear otros métodos asistidos por solventes para procesos de nanoimpresión directa 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 único paso de impresión. Esto permite un alto rendimiento y uniformidad. Es posible obtener una nanoimpresión de oblea completa de al menos 203 mm (8 pulgadas) de diámetro con alta fidelidad.
Para garantizar la uniformidad de la presión y del patrón en los procesos de nanoimpresión de obleas completas y prolongar la vida útil del molde, se ha desarrollado un método de prensado que utiliza presión de fluido isotrópico, denominado por sus inventores prensa de colchón de aire (ACP) [10] , que se utiliza en los sistemas de nanoimpresión comerciales. Como alternativa, se han demostrado tecnologías de aplicación continua (p. ej., de aplicación continua a placa) en combinación con estampadores flexibles (p. ej., PDMS) para la impresión de obleas completas. [11]
La nanoimpresión se puede realizar de una manera similar a la litografía óptica de repetición por pasos. 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 tamaño de paso determinado. Este esquema es bueno para la creación de moldes de nanoimpresión.
La litografía de nanoimpresión se ha utilizado para fabricar dispositivos para aplicaciones eléctricas, ópticas, fotónicas y biológicas. Para dispositivos electrónicos, NIL se ha utilizado para fabricar MOSFET , O-TFT y memoria de un solo electrón. Para óptica y fotónica, se han realizado estudios intensivos en la fabricación de filtros de rejilla resonante de sublongitud de onda, sensores de espectroscopia Raman de superficie mejorada (SERS), [12] polarizadores , placas de onda , estructuras antirreflectivas, circuitos fotónicos integrados y dispositivos plasmónicos mediante NIL. En el contexto de dispositivos optoelectrónicos como LED y células solares , se está investigando NIL para estructuras de acoplamiento externo e interno. [11] Se han fabricado canales nanofluídicos sub-10 nm utilizando NIL y se han utilizado en experimentos de estiramiento de ADN. Actualmente, NIL se utiliza para reducir el tamaño del dispositivo de clasificación biomolecular un orden de magnitud más pequeño y más eficiente.
Una ventaja 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 se necesitan fotorresistencias diseñadas con precisión para lograr tanto la resolución como la sensibilidad en una longitud de onda determinada. Los requisitos simplificados de la tecnología dan lugar a su bajo costo.
Los moldes maestros de silicio se pueden utilizar hasta para unos 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 la producción.
Como se mencionó anteriormente, el material de impresión no necesita ser ajustado con precisión para lograr una alta resolución y sensibilidad. Existe una gama más amplia de materiales con diferentes propiedades disponibles 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 resistentes al grabado de sacrificio. [13] Un material funcional puede imprimirse directamente para formar una capa en un chip sin necesidad de transferir patrones a los materiales subyacentes. La implementación exitosa de un material de impresión funcional resultaría en reducciones significativas de costos y un aumento del rendimiento al eliminar muchos pasos de procesamiento difíciles de fabricación de chips. [14]
Las principales preocupaciones de la litografía por nanoimpresión son la superposición, los defectos, la formación de patrones de plantillas y el desgaste de las mismas. Sin embargo, recientemente Kumar et al. han demostrado que los metales amorfos (vidrios metálicos) pueden formarse a escala inferior a 100 nm, lo que puede reducir significativamente el coste de las plantillas. [15]
La capacidad actual de superposición de 3 sigma es de 10 nm . [16] La superposición tiene mejores posibilidades con enfoques de paso y escaneo en comparación 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, lo que da como resultado defectos de burbuja. [17] Esto se debe a que la capa de resistencia de impresión y las características de la plantilla o el sello no son perfectamente planas. Existe un riesgo elevado cuando el sello intermedio o maestro contiene depresiones (que son trampas de aire especialmente fáciles), o cuando la resistencia de impresión se dispensa como gotas justo antes de la impresión, en lugar de prehilarse sobre el sustrato. Se debe permitir suficiente tiempo para que escape el aire. [18] Estos efectos son mucho menos críticos si se utilizan materiales de estampador flexibles, por ejemplo, PDMS. [11] Otro problema es la adhesión entre el sello y la resistencia. Una alta adhesión (adherencia) puede delaminar la resistencia, que luego permanece en el sello. Este efecto degrada el patrón, reduce el rendimiento y daña el sello. Se puede mitigar empleando una capa antiadherente FDTS en un sello.
Actualmente, la creación de patrones de plantillas de alta resolución se puede realizar mediante litografía de haz de electrones o mediante la creación de patrones de haz de iones enfocado ; sin embargo, con la resolución más baja, el rendimiento es muy lento. Como resultado, las herramientas de creación de patrones ópticos serán más útiles si tienen una resolución suficiente. Greener et al. han demostrado con éxito un enfoque de este tipo mediante el cual se fabricaron rápidamente plantillas robustas mediante la creación de patrones ópticos de un sustrato metálico revestido con fotorresistencia a través de una fotomáscara . [19] Si se requieren patrones homogéneos en áreas grandes, la litografía de interferencia es una técnica de creación de patrones muy atractiva. [20] [21] También se pueden utilizar otras técnicas de creación de patrones (incluso la creación de patrones dobles ). Kumar y Schroers en Yale desarrollaron la creación de patrones nanométricos de metales amorfos que se pueden utilizar como plantillas económicas para la nanoimpresión. Actualmente, la litografía de nanoimpresión de última generación se puede utilizar para patrones de hasta 20 nm y menos. [22]
El uso de una presión sustancial no solo para entrar en contacto con una capa, sino también para penetrarla 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 revestimiento monocapa FDTS antiadherente sobre un sello. Un método basado en AFM muy eficiente y preciso para caracterizar la degradación de los sellos de PDMS permite optimizar los materiales y los procesos para minimizar el desgaste. [23]
Las futuras aplicaciones de la litografía por nanoimpresión pueden implicar el uso de materiales porosos de bajo κ . Estos materiales no son rígidos y, como parte del sustrato, se dañan fácilmente mecánicamente por la presión del proceso de impresión.
Una característica clave de la litografía por nanoimpresión (excepto 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 un bajo nivel de 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 creación de patrones por 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 las técnicas de fotolitografía y litografía por nanoimpresión en un solo paso para eliminar la capa residual. [27]
La litografía por nanoimpresión se basa en el desplazamiento del polímero, lo que podría producir efectos sistemáticos a grandes distancias. Por ejemplo, una matriz grande y densa de protuberancias desplazará significativamente más polímero que una protuberancia aislada. Según la distancia de esta protuberancia aislada con respecto a la matriz, es posible que la característica aislada no se imprima correctamente debido al desplazamiento y engrosamiento del polímero. Pueden formarse agujeros de resistencia entre los grupos de protuberancias. [28] Asimismo, las depresiones más anchas en la plantilla no se llenan con tanto polímero como las depresiones más estrechas, lo que da como resultado 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 da como resultado problemas de uniformidad dentro de la matriz.
Un beneficio único de la litografía por nanoimpresión es la capacidad de crear patrones de estructuras 3D, como interconexiones de damasquinado y puertas en T, en menos pasos que 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 crear con patrones utilizando Focused Ion Beam es limitada, se puede utilizar, por ejemplo, para imprimir estructuras en el borde de fibras ópticas. [30]
Las superficies nanoestructuradas jerárquicamente y con una relación de aspecto elevada pueden resultar complicadas de fabricar y pueden sufrir colapso estructural. Mediante el uso de la tecnología UV-NIL de polímeros de tiolen-epoxi fuera de la estequiometría, es posible fabricar nanoestructuras robustas, de gran superficie y con una relación de aspecto elevada, así como estructuras complejas en capas jerárquicas con un colapso y una defectividad 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 el metal, se puede realizar un grabado electroquímico con un voltaje aplicado. La reacción electroquímica genera iones metálicos que se mueven desde la película original hacia el sello. Finalmente, se elimina todo el metal y el patrón complementario del sello 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 del material del sustrato y se estampa un molde en la capa líquida resultante. Se han impreso en silicio diversas estructuras con una resolución mejor que 10 nm utilizando LADI, y el tiempo de estampación 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 de nanoimpresión ultrarrápida [34] o Pulsed-NIL es una técnica basada en el uso de sellos con una capa de calentamiento integrada debajo de la superficie nanoestampada. La inyección de un único pulso de corriente intenso, corto (<100 μs) en la capa de calentamiento 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 de resistencia termoplástica presionada contra ella y la rápida indentación de las nanoestructuras. Además del alto rendimiento, este proceso rápido 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 es el que actualmente sigue ThunderNIL srl. [35]
Los procesos de rodillos son muy adecuados para sustratos grandes (obleas completas) y producciones a gran escala, ya que se pueden implementar en líneas de producción. Si se utiliza con una estampadora blanda, el proceso (tanto la impresión como el 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. Se han demostrado impresiones de obleas de silicio con un espesor de hasta 50 μm utilizando este proceso. [11] Para UV-Roller-NIL sobre sustratos opacos, la luz UV debe pasar a través de la estampadora 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 efectos de difracción ni de dispersión ni por electrones secundarios, y no requiere ninguna química de radiación sofisticada. También es una técnica potencialmente simple y económica. Sin embargo, una barrera persistente para la creación de 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 las plantillas de patrones periódicos a escalas de 10 nm y menos. [36] También es posible resolver el problema de la generación de plantillas utilizando una plantilla programable [37] en un esquema basado en la creación de patrones dobles .
A partir de 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 de nanoimpresión fue la primera litografía de menos de 30 nm validada por un usuario industrial.