Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое атомная нанолитография, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое атомная нанолитография, наноимпринт, литография , репликация наноструктур нанопечатная литография сзм сканирующий зондовый микроскоп , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Конструирование и проектирование электронной аппаратуры.
•Метод изобрели сотрудники Института спектроскопии РАН.
•Изображения наносятся с помощью атомной камеры-обскуры с маской из крошечных отверстий, сквозь которые проникает пучок атомов.
•Идея является развитием давно известной идеи камеры-обскуры, которая позволяет создавать оптические изображения с помощью маленького отверстия в экране.
•Предмет, находящийся на некотором расстоянии от экрана, создает свое изображение в затемненной камере благодаря наличию небольшого отверстия в стенке камеры. Изображение формируется на задней стенке камеры без применения какой-либо дополнительной оптики вроде привычных стеклянных линз. Разрешение определяется размером отверстия и расстоянием между отверстием и задней стенкой.
•Если вместо света использовать пучок нейтральных атомов, то можно создать изображение рисунка маски, которое формируется при конденсации нейтральных атомов на поверхности.
•Изображение нанометровых размеров формируется, если размер отверстия лежит в нанометровом диапазоне, а расстояние между отверстием и поверхностью — в микрометровом диапазоне.
•В левой части рисунка показаны наноотверстия в мембране. Справа — полученные наноструктуры.
Ниже пример полученной структуры
•Современная литография по мере совершенствования и развития становится все более и более дорогой
–Разрабатываются альтернативные литографические методы
•Импринт литография
–Самый старый тип литографии
–Реализовано семейство новых микро- и нанолитографических методов
•Наноимпринт литография (NIL)
–Термическая наноимпринт литография
–Фотонаноимпринт литография
–Мягкая (soft) литография
Наноимпринт литография позволяет получать разрешение ~ 10 нм
•С 1990-х годов наноимпринтная литография (НИЛ) возникла и развивалась как один из наиболее универсальных методов для формирования наноразмерных структур, размеры которых лежат в диапазоне от 10 нм до единиц мкм.
• Сегодня НИЛ является одной из технологий, на которые делают ставку разработчики микросхем.
• Для реализации НИЛ на подложке необходимы три основных компонента: штамп с соответствующими деталями, материал, на котором изготавливают отпечаток (в качестве которого обычно используют полимерный резист), оборудование для печати с соответствующим контролем температуры, давления и относительного расположения штампа и подложки.
•Наноимпринт литография (NanoImprint Lithography - NIL) и ее вариации базируются на принципе механического модифицирования полимерной пленки при помощи стемпера (наношаблона), с последующей термомеханической обработкой (горячее тиснение) либо обработкой ультрафиолетом.
•Полученная пленка может быть использована как непосредственно конечная структура, так и для последующих шагов как наношаблон, для взрывной литографии (lift-off), как шаблон для формирования 3D-структур.
•Термическая наноимпринт литография
–На поверхность подложки наносится термопластичный полимер
–Форма с нужным рельефом на поверхности вдавливается в полимер при нагреве до температуры перехода полимера
–После охлаждения форму убирают
–Травление полученной структуры для переноса структуры на подложку
–Аналогичный метод с разогревом лазером
•Фотонаноимпринт литография
–Используется фоторезист
–Форма делается прозрачной
–При надавливании происходит засветка УФ светом для полимеризации резиста
•Электрохимическая наномипринт литография
–Перенос металла на подложку электрохимическим способом
•Мягкая (Soft) литография – микроконтактная печать по след этапам:
- Изготавливается форма из эластмерного материала (например, полидиметилсилоксан PDMS) по шаблону
- Наносится монослой «чернил» на форму (например, октадекантиол ODT в растворе этаноле)
- ODT осаждается на форме (самосборка)
- Форма придавливается к подложке (с напыленным тонким слоем золота)
- Рисунок переносится на подложку травлением
Отличия наноимпринт литографии
•Достоинства
–Очень простая технология, не требующая сложного оборудования
–Хорошее разрешение
–3D технология при многостадийном процессе
–Можно использовать разнообразные материалы, т.к. свойства не критичны
–Дешевая технология
•Недостатки
–Возможно перекрытия наноструктурных элементов
–Возможно образование дефектов в наноструктурах
–Трудности создания шаблона (формы), который пока получают электронной литографией или ионным пучком
–Нужно удалять остаточный слой
–Возможность сдвигов и искажения при впечатывании
•Нанопечатная литография предназначенна для переноса изображения наноструктуры или электронной схемы на подложку с покрытием и включающая деформацию покрытия штампом с последующим травлением деформированного покрытия и формированием на подложке наноструктуры или элементов электронной схемы.
•В методе нанопечатной литографии изображение образуется в основном за счет физической деформации резиста прессформой (штампом), а не за счет модификации химической структуры резиста облучением, как в обычной литографии.
•Это принципиальное различие освобождает НПЛ от многих проблем, связанных со стандартными методами литографии (диффузионный предел, рассеяние и химические процессы).
•В результате с помощью НПЛ можно недорого и с высоким выходом получать структуры размером менее 10 нм на больших площадях, что недоступно для всех существующих методов литографии.
Литография наносферами
•Литография наносферами (ЛН) - метод нанопроизводства, при котором маленькие сферы наноскопических размеров используются для формирования узора на поверхности, который затем применяется как маска для блокирования некоторых областей поверхности в ходе последующего осаждения наноматериала из газообразной фазы.
•Суть ЛН заключается в формировании массивов упорядоченных наночастиц при помощи структур, образованных значительно более крупными коллоидными частицами, которые упорядочить гораздо проще.
• ЛН привлекает возможностью наносить на подложку несколько слоев наночастиц, то есть создавать трехмерные нанообъекты.
•Методика наносферной литографии:
- сначала происходит нанесение упорядоченного плотноупакованного монослоя или бислоя наносфер.
- затем происходит нанесение маски металла посредством напыления металла сквозь маску из микросфер.
- в конце происходит анизотропное травление подложки через получившуюся металлическую маску.
•На первом этапе близкие по размерам сферические коллоидные частицы (их средний размер может составлять от 200 нм до 1 мкм) «упаковывают» на требуемой подложке – как правило, на атомно-гладкой поверхности монокристаллического кремния – в виде плотноупакован-ного монослоя. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Несмотря на то, что коллоидные сферы плотно прижаты одна к другой, монослой содержит систему эквидистантных пустот треугольных формы.
•На втором этапе на монослой напыляют тонкий слой требуемого вещества, как правило, толщиной < 100 нм, которые не проникает в области, «затененные» коллоидными частицами, и достигает подложки только в открытых местах. В результате этой процедуры на подложке возникает система упорядоченных наночастиц требуемого вещества, разделенных коллоидными сферами.
•На последнем этапе коллоидные частицы удаляют путем растворения в соответствующем растворителе.
•Литографически индуцированная самосборка (ЛИС) это нано-технологический процесс, реализованный по принципу «снизу-вверх», заключающийся в самоорганизованном формировании на поверхности некоторых полимеров квазирегулярной топографической структуры в тонких зазорах между поверхностью полимера и литографически изготовленным топографическим шаблоном
•В методе ЛИС наноструктур маска используется для запуска и регулирования процессов самосборки периодической надмолекулярной матрицы столбиков, формирующего из полимерного расплава, который первоначально образует тонкий плоский слой на подложке.
• Маска располагается над слоем полимера с небольшим зазором, а столбики полимера в процессе роста поднимаются в зазор, преодолевая действие сил тяжести и поверхностного натяжения.
•Границы области роста точно соответствуют контуру рельефа поверхности маски.
• Предполагается, что процесс ЛИС наноструктур вызывается электростатическими силами и электродинамической нестабильностью.
•Метод ЛИС позволяет управлять ориентацией и положением получаемых самосборкой полимерных структур и получать при сборке более мелкие детали, чем детали рельефа поверхности маски.
• Метод открывает возможности изготовления изополимеров непосредственно по образцу электронных и оптоэлектронных устройств, без применения дорогостоящих фотолитографических процессов.
•Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) можно использовать в качестве инструмента для модификации поверхности образца. В области локального контакта зонда с образцом могут возникать достаточно большие силы, напряженности электрического поля и плотности электрических токов.
• Раздельное или совместное действие этих факторов может приводить к заметной локальной модификации поверхности образца и зонда. То есть, повышая уровень взаимодействия между зондом и образцом, можно перевести СЗМ из измерительного режима работы с нулевым или минимальным уровнем разрушения исследуемой поверхности, в литографический режим, обеспечивающий создание на поверхности образца заранее заданных структур с нанометровым уровнем пространственного разрешения.
Различают след. виды сканирующей зондовой литографии:
- СТМ литография;
- АСМ анодно-окислительная литография;
- АСМ силовая литография (наногравировка и наночеканка);
- Другие специфические виды (электростатическая зарядовая литография, литография с помощью зонда ближнепольного оптического микроскопа и др.).
•С помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) можно производить ряд нанолитографических операций: модификацию поверхности, перенос материала зонда на образец и наоборот, перенос материала образца на зонд.
•Если эти операции могут производиться управляемым и предсказуемым образом, то это открывает ряд широких возможностей: создание запоминающих сред, технологию создания литографических рисунков с нанометровым разрешением, манипулирование молекулами и отдельными атомами, наносборку миниатюрных устройств.
• Наиболее простой способ модификации поверхности с помощью СТМ заключается в непосредственном контактном воздействии СТМ зонда на поверхность. Это приводит к появлению ямки на поверхности образца, но при этом может повреждаться зонд СТМ.
• Более щадящий способ воздействия на поверхность заключается в подаче на образец токового импульса. Поверхность образца под зонд при этом может расплавляться и даже частично испаряться.
•Электрическая нанолитография (ЭН). осуществляется с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Она может быть либо контактной (непосредственное воздействие), либо токовой.
•Силовая литография (гравировка) основана на непосредственном механическом воздействии остроконечного зонда на поверхность подложки.
•Силовая контактно-прерывистая литография как бы объединяет в себе оба предыдущих вида. Этот способ также называют наночеканкой. Для ее проведения необходимо, чтобы образец был мягче
рабочей поверхности зонда.
•Термохимическая нанолитография основана на использовании нагретой кремниевой иглы атомно-силового микроскопа.
Нанолитография с помощью СЗМ АСМ анодно-окислительная литография
•АСМ анодно-окислительная литография является вариантом АСМ электрической литографии. С помощью электрической литографии можно изменять не только геометрические характеристики поверхности, но и ее локальные электрофизические свойства.
•Например, приложение электрического смещения к проводящему кантилеверу стимулирует протекание электрохимических процессов на поверхности непосредственно под образцом, при этом может происходить окисление металлических слоев
•В частности индуцированный зондом процесс окисления сверх тонкого слоя титана на поверхности кремния представлен на рисунке на следующем слайде.
•В условиях окружающего воздуха или другой влажной среды поверхности образца и зонда покрыты слоем адсорбированной воды.
•Когда зонд приближается к поверхности достаточно близко, эти слои приходят в контакт, и под действием капиллярных сил образуется водяной мостик.
•При приложении соответствующей разности потенциалов на границе вода-поверхность, в воде и на зонде инициируется электрохимическая реакция. Если поверхность заряжена положительно, то зонд и поверхность вступают в электрохимическое взаимодействие как катод и анод соответственно. Окисел начинает расти в точке поверхности строго под зондом.
•При осуществлении наночеканки воздействие на поверхность подложки происходит за счет формирования углублений колеблющимся зондом, при этом используется прерывисто-контактный метод сканирования.
•Такой метод нанолитографии свободен от торсионных искажений и позволяет производить визуализацию сформированного рисунка без серьезного воздействия на поверхность подложки или резиста.
•Кратковременное «укалывание» поверхности также защищает зонд от быстрого разрушения.
•Термохимическая нанолитография (ТХНЛ) - нагретая кремниевая игла атомно-силового микроскопа движется по специальной тонкой полимерной пленке. Под воздействием тепла на поверхности пленки начинается химическая реакция, в ходе которой соответствующие участки пленки изменяют свои химические свойства и приобретают способность присоединяться к другим молекулам.
•Основной идеей ТХНЛ являются химические особенности пленки и использование горячей иглы (температура острия может превышать тысячу градусов Цельсия, иглу можно нагревать и охлаждать около миллиона раз в секунду). За счет того, что реакция на пленке запускается сама, удается избежать необходимости переносить вещества с иглы на пленку, как это делается в большинстве других методов.
•ТХНЛ позволяет работать на скорости несколько миллиметров в секунду, в то время как другие современные методы - лишь на скорости около одной десятитысячной миллиметра в секунду.
•Кроме того, ТХНЛ может применяться на воздухе, во влажной среде, без присутствия сильного электрического поля, как другие методы. Минимальные размеры, с которыми можно работать, используя ТХНЛ, - около 12 нанометров.
•Исследователи из Университета Иллинойса ранее разработали чудо-зонд, с помощью которого стал возможен метод TCNL. Зонд разогревается до температуры выше 1000 °С, при этом он так же быстро остывает. Количество циклов нагревания/остывания может доходить до одного миллиона раз в секунду. Как говорят ученые, это самый маленький в мире управляемый источник тепла.
•Dip-Pen нанолитография (перьевая нанолитография или литография глубокого пера) - нанесение химического состава на подложку с помощью зонда.
•В DPN нанолитографии зонд микроскопа покрыт жидкими чернилами, которые при контакте пера атомно-силового микроскопа с поверхностью образуют заданные наноструктуры.
•Перьевая нанолитография - метод производства с использованием щупа сканирующего зонда в качестве перьевой авторучки для изображения наноструктур на поверхностях с использованием в качестве чернил произвольных молекулярных структур.
•С помощью DPN можно нанести структуры размерами менее 10 нанометров, в то время как обычная оптическая нанолитография, использующаяся в полупроводниковой промышленности, не может пока обеспечить такой точности.
•Для типографских технологий одного пера недостаточно, поэтому ученые скомбинировали около тысячи независимо управляемых перьев.
• Благодаря такому подходу, нанолитография глубокого пера стала универсальным инструментом для производства полупроводниковых компонентов со сложной структурой.
•Нанолитографиия глубокого пера (Dip-Pen Nanolithography - DPN) позволяет делать <массовые> оттиски, как если бы наносистемы печатались на типографском станке.
• Разработана установка, позволяющую производить в наноразмерном диапазоне одновременно до 55 тыс. наноструктур с атомарной точностью и одинаковым молекулярным шаблоном на поверхности, для чего ученые скомбинировали около тысячи независимо управляемых перьев.
•Основным недостатком Dip-Pen нанолитография является невозможность или сложность динамического нанесения наноструктур.
• Метод нанесения наноструктур в режиме реального времени предложил коллектив ученых из калифорнийского университета Беркли, назвав его NanoPen литография.
•Предложенное ими устройство состоит из двух катодов, изготовленных из ITO (оксид индия, легированный оловом), с заключенным между ними жидкостным слоем, содержащим наносимые наночастицы, к которым приложено (переменное) напряжение. На нижний электрод нанесен слой гидрогенизированного аморфного кремния
•Принцип работы данного устройства следующий: пучок подаваемого излучения создает пару электрон-дырка в слое аморфного кремния, что приводит к локальному возрастанию проводимости. Это приводит к образованию неоднородного поля в жидкостном слое, которое, в свою очередь, взаимодействует с наночастицами , втягивая или выталкивая их из области с повышенной напряженностью электрического поля. Это так называемая диэлектрофоретическая сила.
•Существует еще 2 силы, которые определяют процессы, протекающие в данном устройстве: индуцированная излучением переменнотоковая электроосмотическая сила (LACE) и электротермальная сила (ET). В результате можно выделить две силы: первая сила собирает частицы на значительном удалении вместе (LACE+ET), а вторая сила наносит их на поверхность кремниевого слоя (в основном DEP).
•NanoPen литография открывает путь к быстрому и удобному способу упорядочивания структур из наночастиц – от проводников до цепей – для создания будущих электронных устройств, медицинских диагностических тестов и других приложений.
•Отличительной чертой описанного выше метода является возможность применения маломощного источника излучения. В подтверждение своих слов авторы нанесли логотипы из наночастиц золота, используя обыкновенный проектор
Анализ данных, представленных в статье про атомная нанолитография, подтверждает эффективность применения современных технологий для обеспечения инновационного развития и улучшения качества жизни в различных сферах. Надеюсь, что теперь ты понял что такое атомная нанолитография, наноимпринт, литография , репликация наноструктур нанопечатная литография сзм сканирующий зондовый микроскоп и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Конструирование и проектирование электронной аппаратуры
Комментарии
Оставить комментарий
Конструирование и проектирование электронной аппаратуры
Термины: Конструирование и проектирование электронной аппаратуры