Assim como a tecnologia de fabricação desempenha hoje um papel crucial em vários campos, a tecnologia de nanofabricação ocupa uma posição chave no domínio da nanotecnologia. A tecnologia de nanofabricação abrange vários métodos, incluindo processamento mecânico, ataque químico, usinagem de feixe de energia e engenharia de campo elétrico em superfícies de alumínio usando microscopia de varredura por tunelamento (STM).
Ainda não existe uma definição unificada para tecnologia de nanofabricação; geralmente, o processamento de materiais com dimensões abaixo de 100 nm é denominado nanofabricação, assim como o processamento com rugosidade superficial em nível nanométrico. Nanofabricação refere-se ao processamento de peças onde a precisão do tamanho, a precisão da forma e a rugosidade da superfície estão todas no nível nanométrico.
As seguintes tecnologias de usinagem podem alcançar processamento em nanoescala:
Tecnologia de processamento mecânico em nanoescala
Os métodos de processamento mecânico em nanoescala incluem corte de ultraprecisão com ferramentas de ponta única feitas de diamante monocristalino e CBN, processamento abrasivo multiponto de ultraprecisão com ferramentas de retificação feitas de abrasivos de diamante e CBN e processamento abrasivo livre ou processamento mecânico-químico de compósitos, como como retificação, polimento e usinagem de emissão elástica.
Atualmente, o corte de ultraprecisão com ferramentas diamantadas de ponta única produziu chips tão finos quanto 3 nm em laboratórios, e a retificação em nanoescala foi alcançada usando tecnologia de retificação dúctil. A remoção em subnanoescala pode ser alcançada através de processos como usinagem de emissão elástica, resultando em rugosidade superficial no nível Angstrom.
Tecnologia de processamento de feixe de energia
O processamento por feixe de energia é um método de usinagem especial que utiliza feixes de energia de alta densidade, como feixes de laser, feixes de elétrons ou feixes de íons, para remover materiais da peça. Inclui principalmente processamento de feixe de íons, processamento de feixe de elétrons e processamento de feixe de luz.
Usinagem a jato eletrolítico, usinagem por descarga elétrica, usinagem eletroquímica, epitaxia por feixe molecular e deposição física e química de vapor também se enquadram no processamento por feixe de energia. A remoção de pulverização catódica, a precipitação e o tratamento de superfície com processamento por feixe de íons, bem como a gravação assistida por feixe de íons, também são direções de pesquisa e desenvolvimento para usinagem em nanoescala.
Em comparação com o corte com ferramenta sólida, a posição e a taxa de usinagem da usinagem por feixe de íons são difíceis de determinar. Para obter precisão de usinagem em nanoescala, são necessários um sistema de detecção em subnanoescala e um sistema de ajuste de circuito fechado para a posição de usinagem.
A usinagem por feixe de elétrons remove átomos da superfície da camada de penetração na forma de energia térmica, que pode ser usada para gravação, exposição à fotolitografia, soldagem, microusinagem e perfuração e fresagem em nanoescala.
No início de 1999, máquinas de litografia ultravioleta profunda (DUV) para processos de 0,18 μm foram lançadas sucessivamente. As chamadas tecnologias de litografia de próxima geração (NGL) usadas para substituir a litografia óptica após 0,1 μm incluem principalmente ultravioleta extremo, raios X, feixe de elétrons e litografia por feixe de íons. Uma breve introdução ao progresso de várias tecnologias de litografia é fornecida abaixo.
1. Litografia Óptica
A litografia óptica projeta os diagramas estruturais de dispositivos de circuitos integrados em grande escala na máscara em um wafer de silício revestido com fotorresistente por meio de um sistema óptico. O tamanho mínimo do recurso que a litografia óptica pode atingir está diretamente relacionado à resolução que o sistema de litografia óptica pode atingir, e reduzir o comprimento de onda da fonte de luz é a maneira mais eficaz de melhorar a resolução.
Portanto, o desenvolvimento de novas máquinas de litografia com fonte de luz de comprimento de onda curto sempre foi um tema de pesquisa importante internacionalmente.
Atualmente, o comprimento de onda da fonte de luz das máquinas de litografia comerciais passou da banda ultravioleta das fontes de luz de lâmpadas de mercúrio no passado para a banda ultravioleta profunda (DUV), como o excimer laser KrF (comprimento de onda 248 nm) usado para tecnologia de 0,25 μm e o excimer laser ArF (comprimento de onda 193nm) usado para tecnologia de 0,18μm.
Além disso, usar as características de interferência da luz e otimizar os parâmetros do processo com várias tecnologias de frente de onda também é uma forma importante de melhorar a resolução da litografia. Essas tecnologias são avanços feitos por meio de análises profundas de imagens de exposição baseadas na teoria eletromagnética e na prática da litografia, incluindo máscaras de mudança de fase, tecnologia de iluminação fora do eixo e correção de efeito de proximidade.
Usando essas tecnologias, padrões litográficos de maior resolução podem ser alcançados no nível atual de tecnologia. Por exemplo, no início de 1999, a Canon lançou o escalonador de digitalização FPA-1000ASI, que usa uma fonte de luz ArF de 193nm.
Com a tecnologia de frente de onda, ele pode atingir uma largura de linha litográfica de 0,13 μm em um wafer de silício de 300 mm. A tecnologia de litografia óptica inclui máquinas de litografia, máscaras, fotorresistentes e uma série de tecnologias, envolvendo óptica, mecânica, eletricidade, física, química, materiais e outros campos de pesquisa.
Atualmente, os cientistas estão explorando a litografia a laser F2 (comprimento de onda de 157 nm) com comprimento de onda mais curto. Devido ao alto nível de absorção de luz, a obtenção de novos materiais de substrato óptico e de máscara para sistemas de litografia é a principal dificuldade desta tecnologia de comprimento de onda.
2. Litografia Ultravioleta Extrema
A Litografia Ultravioleta Extrema (EUVL) emprega luz ultravioleta extrema com um comprimento de onda de 10-14 nm como fonte de luz. Embora inicialmente referida como litografia de raios X suave, é mais semelhante à litografia óptica. A diferença é que devido à forte absorção do material, seu sistema óptico deve estar na forma reflexiva.
3. Litografia de raios X
A litografia de raios X (XRL) apresenta um comprimento de onda de fonte de luz de aproximadamente 1 nm. Por fornecer exposição de alta resolução, o XRL tem sido amplamente reconhecido desde a sua invenção na década de 1970. Países com dispositivos de radiação síncrotron, como os da Europa, dos Estados Unidos, do Japão e da China, conduziram sucessivamente pesquisas relacionadas.
XRL é a mais madura entre todas as tecnologias de litografia de próxima geração. A principal dificuldade do XRL reside na obtenção de um substrato de máscara com boas propriedades mecânicas e físicas. Nos últimos anos, foram feitos progressos significativos na tecnologia de máscaras. O carboneto de silício (SiC) é o material de substrato mais adequado.
Embora o XRL não seja mais o único candidato para tecnologias futuras devido à pesquisa aprofundada sobre questões relacionadas ao XRL, ao desenvolvimento da litografia óptica e aos novos avanços em outras tecnologias de litografia, os Estados Unidos reduziram recentemente o seu investimento em XRL. No entanto, o XRL continua a ser uma das tecnologias candidatas indispensáveis.
4. Litografia por feixe de elétrons
A litografia por feixe de elétrons (EBL) usa um feixe de elétrons de alta energia para expor o fotorresiste e obter gráficos estruturais. Com seu comprimento de onda de Broglie em torno de 0,004 nm, o EBL não é afetado pelos limites de difração, alcançando resolução em escala quase atômica. EBL pode atingir resolução extremamente alta e gerar gráficos diretamente.
Não é apenas uma ferramenta indispensável de preparação de máscaras na produção de circuitos integrados de grande escala (VLSI), mas também o principal método para processamento de dispositivos e estruturas para fins especiais. A resolução das atuais máquinas de exposição por feixe de elétrons atingiu menos de 0,1 µm. A principal desvantagem do EBL é sua baixa produtividade, apenas 5 a 10 wafers por hora, muito menos do que o atual nível de litografia óptica de 50 a 100 wafers por hora.
Destaca-se a tecnologia SCALPEL desenvolvida pela Lucent Technologies nos Estados Unidos. Esta tecnologia reduz os gráficos de máscara, como a litografia óptica, e utiliza técnicas de filtragem especiais para remover elétrons dispersos gerados pelos absorvedores de máscara, melhorando assim a eficiência de saída e garantindo a resolução.
Deve-se notar que, independentemente da tecnologia de litografia utilizada no futuro, a EBL será uma infraestrutura indispensável para a pesquisa e produção de circuitos integrados.
5. Litografia por feixe de íons
A litografia por feixe de íons (IBL) usa íons formados pela ionização de átomos líquidos ou de estado sólido, acelerados e focados ou colimados por um campo eletromagnético, para expor o fotorresistente. O princípio é semelhante ao EBL, mas o comprimento de onda de De Broglie é mais curto (menos de 0,0001 nm) e tem vantagens como um pequeno efeito de proximidade e um grande campo de exposição. IBL inclui principalmente Litografia de Feixe de Íons Focados (FIBL) e Litografia de Projeção de Íons (IPL).
O FIBL foi desenvolvido primeiro e pesquisas experimentais recentes alcançaram uma resolução de 10 nm. Devido à sua baixa eficiência, é difícil de aplicar como ferramenta de exposição na produção e atualmente é usado principalmente como ferramenta de reparo de máscara e corte de dispositivo especial em VLSI. Para resolver as deficiências do FIBL, as pessoas desenvolveram a tecnologia IPL com maior eficiência de exposição e foram feitos progressos consideráveis.
Litografia Galvanoformung Abformung Tecnologia
O processo de litografia Galvanoformung Abformung (LIGA) é uma tecnologia abrangente composta por litografia de raios X de radiação síncrotron profunda, eletroformação e moldagem de plástico. O processo mais básico e central é a litografia por radiação síncrotron profunda, enquanto a eletroformação e a moldagem de plástico são fundamentais para a aplicação prática dos produtos LIGA.
Em comparação com os processos tradicionais de semicondutores, a tecnologia LIGA tem muitas vantagens únicas, tais como uma ampla gama de materiais que podem ser utilizados, incluindo metais e suas ligas, cerâmicas, polímeros e vidro; pode produzir microestruturas tridimensionais com altura de várias centenas de micrômetros a um milímetro e proporções superiores a 200; as dimensões laterais podem ser tão pequenas quanto 0,5 μm e a precisão da usinagem pode chegar a 0,1 μm; pode realizar replicação e produção em massa a baixo custo.
Vários microdispositivos e microdispositivos podem ser produzidos com a tecnologia LIGA. Os produtos LIGA bem-sucedidos ou em andamento incluem microssensores, micromotores, peças micromecânicas, componentes ópticos integrados e microópticos, componentes de micro-ondas, componentes eletrônicos de vácuo, instrumentos médicos em miniatura, componentes e sistemas de nanotecnologia, etc.
A aplicação dos produtos LIGA abrange uma ampla gama, como tecnologia de usinagem, tecnologia de medição, tecnologia de automação, tecnologia automotiva e de transporte, tecnologia de energia e energia, tecnologia de aviação e aeroespacial, tecnologia têxtil, engenharia de precisão e óptica, microeletrônica, biomedicina, ciência ambiental e engenharia química, etc.
Tecnologia de microscópio de varredura por tunelamento
O Microscópio de Varredura de Túnel (STM), inventado por Binning e Bobrer, não apenas permite que as pessoas observem a estrutura da superfície de objetos com a resolução de um único átomo, mas também fornece uma rota ideal para usinagem em nanoescala com base em unidades atômicas. A operação, montagem e remodelação em nível atômico podem ser realizadas usando a tecnologia STM.
O STM aproxima uma agulha de metal muito afiada (sonda) da superfície da amostra a cerca de 1 nm. Quando a tensão é aplicada, uma corrente de tunelamento é gerada. A corrente de tunelamento muda uma ordem de magnitude a cada 0,1 nm. Mantendo a corrente constante e examinando a superfície da amostra, a estrutura da superfície pode ser discernida.
A corrente de tunelamento geralmente passa através de um único átomo na ponta da sonda, portanto sua resolução lateral é de nível atômico. A tecnologia de microusinagem por tunelamento de varredura pode não apenas remover, adicionar e mover átomos únicos, mas também pode realizar litografia STM, precipitação e gravação induzida por feixe de elétrons na ponta da sonda e muito mais.
