Explorando 4 técnicas de nanofabricación de vanguardia

Así como la tecnología de fabricación desempeña hoy un papel crucial en diversos campos, la tecnología de nanofabricación ocupa una posición clave en el ámbito de la nanotecnología. La tecnología de nanofabricación abarca varios métodos, incluido el procesamiento mecánico, el grabado químico, el mecanizado con haz de energía y la ingeniería de campos eléctricos en superficies de aluminio mediante microscopía de efecto túnel (STM).

Todavía no existe una definición unificada de tecnología de nanofabricación; Generalmente, el procesamiento de materiales con dimensiones inferiores a 100 nm se denomina nanofabricación, al igual que el procesamiento con rugosidad superficial a nivel nanométrico. La nanofabricación se refiere al procesamiento de piezas donde la precisión del tamaño, la precisión de la forma y la rugosidad de la superficie están al nivel nanométrico.

Las siguientes tecnologías de mecanizado pueden lograr un procesamiento a nanoescala:

Tecnología de procesamiento mecánico a nanoescala

Los métodos de procesamiento mecánico a nanoescala incluyen corte de ultraprecisión con herramientas de un solo punto hechas de diamante monocristalino y CBN, procesamiento abrasivo multipunto de ultraprecisión con herramientas abrasivas hechas de diamante y abrasivos CBN, y procesamiento abrasivo libre o procesamiento mecánico-químico. de composites, como esmerilado, pulido y mecanizado por emisión elástica.

Actualmente, el corte de ultraprecisión con herramientas de diamante de un solo filo ha producido virutas de hasta 3 nm en laboratorios, y el rectificado a nanoescala se ha logrado utilizando tecnología de rectificado dúctil. La eliminación a subnanoescala se puede lograr mediante procesos como el mecanizado por emisión elástica, lo que da como resultado una rugosidad de la superficie a nivel de Angstrom.

Tecnología de procesamiento de haz de energía

El procesamiento por haz de energía es un método de mecanizado especial que utiliza haces de energía de alta densidad, como rayos láser, haces de electrones o haces de iones, para eliminar materiales de la pieza. Incluye principalmente procesamiento de haces de iones, procesamiento de haces de electrones y procesamiento de haces de luz.

El mecanizado por chorro electrolítico, el mecanizado por descarga eléctrica, el mecanizado electroquímico, la epitaxia por haz molecular y la deposición física y química de vapor también se incluyen en el procesamiento por haz de energía. La eliminación de la pulverización catódica, la precipitación y el tratamiento de superficies con procesamiento por haz de iones, así como el grabado asistido por haz de iones, también son áreas de investigación y desarrollo para el mecanizado a nanoescala.

En comparación con el corte con herramientas sólidas, la posición y la velocidad de mecanizado del mecanizado por haz de iones son difíciles de determinar. Para lograr una precisión de mecanizado a nanoescala, se requiere un sistema de detección a subnanoescala y un sistema de ajuste de circuito cerrado para la posición de mecanizado.

El mecanizado por haz de electrones elimina átomos de la superficie de la capa de penetración en forma de energía térmica, que puede utilizarse para grabado, exposición fotolitográfica, soldadura, micromecanizado y taladrado y fresado a nanoescala.

A principios de 1999, se lanzaron sucesivamente máquinas de litografía ultravioleta profunda (DUV) para procesos de 0,18 μm. Las tecnologías denominadas litografía de próxima generación (NGL) utilizadas para reemplazar la litografía óptica después de 0,1 μm incluyen principalmente litografía ultravioleta extrema, rayos X, haz de electrones y haz de iones. A continuación se proporciona una breve introducción al progreso de diversas tecnologías de litografía.

1. Litografía óptica

La litografía óptica proyecta los diagramas estructurales de dispositivos de circuitos integrados a gran escala en la máscara de una oblea de silicio recubierta con fotorresistente a través de un sistema óptico. El tamaño mínimo de característica que puede alcanzar la litografía óptica está directamente relacionado con la resolución que puede alcanzar el sistema de litografía óptica, y reducir la longitud de onda de la fuente de luz es la forma más efectiva de mejorar la resolución.

Por lo tanto, el desarrollo de nuevas máquinas de litografía con fuente de luz de longitud de onda corta siempre ha sido un tema de investigación importante a nivel internacional.

Actualmente, la longitud de onda de la fuente de luz de las máquinas de litografía comerciales se ha movido de la banda ultravioleta de las fuentes de luz de las lámparas de mercurio en el pasado a la banda ultravioleta profunda (DUV), como el láser excimer KrF (longitud de onda de 248 nm) utilizado para 0,25 μm. tecnología y el láser excimer ArF (longitud de onda 193 nm) utilizado para la tecnología de 0,18 μm.

Además, utilizar las características de interferencia de la luz y optimizar los parámetros del proceso con diversas tecnologías de frente de onda también es una forma importante de mejorar la resolución de la litografía. Estas tecnologías son avances logrados a través de un análisis en profundidad de imágenes de exposición basado en la teoría electromagnética y la práctica de la litografía, incluidas máscaras de cambio de fase, tecnología de iluminación fuera del eje y corrección del efecto de proximidad.

Utilizando estas tecnologías, se pueden lograr patrones litográficos de mayor resolución al nivel actual de tecnología. Por ejemplo, a principios de 1999, Canon lanzó el escalador de escaneo FPA-1000ASI, que utiliza una fuente de luz ArF de 193 nm.

Con la tecnología de frente de onda, puede lograr un ancho de línea litográfica de 0,13 μm en una oblea de silicio de 300 mm. La tecnología de litografía óptica incluye máquinas de litografía, máscaras, fotorresistentes y una serie de tecnologías que involucran óptica, mecánica, electricidad, física, química, materiales y otros campos de investigación.

Actualmente, los científicos están explorando la litografía láser F2 (longitud de onda 157 nm) con longitudes de onda más cortas. Debido al alto nivel de absorción de luz, la principal dificultad de esta tecnología de longitud de onda es la obtención de nuevos sustratos ópticos y materiales de máscara para sistemas de litografía.

2. Litografía ultravioleta extrema

La litografía ultravioleta extrema (EUVL) emplea luz ultravioleta extrema con una longitud de onda de 10 a 14 nm como fuente de luz. Aunque inicialmente se la conoce como litografía de rayos X blanda, es más similar a la litografía óptica. La diferencia es que debido a la fuerte absorción del material, su sistema óptico debe ser reflectante.

3. Litografía de rayos X

La litografía de rayos X (XRL) presenta una longitud de onda de fuente de luz de aproximadamente 1 nm. Por proporcionar exposición de alta resolución, XRL ha sido ampliamente reconocido desde su invención en la década de 1970. Los países con dispositivos de radiación sincrotrón, como los de Europa, Estados Unidos, Japón y China, han realizado sucesivamente investigaciones relacionadas.

XRL es la más madura entre todas las tecnologías de litografía de próxima generación. La principal dificultad de XRL radica en obtener un sustrato de mascarilla con buenas propiedades mecánicas y físicas. En los últimos años se han logrado avances significativos en la tecnología de las mascarillas. El carburo de silicio (SiC) es el material de sustrato más adecuado.

Aunque XRL ya no es el único candidato para tecnologías futuras debido a la investigación en profundidad sobre cuestiones relacionadas con XRL, el desarrollo de la litografía óptica y los nuevos avances en otras tecnologías de litografía, Estados Unidos ha reducido recientemente su inversión en XRL. Sin embargo, XRL sigue siendo una de las tecnologías candidatas indispensables.

4. Litografía por haz de electrones

La litografía por haz de electrones (EBL) utiliza un haz de electrones de alta energía para exponer el fotoprotector y obtener gráficos estructurales. Con su longitud de onda de Broglie de alrededor de 0,004 nm, la EBL no se ve afectada por los límites de difracción, logrando una resolución a escala casi atómica. EBL puede alcanzar una resolución extremadamente alta y generar gráficos directamente.

No sólo es una herramienta indispensable para la preparación de mascarillas en la producción de circuitos integrados a gran escala (VLSI), sino también el método principal para procesar dispositivos y estructuras para fines especiales. La resolución de las máquinas actuales de exposición a haces de electrones ha alcanzado menos de 0,1 µm. La principal desventaja de EBL es su baja productividad, sólo de 5 a 10 obleas por hora, mucho menos que el nivel actual de litografía óptica de 50 a 100 obleas por hora.

Destaca la tecnología SCALPEL desarrollada por Lucent Technologies en Estados Unidos. Esta tecnología reduce los gráficos de máscara como la litografía óptica y utiliza técnicas de filtrado especiales para eliminar los electrones perdidos generados por los absorbentes de máscara, mejorando así la eficiencia de salida y asegurando la resolución.

Cabe señalar que, independientemente de la tecnología de litografía que se utilice en el futuro, EBL será una infraestructura indispensable para la investigación y producción de circuitos integrados.

5. Litografía por haz de iones

La litografía por haz de iones (IBL) utiliza iones formados por la ionización de átomos líquidos o en estado sólido, acelerados y enfocados o colimados por un campo electromagnético, para exponer el fotoprotector. El principio es similar al EBL, pero la longitud de onda de De Broglie es más corta (menos de 0,0001 nm) y tiene ventajas como un pequeño efecto de proximidad y un gran campo de exposición. IBL incluye principalmente litografía de haz de iones enfocados (FIBL) y litografía de proyección de iones (IPL).

FIBL se desarrolló primero y investigaciones experimentales recientes han logrado una resolución de 10 nm. Debido a su baja eficiencia, es difícil de aplicar como herramienta de exposición en producción y actualmente se utiliza principalmente como herramienta de reparación de máscaras y herramienta de corte de dispositivos especiales en VLSI. Para resolver las deficiencias de FIBL, se ha desarrollado tecnología IPL con mayor eficiencia de exposición y se han logrado avances considerables.

Litografía Galvanoformung Abformung Tecnología

El proceso de litografía Galvanoformung Abformung (LIGA) es una tecnología integral compuesta por litografía de rayos X con radiación sincrotrón profunda, electroformado y moldeado de plástico. El proceso más básico y central es la litografía por radiación de sincrotrón profundo, mientras que el electroformado y el moldeado de plástico son fundamentales para la aplicación práctica de los productos LIGA.

En comparación con los procesos de semiconductores tradicionales, la tecnología LIGA tiene muchas ventajas únicas, como una amplia gama de materiales que se pueden utilizar, incluidos metales y sus aleaciones, cerámicas, polímeros y vidrio; puede producir microestructuras tridimensionales con alturas de varios cientos de micrómetros a un milímetro y relaciones de aspecto superiores a 200; las dimensiones laterales pueden ser tan pequeñas como 0,5 μm y la precisión del mecanizado puede alcanzar los 0,1 μm; Puede realizar replicación y producción en masa a bajo costo.

Se pueden producir varios microdispositivos y microdispositivos utilizando la tecnología LIGA. Los productos LIGA exitosos o en curso incluyen microsensores, micromotores, piezas micromecánicas, componentes ópticos y microópticos integrados, componentes de microondas, componentes electrónicos de vacío, instrumentos médicos en miniatura, componentes y sistemas de nanotecnología, etc.

Las aplicaciones de los productos LIGA cubren una amplia gama, como tecnología de mecanizado, tecnología de medición, tecnología de automatización, tecnología de automoción y transporte, tecnología de potencia y energía, tecnología de aviación y aeroespacial, tecnología textil, ingeniería de precisión y óptica, microelectrónica, biomedicina, ciencias medioambientales. e ingeniería química, etc.

Tecnología de microscopio de efecto túnel

El microscopio de túnel de barrido (STM), inventado por Binning y Bobrer, no sólo permite observar la estructura de la superficie de los objetos con resolución de un solo átomo, sino que también proporciona una ruta ideal para el mecanizado a nanoescala basado en unidades atómicas. La operación, montaje y remodelación a nivel atómico se pueden realizar utilizando tecnología STM.

El STM acerca una aguja (sonda) de metal muy afilada a la superficie de la muestra a aproximadamente 1 nm. Cuando se aplica voltaje, se genera una corriente de túnel. La corriente de túnel cambia un orden de magnitud cada 0,1 nm. Manteniendo la corriente constante y examinando la superficie de la muestra, se puede discernir la estructura de la superficie.

La corriente túnel generalmente pasa a través de un solo átomo en la punta de la sonda, por lo que su resolución lateral es a nivel atómico. La tecnología de micromecanizado de túnel de escaneo no solo puede eliminar, agregar y mover átomos individuales, sino que también puede realizar litografía STM, precipitación y registro inducido por haz de electrones en la punta de la sonda y más.

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