Scopi della nanofabbricazioneScopi

• Processing parallelo dei componenti su grandi aree

• Fabbricazione di nanostrutture< 10nm

• Convenienza economica

Funzioni

• Dispositivi nanoelettronici/fotonici/magnetici• Ottica sotto lunghezza d’onda• Array biologici

Problemi• Proprietà dei materiali• Allineamento• Strutture multistrato

Bottom Up oTop Down ?

Litografia a fascio elettronico, Contact printing, iitografia UV profondo, litografia a raggi X, litografia basata su tecniche scanning probe

Tecniche basate su chimica in soluzione, Molecular Beam Epitaxy (MBE), AtomicLayer Deposition, MOCVD, Pulsed Laser Deposition (PLD)

Definizione litografica di struttureL’obiettivo è definire lateralmente delle strutture per realizzare un dispositivo, cioècreare un pattern con risoluzione spaziale pari alla dimensione laterale minima delle strutture desiderate (dal µm degli anni ‘80 a sotto 100 nm)

In genere si usano tecniche di tipo top-down (rimozione localizzata di zone di film,…)Tecnica più diffusa: litografia ottica (e con fasci di cariche)

Litografia convenzionale

Un sistema per litografia ottica convenzionale consiste in una sorgente luminosa, una fotomaschera, un sistema ottico, e il fotoresist depositato sulwafer. Il processo litografico si basa sulla capacità del fotoresist di conservare una replica della fotomaschera che viene usata per i successivi passaggi, ad es., etching, deposizione o impiantazione.

MascheraFotoresist

Litografia otticaIngredienti della litografia ottica:- radiazione e.m. (ben collimata)- maschera (trasparente/opaca)- fotoresist (ben depositato)- sviluppo ed etching

Vantaggi della litografia ottica:- flessibilità- semplicità- “parallelismo” di processo- scalabilità

La risoluzione spaziale finale dipende da diversi fattori:

lunghezza d’onda, qualità del fotoresist, processo di etching, etc.

Tipi di fotoresist

UVFotoresist positivo

La luce rende il fotoresistpiù “solubile” nell’agente di sviluppo

La maschera contiene una copia esatta del pattern che deve rimanere sul wafer.

UVFotoresist negativo

“polimerizzazione” UV

Rimozione maschera

Lavaggio

La maschera contiene l’“inverso” del pattern che deve esseretrasferito.

Fotoresist positivo e negativoEsistono due tipi di fotoresist: positivo e negativo. Per i resist positivi, il resist viene esposto a luce UV nei punti in cui il materiale sottostante deve essere rimosso. In questi resist, l’esposizione alla luce UV cambia la struttura chimica del resist in modo che diventa più solubile nell’agente di sviluppo. Il resist esposto viene quindi lavato via dalla soluzione di sviluppo, lasciando finestre sul materiale sottostante. La maschera quindi, contiene una copia esatta del pattern che deve rimanere sul wafer.I resist negativi si comportano in modo opposto. L’esposizione alla luce UV polimerizza il resist negativo che diventa più difficile da sciogliere. Quindi, il resist negativo rimane sulla superficie esposta, e la soluzione di sviluppo rimuove solo le parti non esposte. Le maschere usate per fotoresist negativi, quindi, contengono l’inverso (o "negativo“ fotografico) del pattern che deve essere trasferito.

Process flow in fotolitografia

Schema di processo di litografia planare. Il substrato viene inizialmente ricoperto con un sottile strato (resist) di materiale sensibile alla radiazione utilizzata. Lo strato viene quindi impressionato dalla radiazione e rimosso dalle zone volute. Alla creazione del disegno litografico in positivo o in negativo, possono seguire processi di deposizione, di attacco chimico, di impianto ionico oppure di ricrescita.

Possibilità di patterning sottrattivo o additivo

Alta flessibilità di processo

• Processi di microfabbricazione : – Additivo: deposizione – Sottrattivo: etching– Modifica: doping, annealing, o curing

Esistono due tecniche principali per il patterning additivo e sottrattivo:

Etch-back: il fotoresist viene applicato sopra lo strato dove deve essere trasferito il pattern e il materiale non necessario viene rimosso tramite etching

Lift-off: lo strato con il pattern viene depositato sul fotoresist; il materiale non necessario viene asportato quando il resistviene rimosso

Hard-Baking è l’ultimo passo del processo fotolitografico. E’ necessario per indurire il fotoresist e migliorare l’adesione del fotoresist alla superficie del wafer.

Metodi di miniaturizzazione “Top down” :Fotolitografia

E’ il processo di trasferimento di una forma geometrica su una maschera e quindi sulla superficie di un wafer di silicio

Passi del processo:• pulitura del wafer • formazione di una strato barriera• applicazione del fotoresist• soft baking• allineamento della maschera• esposizione e sviluppo• hard-baking.

Molecular Printing/Patterning - Litografia

Trasferimento di forme geometricche e pattern da una maschera alla superficie di un wafer di silicio.

Wafer di silicio pulito“chimicamente”

Spin-coated

Strato “barriera”di ossido di silicio

Fotoresist

UVRisciacquo

Processing di un circuito integrato

Esempio di fabbricazione EBL di QD

Tecniche litografiche (EBL)+

crescita film sottili

a) Deposizione film sottile su substrato; b) Irraggiamento attraverso una maschera; c) Configurazione dopo lo scioglimento della parte di resist esposta (sviluppo); d) Deposizione di una altro materiale come maschera di etching; e) Rimozione del resist; f) Rimozione chimica del materiale del quantum well non protetto dalla maschera di etching; g) Configurazione finale dopo la rimozione della maschera.

Esempio di fabbricazione EBL di QD “nanostrutturati”

Fotoluminescenza eccitonica

esaltata in QDs

Spettro di fotoluminescenza di un array di quantum dot del diametro di 60 nm ottenuto per litografia, confrontato con lo spettro di un singolo quantum well

Deposizione fotoresistMetodo di deposizione usato più frequentemente: spin-coating (va bene per i polimeri)(altrimenti spray, elettroforesi, Langmuir-Blodgett deposition, dipping per SAMs, …)

Spin-coating: ottima omogeneità, rapidità, semplicità

5000 giri/s per 60 sIn genere seguito da soft temperature curing (T < 100 °C)(Se si supera la temperatura di transizione vetrosa peggiora l’uniformità)

spessori tipici del resist : 0.5–1.0 µm

Applicazione del fotoresist

Il metodo standard per l’applicazione del fotoresist nella fabbricazione di IC è quello di mettere in rapida rotazione il wafer di silicio. Con questa tecnica, detta spin coating, si ottiene un sottile strato uniforme di fotoresist sulla superficie del wafer.

• In genere 3000-6000 rpm per 15-30 s• Lo spessore del resist è determinato da:– viscosità del resist– velocità di rotazione dello spinner• Lo spessore del resist è dato da t = kp2/w1/2, con– k = costante dello spinner, in genere 80-100– p = percentuale di resist solido– w = velocità di rotazione dello spinner in rpm/1000• Spessori usuali per processi commerciali sono di 1-2 mm

Scissione di una catena di PMMA

EtchingL’etching è la rimozione selettiva dei film depositati

e.g.: immersione in HF per rimuovere l’ossido nativo ma non il Si

Configurazioni maschera

Le maschere possono essereprodotte con altre tecniche e replicatecon litografia ottica

Pattern complessi possono essereprodotti con un’unica esposizionesu superfici relativamente ampie (> mm2)

Litografia ottica

• Risoluzione controllata da λ e z• Problemi maschera: 1x, danneggiamento

• Risoluzione controllata da λ e NA• Problemi maschera: 4x, protetta

Diffrazione in litografia ottica

• La luce che attraversa la maschera non ha diffrazione - contatto• In campo vicino, la luce subisce diffrazione di Fresnel - prossimità• In campo lontano, la luce subisce diffrazione di Fraunhofer - proiezione

Risoluzione della fotolitografia

La litografia di contatto è limitata dalla diffrazione di Fresnel :

con λ lunghezza d’onda della radiazione usata e g distanza maschera-resist.

La litografia di proiezione è limitata dal criterio di Rayleigh:

con λ lunghezza d’onda della radiazione usata, NA apertura numerica della lente (NA = n sin α), e k1 costante (in genere k1 = 0.6 - 0.8)

La profondità di fuoco, DOF, è data da:

k1 and k2 in genere dipendono da molti parametri di processo, dal resist, dal tipo di maschera e dal pattern che deve essere trasferito, ecc.

Risoluzione spaziale

Il contrasto del pattern impressionato èlimitato dal fenomeno della diffrazione

Litografia contatto/prossimità

• La luce che attraversa il piano della maschera subisce diffrazione• Fotoresist attentamente progettati aiutano a compensare la diffrazione e danno un pattern uniforme

Strategie di aumento risoluzione: phase shift masks

120 nm wide gates produced usingλ = 248 nm radiation and PSM masks

Off-axis illumination

Micro e nanolitografia

La diffrazione e altri effetti ottici limitano la risoluzione della litografia DUV (λ = 193 nm) al range di 75-100 nm.

Per arrivare sotto i 100 nm si può usare la litografia EUV (λ = 13.5 nm)

Altre tecniche per scendere sotto i 100 nm sono:lì litografie a raggi X, ioni e elettroni.

Intel lithography roadmap (Nov 2004)