Slide 1

Fabricação de nanoestruturas
Parte II

Prof. Dr. Antonio Carlos Seabra
Dep. Eng. de Sistemas Eletrônicos
Escola Politécnica da USP
[email protected]


Slide 2

Litografia Top-Down



Litografia na Indústria de CIs
•

Litografia Óptica

•

Litografia por Raios-X

•

Apresentações em ftp://ftp.cat.cbpf.br/publico/sampaio/



Litografia Top-Down para Nanotecnologia



Aplicações

Prof. A.C. Seabra

VI Escola do CBPF: Nanofabricação

17 a 21/07/04

2


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Hoje
CAD

Nanotecnologia

Máscara(s)

Litografia
Óptica

Prof. A.C. Seabra

Escrita Direta

Nanocarimbos

Litografia
por Raios-X

VI Escola do CBPF: Nanofabricação

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Onde se situa a Nanotecnologia?
Mecânica Quântica

Luz Visível

MEMS

Glóbulo
Vermelho

Nanoescala

Nanômetros

0,1

1

100

10

Diâmetro
Atômico

Diâmetro de um
Nanotubo de Carbono

103

104

Bactérias
Moléculas
Orgânicas

0,1 mm

105

Diâmetro do
Cabelo Humano

Vírus

Microchips

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Litografia Top-Down para Nanotecnologia



Não precisa de 35 níveis



Não precisa ter a mesma produtividade



Precisa ter resolução na faixa 10-100nm



Precisa ter capacidade de alinhamento para apenas 23 níveis

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Litografia Top-Down para Nanotecnologia




Em quê ela pode contribuir com estruturas autoformadas (bottom-up)?
•

Posicionamento em locais pré-definidos

•

Fabricação de estruturas com qualquer geometria (2D-3D)

•

Fabricação de estruturas em qualquer material

•

Possibilita o acesso ao mundo exterior (realizando conexões e
nanoconexões)

Combinada com estruturas auto-formadas cria um
enorme potencial inovativo em pesquisa e novos
produtos

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Nanoconexões

Estruturas protéicas (Microtúbulos)
conectadas por nanofios.10
Prof. A.C. Seabra

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Litografia Top-Down para Nanotecnologia

Prof. A.C. Seabra

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Litografia Top-Down para Nanotecnologia


Principais técnicas litográficas (top-down) para
aplicação em nanotecnologia
•

Feixe de elétrons

•

Raios-X (EUV)

•

Feixe de Íons

•

Holografia

•

Nanoimpressão

•

Varredura de Sonda (SPL ou PPL)

•

Litografia óptica!

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Litografia Top-Down para Nanotecnologia


Litografia por Feixe de Elétrons
Fonte

Abertura
com geometria
Pré-formatada

Prof. A.C. Seabra

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Litografia por feixe de elétrons


Afinal, é um microscópio eletrônico de varredura?

Eletrostáticas
(10-100ns)

16bits
0,1nm capacidade
de endereçamento

4”,6”,8”
2nm~0,5nm capacidade
de posicionamento

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Litografia por Feixe de Elétrons


Difração não limita a resolução



Resolução depende basicamente do diâmetro do feixe,
~5nm



Aplicações



•

Escrita direta (inclusive para fabricação de máscaras)
• Pesquisa
• Prototipagem

•

Projeção (stepper)

Limitações
•

Serial, produtividade adequada para pequenas séries e pesquisa

•

Efeito de proximidade

•

Opera em alto vácuo (10-6 ~10-10 torr)
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Limitação da Resolução
d 
2
dg (

2
dg



2
ds

fonte v irtual ) 

2
d s ( aberração

2
dc



2
dc

( aberração

2
d d ( limite



Para aumentar a resolução:

2
dd

dv

M , Vb , DE , f e  a?
(dv = tamanho da fonte, M = desmagnificação)

M

esférica ) 

1
2

C sa

3

cromática )  C ca

de difração )  0 , 6

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l
a

(Cs = aber. esférica, a = ângulo de conv.)
(Cs a distância focal  distância de trabalho)

DE
Vb

(Cc = aber. cromática, DE = esp. de
Energia do feixe, Vb = tensão de acel.)

onde l 

1, 2

( nm )

Vb

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Vb = 30kV,
l = 0,08nm

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Fonte de Elétrons

Prof. A.C. Seabra

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Efeito de Proximidade
Espalhamento de Elétrons no Resiste e no Substrato

“b”

“a”

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Efeito de Proximidade

Pode ser modelado por uma dupla gaussiana:

 1
1

I (r ) 
(1   )  a

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r
2

e

2

a

2



r


b

2

e

2

b

2






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Em geral uma
matriz de 50.000
x 50.000 pontos
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Efeito de Proximidade
• Substrato de Silício e resiste PMMA de 0,5 µm de espessura
 = 0.75 (independente da energia do feixe)
keV = 11 / 15 / 20 / 25 / 30 / 35
b= 0.9 / 1.4 / 2.2 / 2.8 / 4.0 / 5.8
• Substrato de GaAs e resiste PMMA de 0,5 µm de espessura
 = 1.4 (independente da energia do feixe)

keV = 15 / 20 / 25 / 30 / 35 / 39
b= 0.7 / 1.0 / 1.3 / 1.8 / 2.2 / 2.6

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Distribuição de Energia
Considerando o Efeito de Proximidade
PMMA = 400nm
Si = 40mm

PMMA = 400nm
Nb = 20nm
Si = 40mm

Função delta de Dirac

Convolução com feixe gaussiano de 50nm
Interface
Superfície

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Efeito de Proximidade


Parâmetros de Efeito de Proximidade:
•

a, b, 

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Microsquids em Filmes
Magnéticos

Linhas de 50nm x 10um

* Trabalho conjunto IFUSPEPUSP-CBPF
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Estratégias para minimizar o efeito de
proximidade



Utilize resistes finos



Utilize substratos finos



Ajuste a tensão de aceleração



Divida a geometria em sub-estruturas com doses diferentes

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Litografia por Feixe de Ions


Como LFE, LFI pode ser utilizada para escrita direta

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Litografia por Feixe de Ions


Características principais
•

Menos sujeita à retroespalhamento (massas maiores)

•

Resistes para LFI são mais sensíveis

•

Maiores energias que LFE
Melhor resolução e produtividade



Dificuldades
•

Fontes de íons menos confiáveis

•

Mais difícil de focalizar

•

Menor profundidade de penetração (30nm ~ 500nm)

•

Implantador Iônico de baixa energia!
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Litografia por Holografia


Aplicação imediata em
cristais fotônicos
(Scheneider, 2004)

• Redes fabricadas em filmes de Al
• Posição relativa das três redes para
gerar o padrão de interferência
• Exposição laser Nd:YAG (355nm)

• Estruturas (4108) resultantes no
resiste sobre a superfície
(LFE = 25108 )
• Excelente resolução e
profundidade de foco
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Litografia por Holografia


Combinação com litografia por feixe de elétrons…

•Adicionar estruturas com
geometrias específicas

•Guias de Onda
•Ressonadores

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Lift-off


Processo Tradicional
resiste
metal
substrato

Deposições de
metal e resiste



Lift-off

Deposições

Escrita Direta
resiste
metal
substrato

Exposição do
resiste
Revelação do
resiste
Úmida

metal
substrato

Corrosão

resiste 2
resiste 1
substrato
resiste 2
resiste 1
substrato

Revelação 1

resiste 2
resiste 1
substrato

Revelação 2

resiste 2
resiste 1
substrato

Seca

metal

Deposição

metal
substrato

metal

10nm!

Lift-off
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Lift-off e evaporação inclinada
(com sombras)
Vista de Topo:
Resiste

Evaporação:
1.Nb
2.Al +AlOx
3.Nb

2. 1.

3.

SET Nb/AlOx/Nb

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