Transcript Aula5 - CBPF - 2006 - nanofabricacao
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
Slide 3
Hoje
CAD
Nanotecnologia
Máscara(s)
Litografia
Óptica
Prof. A.C. Seabra
Escrita Direta
Nanocarimbos
Litografia
por Raios-X
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
3
Slide 4
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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
4
Slide 5
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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
5
Slide 6
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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
6
Slide 7
Nanoconexões
Estruturas protéicas (Microtúbulos)
conectadas por nanofios.10
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
7
Slide 8
Litografia Top-Down para Nanotecnologia
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
8
Slide 9
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!
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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Slide 10
Litografia Top-Down para Nanotecnologia
Litografia por Feixe de Elétrons
Fonte
Abertura
com geometria
Pré-formatada
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
10
Slide 11
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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
11
Slide 12
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)
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
12
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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
Prof. A.C. Seabra
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
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
Vb = 30kV,
l = 0,08nm
17 a 21/07/04
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Fonte de Elétrons
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
14
Slide 15
Efeito de Proximidade
Espalhamento de Elétrons no Resiste e no Substrato
“b”
“a”
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
15
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Efeito de Proximidade
Pode ser modelado por uma dupla gaussiana:
1
1
I (r )
(1 ) a
Prof. A.C. Seabra
r
2
e
2
a
2
r
b
2
e
2
b
2
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
Em geral uma
matriz de 50.000
x 50.000 pontos
17 a 21/07/04
16
Slide 17
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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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Slide 18
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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
18
Slide 19
Efeito de Proximidade
Parâmetros de Efeito de Proximidade:
•
a, b,
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
19
Slide 20
Microsquids em Filmes
Magnéticos
Linhas de 50nm x 10um
* Trabalho conjunto IFUSPEPUSP-CBPF
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
20
Slide 21
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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
21
Slide 22
Litografia por Feixe de Ions
Como LFE, LFI pode ser utilizada para escrita direta
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
22
Slide 23
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!
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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Slide 24
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 (4108) resultantes no
resiste sobre a superfície
(LFE = 25108 )
• Excelente resolução e
profundidade de foco
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
24
Slide 25
Litografia por Holografia
Combinação com litografia por feixe de elétrons…
•Adicionar estruturas com
geometrias específicas
•Guias de Onda
•Ressonadores
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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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
Slide 3
Hoje
CAD
Nanotecnologia
Máscara(s)
Litografia
Óptica
Prof. A.C. Seabra
Escrita Direta
Nanocarimbos
Litografia
por Raios-X
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
3
Slide 4
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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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Slide 5
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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
5
Slide 6
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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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Slide 7
Nanoconexões
Estruturas protéicas (Microtúbulos)
conectadas por nanofios.10
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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Slide 8
Litografia Top-Down para Nanotecnologia
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
8
Slide 9
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!
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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Slide 10
Litografia Top-Down para Nanotecnologia
Litografia por Feixe de Elétrons
Fonte
Abertura
com geometria
Pré-formatada
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
10
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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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
11
Slide 12
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)
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
12
Slide 13
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
Prof. A.C. Seabra
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
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
Vb = 30kV,
l = 0,08nm
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Fonte de Elétrons
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
14
Slide 15
Efeito de Proximidade
Espalhamento de Elétrons no Resiste e no Substrato
“b”
“a”
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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Efeito de Proximidade
Pode ser modelado por uma dupla gaussiana:
1
1
I (r )
(1 ) a
Prof. A.C. Seabra
r
2
e
2
a
2
r
b
2
e
2
b
2
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
Em geral uma
matriz de 50.000
x 50.000 pontos
17 a 21/07/04
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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
Prof. A.C. Seabra
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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
Prof. A.C. Seabra
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Efeito de Proximidade
Parâmetros de Efeito de Proximidade:
•
a, b,
Prof. A.C. Seabra
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Slide 20
Microsquids em Filmes
Magnéticos
Linhas de 50nm x 10um
* Trabalho conjunto IFUSPEPUSP-CBPF
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
20
Slide 21
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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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Slide 22
Litografia por Feixe de Ions
Como LFE, LFI pode ser utilizada para escrita direta
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
22
Slide 23
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!
Prof. A.C. Seabra
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Slide 24
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 (4108) resultantes no
resiste sobre a superfície
(LFE = 25108 )
• Excelente resolução e
profundidade de foco
Prof. A.C. Seabra
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Slide 25
Litografia por Holografia
Combinação com litografia por feixe de elétrons…
•Adicionar estruturas com
geometrias específicas
•Guias de Onda
•Ressonadores
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
17 a 21/07/04
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Slide 26
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
Prof. A.C. Seabra
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Slide 27
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
Prof. A.C. Seabra
VI Escola do CBPF: Nanofabricação
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