Litografia Nanoimprint

LITOGRAFIA NANOIMPRINT – NIL

De la inceputul microtehnologiei odata cu inventarea tranzistorului in 1948, miniaturizarea structurilor a progresat rapid. Progresul in microelectronica este in principal determinata de litografia optica, care se afla in centrul miniaturizarii. Pentru a obtine structuri cat mai mici prin litografia optica, doi factori sunt importanti: masca si sursa de lumina. Masca asigura transferul structurilor pe substrat. Lungimea de unda a luminii emise de sursa determina rezolutia maxima care este posibila de obtinut. In prezent cele mai multe sisteme folosesc surse de lumina cu lungimea de unda 193nm ( sursa laser de ArF). La 193nm, in litografia prin proiectie rezolutia este de 45nm iar in cazul litografiei cu imersie de apa aceasta rezolutie poate atunge la 32nm.

Rezolutia sistemelor optice (R) este descrisa de ecuatia lui Lord Rayleigh. Pentru litografia prin proiectie rezolutia R este:

unde:

λ – lungimea de unda

Na – apertura numerica

k1 – factorul tehnologic

Scaderea rezolutiei este obtinuta prin scaderea lungimii de unda sau a factorului tehnologic k, sau de crestere a lui Na. Scaderea lungimii de unda este dificila si necesita schimbari majore in parametrii procesului, in plus necesita masti noi, si tipuri noi de rezisti si lentile. Pentru scadea factorului k s-au dezvoltat multe metode (ex; corectia optica prin proximitate).

Pentru rezolutia de 22nm concura cateva echipamente litografice in ITRS (International Tehnology Roadmap for Semiconductors)

Litografia cu fascicol de electroni poate atinge rezolutii pana la 10nm, dar are un transfer scazut si nu este un echipament fiabil pentru utilizarea lui in productie.

Litografia cu raze X a demonstrat ca poate atinge rezolutii pana la 50nm, dar echipamentul este extrem de scump si ramane de vazut daca se pot atinge rezolutii sub 25nm.

Litografia nanoimprint (introdusa in 1995) poate atinge rezolutii pana la 10nm, a fost mentionata in ITRS ca fiind o posibila inlocuire a litografiei optice.

Principiile litografiei nanoimprint

Litografia nanoimprint (NIL) este tehnica de reproducere bazata pe deformarea permanenta a polimerului, figura 1.

Procesul consta in 3 etape:

Stampila cu structuri nanometrice pe suprafata este presata intr-un polimer usor.

Polimerul este intarit iar stampila este indepartata, lasand in urma imaginea perfecta a structurilor

Structurile sunt transferate in substrat.

Fig.1 Etapele procesului NIL

De obicei aceste sunt obtinute prin corodare anizotropica RIE care mai include si indepartarea stratului residual nedorit format in timpul imprimarii.

Tipuri de litografie nanoimprint – NIL

T-NIL – litografie nanoimprint prin termocompresie

UV-NIL – litografie nanoimprint prin ultraviolet

SFIL

SSIL

T-NIL a fost folosit pentru prima data in anul1995 pentru a reproduce structuri cu rezolutia de 25nm. In anul1997 prin aceasta tehnica s-a ajuns la rezolutia de 6nm si recent s-a demonstrat obtinerea rezolutiei de 2,4nm.

T-NIL foloseste o ștampilă care la presiune mare este presata într-un polimer termoplastic pentru a imprima structurile. Principiul de functionare al acestui tip se bazeaza pe o idee veche de a modela un material prin inmuierea la cald si care se resolidifica atunci cand acesta devine rece. Repetarea ciclurilor de incalzire si racire fac acest principiu ineficient in fabricatia dispozitivelor multi-stat, si daca materialele sunt prost alese,

UV-NIL consta in ideea folosirii de rezisti sensibili la radiatia UV. Materialul, rezistul fotosensibil cu vascozitate scazuta este depus pe substrat, de obicei prin etalare. Rezistul este intarit prin fotopolimerizare datorita radiatiilor UV prin stampila transparenta sub presiune scazuta. Dupa ce are loc fotopolimerizarea, stampila este indepartata de substrat si se obtine o imagine perfecta a structurilor.

Aceasta metoda este mult mai complexa decat T-NIL dar mult mai eficienta. Un alt avantaj al acestei metode consta in stampila transparenta ce permite alinierea straturilor la substrat prin combinarea cu litografia optica.

Aplicatii

Aplicatiile litografiei nanoimprint pot fi impartite in doua categori:

Aplicatii de transfer a structurilor pe substrat si

Aplicatii pentru obtinerea de dispozitive in diferiti polimeri

Prima categorie foloseste rezistul pentru imprimarea ca masca pentru transferul structurilor in substrat. Acest proces inseamna inlocuirea litografiei optice in transferul structurilor rapid si eficient. Se pot obtine chiar si structuri tridimensionale.

A doua categorie foloseste rezistul pentru imprimare asa cum este, ce poate avea multe aplicatii in optica, electronica si nano-biotehnologie.

Posibilitatea de a produce structuri tridimensionale este un mare avantaj a acestui tip de litografie. Avantajul este regasit in fabricatia proceselor unde se pot obtine in aceiasi etapa trasee metalice si nivele de mascare. Utilizand aceasta tehnologie se pot reduce semnificativ numarul de etape de procesare prin reducerea numarului de operatii cu litografia optica urmata de corodare pentru definirea atat a traseelor cat si a nivelelor.

Rezistul pentru imprimare

Un impotanat material a procesului il reprezinta rezistul pentru imprintare. Acesta trebuie sa aiba o aderenta buna la substrat si sa nu se lipeasca pe stampila. Acest lucru implica ca rezistul sa aiba o rezistenta la substrat in momentul aplicarii unei forte pentru desprinderea stampilei, chiar si in cazul ariilor cu densitate mare de structuri. Desi rezistul pentru imprimare poate fi folosit direct, spre exemplu in cazul canalelor microfluidice sau dispozitivelor nano-optice, structurile sale sunt de obicei transferate la substrat. Acest lucru se intampla in urma procesului de eliminare a stratului rezidual urmata de o corodare in pasma transferand astfel structurile. Fara a schimba procesul de imprimare, un strat rezidual de aproximativ 10nm este inevitabil. Acest strat protejaza stampila.

Specificatiile rezistului: are nevoie de o parte cu continut de siliciu pentru a oferi rezistenta in corodare in plasma, un agent tensioactiv pentru reducerea energiei la suprafata fata de stampila, astfel incat aceasta sa aiba o aderenta slaba, o componenta care sa permita intarire rapida si una pentru umplere rapida.

O mare impotanta in procesul de nanoimprint o are timpul de imprimare si uniformitate care sunt determinante de debitul de inmuiere al stratului de polimer si a factorului de umplere.

Pentru a evita ruperea stampilei si neuniformitatea grosimii a stratului rezidual, factorul de umplere trebuie sa fie constant pe intreaga suprafata a stampilei.

Factorul de umplere se poate determina cu ajutorul formulei Stefan pentru modelul bidimensional a curgerii polimerului:

unde

tf – reprezinta timpul de umplere

s – aria proeminentelor

ƞo – vascozitatea polimerului

ho – grosimea rezistului initial

hf – grosimea rezistului dupa imprimare

p – presiunea de imprimare.

Din aceasta formula reiese ca structurile nanometrice se umplu cu rezist mult mai rapid decat cele in cazul structurilor micrometrice. Compozitia structuri nanometrice si structuri micrometrice pe aceiasi stampila conduce la producerea de structuri deformate deoarece structurile micrometrice necesita un timp mai mare lung de imprimare fata de structurile mici.

a) b) c)

Fig.2 a) si b)- structuri deformate; c) – umplere a canalelor uniform rezultand o buna imprimare

Pentru litografia UV-NIL este necesar un rezist de imprimare cu cateva caracteristici importante pentru a obtine rezultate rapide si fara defecte majore. In primul rand vascozitatea rezistului trebuie sa fie mica la temperatura camerei – astfel rezistul lichid poate patrunde usor si rapid in proeminente si poate fi desprins usor. In al doilea rand trebuie sa fie fotosenzitiv si fotoantarit rapid pentru un transfer cat mai bun. In plus forta de separare aplicata trebuie sa fie cat mai mica pentru a evita posibilele defecte si stricarea stampilei. Materialul necesita o stabilitate in transfer si in corodarea in plasma. Trebuie sa aiba o rezistenta termica buna. Tipic rezistul contine fotoinitiator, monomer cu continut ridicat de Si rezistenta corodarii in plasma, agent pentru legarea legaturilor pentru pentru a produce rezistenta mecanica, monomer organic polimerizabil, sulfactant florurat pentru reducerea adeziunii la stampila si monomer cu greutate moleculara mica pentru pentru a putea reduce vascozitatea solutiei. Polimeri ca acrilat, vinil eter, aldehide si epoxidice sunt folosite. Cel mai frecvent utilizat si disponibil este cel pe baza de acrilat, care este cunoscut a avea vascozitate mica si rata de intrare mare. Cu toate acestea contributia in timpul intaririi este destul de mare, aproximativ 10% si in plus, radicalul baza fotopolimerizat este inhibat de prezenta oxigenului. Oxicenul poate creste timpul necesar pentru intarire si sa conduca de rezist neantarit. Acest lucru poate fi prevenit prin cresterea timpului de expunere sau imprimarea intr-un mediu fara oxigen.

Flux tehnologic de aplicare a litografiei UV-NIL

Pentru a demonstra eficienta acestei litografi am ales sa combin UV-NIL cu litografia optica standard.

Pentru fabricatia matritei s-a folosit o placheta de siliciu cu diametrul 4”.

Curațire oxidare inițială

Înaintea primului proces din fluxul de fabricație, cât și înaintea tuturor proceselor ulterioare de oxidare și depunere, placheta de siliciu a fost curațata chimic pentru a îndeparta contaminanții organici și anorganici ajunși la suprafața plachetei în timpul manipulări. În cazul în care acești contaminanți nu au fost înlaturați suficient, ei degradează obtinerea structurilor.

Procedeele de curațire chimică adoptate cuprind etape succesive de:

îndepartare a reziduurilor organice

îndepartare a unui strat subțire de oxid care include impurități (depunere metal).

Între aceste etape, cât și la finalul procesului de curațire, placheta de siliciu se clăteste abundent în vase succesive în apă deionizata de rezistivitate înaltă, urmată de uscare prin centrifugare.

Pentru îndepartarea reziduurilor organice (urme de fotorezist) s-au folosit soluții pe bază de apă oxigenată: amestecul piranha, zis și acid Caro, constând din acid sulfuric 98% și apă oxigenată 30% în proporție de 3 : 1 , utilizată la peste 1200C timp de 5-10min.

După îndepartarea reziduurilor organice și clatire, se decapează un strat subțire de SiO2 de pe plachete cu ajutorul unei soluții diluate de acid fluorhidric (tipic 10:1 H2O : HF50%) numite și soluții “dip”, timp de 30-60sec. Deoarece ionii de F- prezintă o tendință pronunțată de absorție la suprafața siliciului, ceea ce poate conduce ulterior la apariția unor “ciupituri”, acidul fluorhidric se utilizează numai diluat.

Oxidare umeda

Oxidarea s-a facut în scopul realizării unui oxid folosit drept mască pentru fabricatia stampilei. Oxidul de grosime 1,7 µm s-a crescut termic la T = 1100 oC / vapori de apă.

Fotolitografie

În această etapă s-a etalat un strat de fotorezist care este folosit ca masca pentru corodarea oxidului. Etalarea s-a facut cu fotorezist pozitiv pe fața plachetelor prin centrifugare cu 3000 rpm pentru o grosime de rezist de 1,4 µm.

Dioxidul de siliciu a fost corodat 300nm.

Curațire depunere strat anti-lipire

Plachetele de siliciu se curăță în scopul îndepărtării reziduurilor de fotorezist în soluții acide pe baza de apă oxigenată, amestecul Piranha, urmate de clătiri repetate cu apă deionizată.

După spălare plachetele se uscă prin centrifugare.

Controlul calității curățirii s-a făcut la microscop optic.

Depunere strat anti-lipire

Pentru a evita lipirea polimerului pe suprafata matritei, placheta a fost supusa unui proces neconventional de crestere a unui strat foarte subtire pe baza de fluorurat pentru hidrofobizarea suprafetei.

Depunerea stratului anti-lipire a fost realizat intr-o cutie improvizata din PVC in care a fost introdus silica-gel, in scopul eliminarii umiditatii. Placheta a fost pozitionata in cutie langa aceasta fiind pozitionata o bucata metalica incalzita la temperatura de 1200C. Cutia a fost inchisa ermetic iar cu ajutorul unei siringi a fost introdusa solutia de …. pe bucata metalica incalzita. Depunerea a fost realizata in vapori, suprafata plachetei devenint hidrofoba prin depunerea acestei solutii in stare de vapori.

Aceasta metoda neconventionala a necesitat numeroase incercari pana la obtinerea de rezultate multumitoare.

Curațire sticla quartz

Sticla de quartz s-a curățat în scopul pregatirii sticle de quartz pentru procesul de fabricatie a stampilei. Curatirea a fost efectuata cu acetona.

După spălare sticla de quartz a fost uscata cu N2.

Depunere strat aderenta

S-a etalat stratul de aderenta care este folosit pentru cresterea aderentei polimerului folosit ca stampila la suprafata sticlei de quartz.

UV-NIL fabricatie stampila

Fabricarea stampilei pentru NIL a fost realizata pe echipamentul Aliniere Masca MA6, ce este imbunatatit pentru litografia nanoimprint.

Echipament Aliniere Masca MA6 imbunatatit pentru litografia UV-NIL

Proces realizare stampila:

Exemplificare etape proces

a). Incarcare

Stampila este fixata cu ajutorul vidului pe suportul stampila

Indicatorii de proximitate sunt pozitionati pentru WEC ( Wedge Error Compensation)

Suportul pentru placheta este coborat

b). WEC ( wedge error compensation)

Stampila este fixata cu ajutorul vidului pe suportul stampila

Indicatorii de proximitate sunt pozitionati pentru WEC ( Wedge Error Compensation)

Suportul pentru placheta este ridicat pentru realizarea paralelismului

c). Aliniere

Stampila este fixata cu ajutorul vidului pe suportul stampila

Suportul pentru placheta este in pozitie apropiata ( nu se afla in contact) pregatit pentru aliniere daca este cazul

d). Control distanta

Stampila este fixata cu ajutorul vidului pe suportul stampila

Sistemul control distanta este activat ( ingheata distanta dintre substrat si stampila)

e). Pre-imprimare

Stampila este fixata cu ajutorul vidului pe suportul stampila

Suportul pentru placheta este in pozitie apropiata ( nu se afla in contact)

Sigiliu vid umflat

Evacuare camera proces

f). Imprimare

Stampila este fixata cu ajutorul vidului pe suportul stampila

Nivelare automata a stampilei si a substratului

Sigiliu vid umflat

Evacuare camera proces

Camera presiune cu presiune de imprimare controlata

g). Expunere

Expunere radiatii UV prin quartz pentru a intarii polimerul pentru imprimare

h). Pre-separare

Stampila este fixata cu ajutorul vidului pe suportul stampila

Sigiliu vid umflat

Evacuare camera presiune

Camera de proces devidat

Coborare suport pentru plachet ( foarte incet)

i). Separere

Stampila este fixata cu ajutorul vidului pe suportul stampila

Coborare suport pentru placheta

Stampila si matrita sunt separate

Stampila a fost inspectata cu ajutorul microscopului optic si AFM.

b)

Imagini optice: a) matrita in SiO2 /placheta de Si b) stampila pe quartz

Imagini AFM

Imagine stampita quartz

UV-NIL – replicare stampila

Procesul de replicare a stampilei este asemanator cu cel de realizare a acesteia.