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Principales desventajas a evitar en la litografía de nanoimpresión

La litografía de nanoimpresión (NIL) es una tecnología avanzada de nanofabricación capaz de crear patrones y estructuras de menos de 10 nm a bajo costo, alto rendimiento y alta precisión.

Haber de imagen: nanofabricación /Shutterstock.com

Actualmente, NIL se utiliza para fabricar componentes para almacenamiento de datos, dispositivos optoelectrónicos, nanofotónica, componentes ópticos, biosensores y dispositivos semiconductores avanzados. Para los fabricantes de dispositivos, controlar y evitar defectos es un desafío importante que puede ayudar a mejorar la calidad y la productividad del producto.

La fotolitografía es el método más utilizado en la industria de los semiconductores. Sin embargo, a medida que las dimensiones características de los componentes electrónicos caen por debajo de los 10 nm, el proceso de fotolitografía se vuelve más complejo y costoso. En las últimas dos décadas, gran parte del esfuerzo de investigación y desarrollo se ha dirigido a explorar métodos alternativos de nanoimpresión capaces de crear patrones por debajo de 10 nm de una manera accesible, más económica y más rápida.

A diferencia de las técnicas de fotolitografía que crean nanoestructuras a través de la interacción de fotones o electrones con una fina capa de polímero (llamada resistencia), NIL se basa en la deformación mecánica directa de la resistencia. Como resultado, el método puede lograr una precisión más allá de los límites de difracción que se encuentran en las técnicas de litografía óptica.

¿Cómo logra NIL una precisión de nivel nanométrico?

El método NIL se basa en la deformación de la capa de resistencia mediante un molde (de cuarzo o silicio) grabado con un nanopatrón que se transfiere. El material resistente puede ser un termoplástico o un polímero curable por UV. Según el material de resistencia utilizado, los dos procesos NIL principales son NIL (comúnmente denominados solo NIL) y UV-NIL. En NIL, la capa resistiva se deposita sobre un sustrato que se calienta por encima de la temperatura de transición vítrea de las resistencias. El molde se pone en contacto con la resistencia fundida bajo cierta presión y comprime y deforma parcialmente la capa de resistencia. Después de que la temperatura de resistencia desciende por debajo de la transición vítrea, el molde y el sustrato se separan con la capa de resistencia estampada.

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Alternativamente, se puede usar un polímero líquido curable con UV como protector, que se expone a la luz UV después de que el molde entre en contacto con el sustrato revestido con protector. Después de tratar la resistencia, el molde se libera del sustrato.

En ambos casos, el contacto directo entre la plantilla y la impedancia imprime (o replica) el nanopatrón sin necesidad de las costosas fuentes de luz y la óptica de colimación que requieren los métodos fotolitográficos. Además, el uso de contacto mecánico en lugar de la luz para la transmisión de patrones significa que se pueden lograr resoluciones extremadamente altas, superando así las limitaciones impuestas por la difracción de la luz o la dispersión del haz en la fotolitografía. Esto simplifica el proceso y puede reducir el costo de fabricación del producto final.

Los principales defectos en el proceso son ninguno.

Al mismo tiempo, el proceso NIL trae nuevos desafíos. La transferencia directa de patrones requiere moldes de alta calidad para garantizar una repetición de patrones de alta fidelidad. La deformación viscoelástica de la resistencia requiere un estudio cuidadoso de la topografía del molde y del sustrato y sus propiedades químicas y mecánicas. La interacción de los dos materiales afecta la deformación y el comportamiento de deformación del molde, lo que afecta la calidad del modelo y la productividad. Si bien los desarrollos recientes han superado la mayoría de los desafíos, las deficiencias del patrón NIL siguen siendo uno de los mayores impedimentos de la industria para una adopción más amplia del proceso NIL.

En el proceso NIL, los defectos se pueden dividir en distribución aleatoria y frecuencia. Los defectos distribuidos aleatoriamente no pueden repetirse en términos de ubicación, cantidad e incidencia. Esto puede deberse a partículas extrañas o burbujas de aire en la resistencia, contacto incompleto del sustrato con el molde y resistividad residual no uniforme después de la separación. Los defectos recurrentes suelen estar asociados con defectos de moho y sustrato.

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¿Cómo surgen los defectos?

La presencia de una partícula extraña que impide el contacto entre la matriz y la capa protectora crea un área de defecto mucho más grande que la propia partícula. Esto incluye el defecto de la partícula, algún vacío que rodea la partícula y una región que no está llena de resistencia.

El tamaño de la falla depende del tamaño y la forma de las partículas, la rigidez del sustrato y del molde, la presión aplicada y las propiedades de resistencia. La distribución de la resistencia del líquido a UV-NIL también genera riesgos de atrapamiento de burbujas de gas entre el molde y el sustrato. Entonces, las burbujas pueden crear imperfecciones como las de partículas extrañas.

Otro tipo de defecto de vacío ocurre cuando el molde y el sustrato no son perfectamente planos e idénticos. Esto puede provocar un aumento o una disminución local de la resistencia, lo que da como resultado una transmisión del patrón incompleta. Además, una mayor adherencia entre el molde y las resistencias puede provocar una separación incompleta del molde, lo que afecta la calidad del modelo transferido.

Comprobación y eliminación de defectos.

A diferencia del proceso fotolitográfico, en el que las características de la fotomáscara suelen ser cuatro veces más grandes que las características del patrón, NIL es un proceso de transferencia directa (las características de la plantilla tienen las mismas dimensiones que el patrón final) que requiere herramientas de tramado de alta resolución para evaluar plantillas y patrones replicados.

La comprobación de defectos es una parte indispensable de cualquier proceso de litografía industrial. Establecer una metodología de inspección efectiva es crucial para comprender los mecanismos de formación de defectos. Se han desarrollado varios métodos de inspección basados ​​en instrumentos comerciales de inspección ultravioleta profunda existentes junto con instrumentos de microscopía de barrido y sistemas de inspección de haz electrónico de alto rendimiento.

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Las ideas presentadas por los métodos de investigación de las propiedades de la superficie han permitido al científico desarrollar estrategias efectivas para reducir y eliminar los defectos. El diseño de nuevos nano y nanosistemas que reducen la disolución del gas ambiental en el protector mientras se dispensa y graba el protector reduce en gran medida la cantidad y el tamaño de los defectos asociados con las burbujas.

Las mediciones de interferometría durante el proceso de la deformación del molde pueden optimizar la presión de contacto en tiempo real para lograr un contacto conformado casi perfecto entre el molde y el sustrato. El desarrollo de recubrimientos de baja viscosidad con baja energía superficial de los moldes resiste la adherencia entre el molde y las resistencias, mejorando así la calidad del patrón transferido y aumentando la vida útil del molde.

El desarrollo de estrategias para eliminar los defectos de las huellas dactilares allana el camino hacia un uso más amplio de NIL para la fabricación en masa de nuevos nanodispositivos.

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Referencias y lecturas adicionales

d. li y otros. (2017) Un estudio de nanofluidos sobre los defectos de las burbujas de nanogas en la litografía basada en nanolitografía. 17° Congreso Internacional de Nanotecnología (IEEE-NANO)788-791, disponible en: https://doi.org/10.1109/NANO.2017.8117426

Lan, H y Ding, Y, (2010). Litografía de nanoimpresión. En (editor), litografía. IntechOpen. Disponible en: https://doi.org/10.5772/8189

Chen, L.; et al.(2005) Control de defectos en litografía nanotecnológica. J.Vac. Ciencias. Tecnología B: Microelectrónica, procesamiento de estructuras nanométricas y fenomenología 23, 2933-2938 (2005). Disponible en: https://doi.org/10.1116/1.2130352

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