[روش های سنتز نانوساختارها] - لیتوگرافی
- شروع کننده موضوع P O U R I A
- تاریخ شروع
مقدمه ای بر روش نانو لیتوگرافی
مقدمه ای بر روش نانو لیتوگرافی
با پیشرفت روزافزون تکنولوژی، نیاز به ساخت و توسعه ابزارهای الکترونیک با ابعاد کوچکتر، سرعت بیشتر، مشخصات مطلوب تر و کارایی بهتر افزایش یافته است. در این راستا تحقیقات فراوانی جهت پیشرفت روش‌های ساخت بر پایه نانوتکنولوژی صورت گرفته است. روش لیتوگرافی یکی از روش های متداول برای ساخت مدارهای الکترونیک می باشد که با گسترش و ظهور ابزارهایی نظیر میکروسکوپ های الکترونی و میکروسکوپ‌های پروب روبشی توسعه یافته و امروزه ساختارهایی به اندازه 10 نانومتر با دقت و کیفیت بالا، با استفاده از این روش ساخته می شوند. محققان در تلاش هستند تا بتوانند تکنیک های نوظهور لیتوگرافی را به روش‌های صنعتی تبدیل کرده و هزینه تولید قطعات با استفاده از این روش را کاهش دهند. در این مقاله به مباحث پایه و معرفی کلی انواع روش‌های تولید تحت عنوان لیتوگرافی پرداخته خواهد شد. همچنین روش لیتوگرافی نوری به عنوان یک روش قدیمی مورد بحث قرار خواهد گرفت و معایب و مزایای آن بررسی خواهد شد.
مقدمه ای بر روش نانو لیتوگرافی
با پیشرفت روزافزون تکنولوژی، نیاز به ساخت و توسعه ابزارهای الکترونیک با ابعاد کوچکتر، سرعت بیشتر، مشخصات مطلوب تر و کارایی بهتر افزایش یافته است. در این راستا تحقیقات فراوانی جهت پیشرفت روش‌های ساخت بر پایه نانوتکنولوژی صورت گرفته است. روش لیتوگرافی یکی از روش های متداول برای ساخت مدارهای الکترونیک می باشد که با گسترش و ظهور ابزارهایی نظیر میکروسکوپ های الکترونی و میکروسکوپ‌های پروب روبشی توسعه یافته و امروزه ساختارهایی به اندازه 10 نانومتر با دقت و کیفیت بالا، با استفاده از این روش ساخته می شوند. محققان در تلاش هستند تا بتوانند تکنیک های نوظهور لیتوگرافی را به روش‌های صنعتی تبدیل کرده و هزینه تولید قطعات با استفاده از این روش را کاهش دهند. در این مقاله به مباحث پایه و معرفی کلی انواع روش‌های تولید تحت عنوان لیتوگرافی پرداخته خواهد شد. همچنین روش لیتوگرافی نوری به عنوان یک روش قدیمی مورد بحث قرار خواهد گرفت و معایب و مزایای آن بررسی خواهد شد.
1- مقدمه :
امروزه با رشد اکثر صنایع از جمله صنعت میکروالکترونیک ( Microelectronic)، ابعاد اجزا در این سیستم‌ها و به خصوص در مدارهای میکروالکترونیک به طور مداوم در حال کوچک شدن است. این پدیده می‌تواند مزایایی از جمله کاهش مصرف مواد اولیه و انرژی،کاهش قیمت تمام شده قطعات و مینیاتوریزه کردن قطعات را شامل شود. همچنین گرایش به کاهش ابعاد، منافع دیگری از جمله افزایش سرعت و راندمان قطعات الکترونیکی را نیز به دنبال دارد [1].
از زمان ساخت مدار مجتمع، تعداد ترانزیستورهای موجود در واحد سطح تراشه های نیمه هادی هر 18 ماه دو برابر می شود. این پیشگویی توسط مور (Moor) دردهه 80 میلادی بیان گردید که طی دو دهه اخیر رخ داده است. از این رو صنعت، نیازمند استفاده از روش هایی جهت ساخت قطعات در ابعاد نانو می باشد[1] . امروزه تلاش های گسترده ای برای پیشرفت روش های ساخت نانو ساختارها (Nanofabrication) صورت می گیرد. یکی از استراتژی های بالا به پایین در ساخت ابزار نانو، که از تکنیک لیتوگرافی (Lithography) متداول ایجاد شده است به عنوان نانولیتوگرافی شناخته می شود [6-1].
2- معرفی لیتوگرافی :
لیتوگرافی یک واژه یونانی است که از دو قسمت لیتوس (Lithos) به معنای سنگ و گرافی (Graphia)به معنای نوشتن و حکاکی کردن، تشکیل شده است. با ترجمه کلمه به کلمه این واژه به صورت حکاکی بر روی سنگ معنی می شود [3]. این روش شامل تشکیل یک طرح لیتوگرافی از یک الگو روی یک ماده الکترونیک و انتقال آن طرح به ماده‌ای دیگر جهت تولید یک ابزار الکترونیکی یا نوری می باشد [6-1].
امروزه با رشد اکثر صنایع از جمله صنعت میکروالکترونیک ( Microelectronic)، ابعاد اجزا در این سیستم‌ها و به خصوص در مدارهای میکروالکترونیک به طور مداوم در حال کوچک شدن است. این پدیده می‌تواند مزایایی از جمله کاهش مصرف مواد اولیه و انرژی،کاهش قیمت تمام شده قطعات و مینیاتوریزه کردن قطعات را شامل شود. همچنین گرایش به کاهش ابعاد، منافع دیگری از جمله افزایش سرعت و راندمان قطعات الکترونیکی را نیز به دنبال دارد [1].
از زمان ساخت مدار مجتمع، تعداد ترانزیستورهای موجود در واحد سطح تراشه های نیمه هادی هر 18 ماه دو برابر می شود. این پیشگویی توسط مور (Moor) دردهه 80 میلادی بیان گردید که طی دو دهه اخیر رخ داده است. از این رو صنعت، نیازمند استفاده از روش هایی جهت ساخت قطعات در ابعاد نانو می باشد[1] . امروزه تلاش های گسترده ای برای پیشرفت روش های ساخت نانو ساختارها (Nanofabrication) صورت می گیرد. یکی از استراتژی های بالا به پایین در ساخت ابزار نانو، که از تکنیک لیتوگرافی (Lithography) متداول ایجاد شده است به عنوان نانولیتوگرافی شناخته می شود [6-1].
2- معرفی لیتوگرافی :
لیتوگرافی یک واژه یونانی است که از دو قسمت لیتوس (Lithos) به معنای سنگ و گرافی (Graphia)به معنای نوشتن و حکاکی کردن، تشکیل شده است. با ترجمه کلمه به کلمه این واژه به صورت حکاکی بر روی سنگ معنی می شود [3]. این روش شامل تشکیل یک طرح لیتوگرافی از یک الگو روی یک ماده الکترونیک و انتقال آن طرح به ماده‌ای دیگر جهت تولید یک ابزار الکترونیکی یا نوری می باشد [6-1].
3- تقسیم بندی روش های لیتوگرافی:
تکنیک‌های لیتوگرافی را می‌توان به شیوه‌های گوناگون دسته‌بندی کرد. البته در طول زمان با پیشرفت ابزارها و ظهور تکنولوژی‌های جدید، این تکنیک به صورت روش‌های بسیار پیچیده و دقیق به تحت عنوان نانولیتوگرافی، برای معماری در ابعاد مولکولی و نانو توسعه داده شده‌اند؛ به طوری که در دهه های اخیر از این روش به طور وسیع برای ساخت مدارهای مجتمع، ابزارهای ذخیره اطلاعات، سنسورهای مینیاتوریزه شده، سیستم های میکروالکترومکانیک (MEMS) و نانوالکترومکانیک (NEMS) تراشه های زیستی استفاده می شود [6-1].
تکنیک های لیتوگرافی بر اساس ابزار مورد نیاز، روش انتقال تصویر و استراتژی الگوگذاری به دو روش تقسیم می‌شوند، که شامل نوشتن(حکاکی) مستقیم و یا انتقال طرح با استفاده از ماسک نوری با روش های متداول تابش و برخی روش های توسعه یافته می باشد. روش اول تحت عنوان حکاکی ردیفی (Serial Writing) و روش دوم به عنوان روش های تکرار موازی (Parallel Replication ) شناخته می شوند [3-1].
روش های تکرار موازی شامل روش هایی همچون لیتوگرافی نوری، چاپ تماسی و لیتوگرافی مهر نانو می باشد که برای تولید با بازده بالا و در سطح وسیع کاربرد دارند، با این حال در این روش نمی توان طرح ها را به صورت دلخواه اعمال کرد [3-1]. به عنوان مثال، روش چاپ میکروتماسی یک روش شناخته شده برای انتقال مولکول ها از ماده مورد نظر برای ایجاد طرح به زیرلایه، در اثر تماس فیزیکی می باشد. مثالی از این روش در شکل 1 نشان داده شده است [2].
شکل 1 -تصویر شماتیکی از مولکول های alkanethiol از یک مهر الاستومری به زیرلایه [2] .
روش حکاکی ردیفی، مانند لیتوگرافی پروب روبشی، امکان تولید الگوهای دلخواه را با رزولوشن بالا و ثبت دقیق فراهم می کند، ولی بازده و خروجی محدودی دارد [2]. لیتوگرافی پروب روبشی (SPL= Scanning Probe Lithography) به تکنیک های بر پایه (SPM=Scanning Probe Microscopy) اطلاق می شود که طرح را بر روی زیرلایه با استفاده از روش های مختلف مانند خراش، نوشتن و تابش ایجاد می کنند. ساختار حاصل از این دستکاری (Manipulation) دارای ابعادی بین 100-10 نانومتر می باشد. سه نوع اصلی پروب برای تکنیک SPL وجود دارد که شامل:
(AFM=Atomic Force Microscopy)،
(STM=Scanning Tunneling Microscopy) و
( SNOM(Scanning Nearfield Optical Microscopy می باشند [3].
با بهبود رزولوشن حاصل از تکنیک لیتوگرافی به حدود چند نانومتر، از این روش برای مشخصه یابی سطوح نیز استفاده می شود. این فرآیند برای ایجاد الگو روی سطوح نیازمند ابزار و فناوری پیشرفته مانند یک نانو قلم به همراه جوهر مولکولی می باشد [3].
نکته قابل توجه دیگر این است که انتقالات انجام شده با روش های لیتوگرافی سبب افزایش دما تا بالای 100 درجه سانتیگراد می شود. این در حالی است که مواد زیستی در این دما غیرفعال می شوند. تکنیک های SPL نیاز به چنین دمایی ندارند و از این رو برای دستکاری مواد زیستی ونرم مناسب می باشند [3].
تکنیک‌های لیتوگرافی را می‌توان به شیوه‌های گوناگون دسته‌بندی کرد. البته در طول زمان با پیشرفت ابزارها و ظهور تکنولوژی‌های جدید، این تکنیک به صورت روش‌های بسیار پیچیده و دقیق به تحت عنوان نانولیتوگرافی، برای معماری در ابعاد مولکولی و نانو توسعه داده شده‌اند؛ به طوری که در دهه های اخیر از این روش به طور وسیع برای ساخت مدارهای مجتمع، ابزارهای ذخیره اطلاعات، سنسورهای مینیاتوریزه شده، سیستم های میکروالکترومکانیک (MEMS) و نانوالکترومکانیک (NEMS) تراشه های زیستی استفاده می شود [6-1].
تکنیک های لیتوگرافی بر اساس ابزار مورد نیاز، روش انتقال تصویر و استراتژی الگوگذاری به دو روش تقسیم می‌شوند، که شامل نوشتن(حکاکی) مستقیم و یا انتقال طرح با استفاده از ماسک نوری با روش های متداول تابش و برخی روش های توسعه یافته می باشد. روش اول تحت عنوان حکاکی ردیفی (Serial Writing) و روش دوم به عنوان روش های تکرار موازی (Parallel Replication ) شناخته می شوند [3-1].
روش های تکرار موازی شامل روش هایی همچون لیتوگرافی نوری، چاپ تماسی و لیتوگرافی مهر نانو می باشد که برای تولید با بازده بالا و در سطح وسیع کاربرد دارند، با این حال در این روش نمی توان طرح ها را به صورت دلخواه اعمال کرد [3-1]. به عنوان مثال، روش چاپ میکروتماسی یک روش شناخته شده برای انتقال مولکول ها از ماده مورد نظر برای ایجاد طرح به زیرلایه، در اثر تماس فیزیکی می باشد. مثالی از این روش در شکل 1 نشان داده شده است [2].
شکل 1 -تصویر شماتیکی از مولکول های alkanethiol از یک مهر الاستومری به زیرلایه [2] .
روش حکاکی ردیفی، مانند لیتوگرافی پروب روبشی، امکان تولید الگوهای دلخواه را با رزولوشن بالا و ثبت دقیق فراهم می کند، ولی بازده و خروجی محدودی دارد [2]. لیتوگرافی پروب روبشی (SPL= Scanning Probe Lithography) به تکنیک های بر پایه (SPM=Scanning Probe Microscopy) اطلاق می شود که طرح را بر روی زیرلایه با استفاده از روش های مختلف مانند خراش، نوشتن و تابش ایجاد می کنند. ساختار حاصل از این دستکاری (Manipulation) دارای ابعادی بین 100-10 نانومتر می باشد. سه نوع اصلی پروب برای تکنیک SPL وجود دارد که شامل:
(AFM=Atomic Force Microscopy)،
(STM=Scanning Tunneling Microscopy) و
( SNOM(Scanning Nearfield Optical Microscopy می باشند [3].
با بهبود رزولوشن حاصل از تکنیک لیتوگرافی به حدود چند نانومتر، از این روش برای مشخصه یابی سطوح نیز استفاده می شود. این فرآیند برای ایجاد الگو روی سطوح نیازمند ابزار و فناوری پیشرفته مانند یک نانو قلم به همراه جوهر مولکولی می باشد [3].
نکته قابل توجه دیگر این است که انتقالات انجام شده با روش های لیتوگرافی سبب افزایش دما تا بالای 100 درجه سانتیگراد می شود. این در حالی است که مواد زیستی در این دما غیرفعال می شوند. تکنیک های SPL نیاز به چنین دمایی ندارند و از این رو برای دستکاری مواد زیستی ونرم مناسب می باشند [3].
3-1- لیتوگرافی نوری:
قدیمی ترین روش برای ایجاد طرح، لیتوگرافی نوری است؛ به طوری که صنعت نیمه هادی‌ها، به لیتوگرافی اشعه ماوراء بنفش وابسته است. در این فرآیند، الگو در یک لایه تصویری که ماده مقاوم (Resist) نامیده می شود، تشکیل میگردد. این لایه مقاوم حساس به نور بر روی زیرلایه ای از جنس نیمه هادی (به عنوان مثال ویفر سیلیکونی) قرار گرفته و سطح آن را می پوشاند. برای پوشش سطح با ماده مقاوم، مقدار کمی از آن به شکل محلول مایع روی سطح زیرلایه توزیع می شود. سپس زیرلایه تحت سرعت بالایی حول محور خودش چرخانده می شود، که در طی آن ماده اضافی از سیستم خارج شده و محلول نیز تبخیر می شود. درنتیجه لایه نازکی از ماده مقاوم جامد (2-0.1 میکرون) روی سطح زیرلایه شکل می گیرد. برای متراکم نمودن ماده مقاوم و همچنین خروج حلال باقیمانده، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم تحت یک عملیات حرارتی به عنوان پخت، قرار می گیرد. پس از این مرحله، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم برای ایجاد طرح آماده است [7-1].
چندرسانه ای 1 تفاوت این دو روش لیتوگرافی را نشان می دهد.
برای ایجاد طرح، مناطقی از ماده مقاوم به صورت انتخابی تحت تابش اشعه قرار می گیرد. در طی فرآیند تابش، اشعه ماوراءبنفش از میان ماسک نوری (معمولاً از جنس کوارتز) عبور می کند که این ماسک اجازه عبور نور را بر اساس طرح مدار مورد نظر به ماده مقاوم فراهم می کند. واکنش های ایجاد شده در ماده مقاوم در اثر تابش، اتصالات مولکولی را در آن تغییر می دهد. پس از آن، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم و در معرض تابش قرار گرفته، در یک حلال مناسب شستشو داده شده و طرح مورد نظر در اثر فرآیند اچ ایجاد می گردد. با تکرار این فرآیند امکان تشکیل طرح های پیچیده روی سطح فراهم می شود [7-1].
در این روش ماده مقاوم، لایه‌ای از تصویر را تشکیل می دهد که روی سطح زیرلایه قرار می گیرد. در طی فرآیند لیتوگرافی یک تغییر شیمیایی در خلال تابش موضعی در ماده حساس به تابش ایجاد می شود. مقاوم های تجاری موادی پلیمری هستند که به راحتی روی زیرلایه قرار می‌گیرند. همچنین این مواد انعطاف پذیر بوده و حساسیت بالایی دارند. در اثر تابش، وزن مولکولی پلیمر و در نتیجه قابلیت انحلال آن در حلال تغییر می کند. تغییر حلالیت به علت برش زنجیر (مقاوم مثبت) و یا اتصال عرضی (مقاوم منفی) در پلیمر می¬باشد. در مورد مقاوم مثبت، با برش ایجاد شده در اثر تابش، انحلال افزایش می یابد و در مورد مقاوم منفی، قابلیت انحلال در اثر تابش کم می شود(چندرسانه ای 1) [5-1]. به طور مثال (PMMA(polymethylmethacrylate یکی از انواع مقاوم های مثبت می باشد. به هر حال مقاوم های منفی رزولوشن و کانتراست کمتری نسبت به مقاوم های مثبت دارند. مواد مقاوم غیرآلی نیز مانند نمک های هالید فلزی، اکسیدهای فلزی و اکسیدهای نیمه هادی وجود دارند [1].
شکل 3 - تصویر شماتیکی از لیتوگرافی نوری [5].
قدیمی ترین روش برای ایجاد طرح، لیتوگرافی نوری است؛ به طوری که صنعت نیمه هادی‌ها، به لیتوگرافی اشعه ماوراء بنفش وابسته است. در این فرآیند، الگو در یک لایه تصویری که ماده مقاوم (Resist) نامیده می شود، تشکیل میگردد. این لایه مقاوم حساس به نور بر روی زیرلایه ای از جنس نیمه هادی (به عنوان مثال ویفر سیلیکونی) قرار گرفته و سطح آن را می پوشاند. برای پوشش سطح با ماده مقاوم، مقدار کمی از آن به شکل محلول مایع روی سطح زیرلایه توزیع می شود. سپس زیرلایه تحت سرعت بالایی حول محور خودش چرخانده می شود، که در طی آن ماده اضافی از سیستم خارج شده و محلول نیز تبخیر می شود. درنتیجه لایه نازکی از ماده مقاوم جامد (2-0.1 میکرون) روی سطح زیرلایه شکل می گیرد. برای متراکم نمودن ماده مقاوم و همچنین خروج حلال باقیمانده، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم تحت یک عملیات حرارتی به عنوان پخت، قرار می گیرد. پس از این مرحله، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم برای ایجاد طرح آماده است [7-1].
چندرسانه ای 1 تفاوت این دو روش لیتوگرافی را نشان می دهد.
شکل 2 - پوشش سطح زیرلایه توسط ماده مقاوم [7].
برای ایجاد طرح، مناطقی از ماده مقاوم به صورت انتخابی تحت تابش اشعه قرار می گیرد. در طی فرآیند تابش، اشعه ماوراءبنفش از میان ماسک نوری (معمولاً از جنس کوارتز) عبور می کند که این ماسک اجازه عبور نور را بر اساس طرح مدار مورد نظر به ماده مقاوم فراهم می کند. واکنش های ایجاد شده در ماده مقاوم در اثر تابش، اتصالات مولکولی را در آن تغییر می دهد. پس از آن، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم و در معرض تابش قرار گرفته، در یک حلال مناسب شستشو داده شده و طرح مورد نظر در اثر فرآیند اچ ایجاد می گردد. با تکرار این فرآیند امکان تشکیل طرح های پیچیده روی سطح فراهم می شود [7-1].
در این روش ماده مقاوم، لایه‌ای از تصویر را تشکیل می دهد که روی سطح زیرلایه قرار می گیرد. در طی فرآیند لیتوگرافی یک تغییر شیمیایی در خلال تابش موضعی در ماده حساس به تابش ایجاد می شود. مقاوم های تجاری موادی پلیمری هستند که به راحتی روی زیرلایه قرار می‌گیرند. همچنین این مواد انعطاف پذیر بوده و حساسیت بالایی دارند. در اثر تابش، وزن مولکولی پلیمر و در نتیجه قابلیت انحلال آن در حلال تغییر می کند. تغییر حلالیت به علت برش زنجیر (مقاوم مثبت) و یا اتصال عرضی (مقاوم منفی) در پلیمر می¬باشد. در مورد مقاوم مثبت، با برش ایجاد شده در اثر تابش، انحلال افزایش می یابد و در مورد مقاوم منفی، قابلیت انحلال در اثر تابش کم می شود(چندرسانه ای 1) [5-1]. به طور مثال (PMMA(polymethylmethacrylate یکی از انواع مقاوم های مثبت می باشد. به هر حال مقاوم های منفی رزولوشن و کانتراست کمتری نسبت به مقاوم های مثبت دارند. مواد مقاوم غیرآلی نیز مانند نمک های هالید فلزی، اکسیدهای فلزی و اکسیدهای نیمه هادی وجود دارند [1].
شکل 3 - تصویر شماتیکی از لیتوگرافی نوری [5].
3-2- محدودیت لیتوگرافی نوری:
محدودیت ذاتی تکنیک لیتوگرافی در تولید ابعاد مورد نظر، از محدودیت رزولوشن تکنیک های نوری نشأت می‌گیرد. رزولوشن در یک سیستم متناسب با طول موج اشعه استفاده شده است. به عبارت بهتر طول موج منبع نوری، کوچکترین اندازه قابل دستیابی را برای ابزار تعیین می کند. بر اساس منبع تابش، حداقل اندازه طرح قابل دستیابی (MFS= Minimum Feature Size) از رابطه زیر بدست می آید:
در این رابطه K یک عدد ثابت است که به کانتراست و سایر ویژگی های ماده مقاوم و حساس به نور مورد استفاده وابسته است. λ طول موج تابش و NA سنجش ظرفیت گردآوری نور (Numerical Aperture ) است که به صورت سینوس زاویه گردآوری لنز تعریف می شود و مقیاسی از اندازه لنزهای سیستم می باشد [7،3،4].
2-2- توسعه روش های لیتوگرافی:
جهت دستیابی به رزولوشن بالاتر و ابعاد کوچکتر در مقیاس نانو، نیاز است که طول موج نور مورد استفاده کاهش یابد. جهت غلبه بر این مشکل، روش های دیگر لیتوگرافی مانند روش های مبتنی بر استفاده از باریکه ذرات، توسعه پیدا کردند. در این روش‌ها یون ها، الکترون ها یا اتم های خنثی برای جدا کردن بخشی از سطح استفاده می شوند. بنابراین تولید ساختارهایی با ابعاد کوچکتر با استفاده از لیتوگرافی حد نهایی اشعه ماوراء بنفش (EUV= Extreme UltraViolet Lithography )، لیتوگرافی اشعه X، لیتوگرافی باریکه الکترونی (EBL= Electron Beam Lithography) ، لیتوگرافی باریکه یونی متمرکز شده (FIB= Focused Ion Beam Lithography) ، لیتوگرافی میکروسکوپ پروب روبشی و روش های بر پایه مهر (استامپ) امکان پذیر میگردد [6-1].
لیتوگرافی حد نهایی اشعه ماوراء بنفش و اشعه X، مانند لیتوگرافی نوری از امواج الکترومغناطیس ماوراء بنفش و X با انرژی بالا استفاده می کنند و روند کار مشابه لیتوگرافی نوری است، ولی بدلیل انرژی بالای این دو طیف، نیاز به چیدمانی از مواد مقاوم با قابلیت خاص و اپتیک ویژه می باشد [7].
لیتوگرافی باریکه الکترونی، از ستونی از الکترون ها با انرژی قابل کنترل و تغییر، با کمک میکروسکوپ الکترونی، برای لیتوگرافی استفاده می کند، که به طور کامل در بخش های بعدی درباره آن بحث خواهیم کرد.
محدودیت ذاتی تکنیک لیتوگرافی در تولید ابعاد مورد نظر، از محدودیت رزولوشن تکنیک های نوری نشأت می‌گیرد. رزولوشن در یک سیستم متناسب با طول موج اشعه استفاده شده است. به عبارت بهتر طول موج منبع نوری، کوچکترین اندازه قابل دستیابی را برای ابزار تعیین می کند. بر اساس منبع تابش، حداقل اندازه طرح قابل دستیابی (MFS= Minimum Feature Size) از رابطه زیر بدست می آید:
در این رابطه K یک عدد ثابت است که به کانتراست و سایر ویژگی های ماده مقاوم و حساس به نور مورد استفاده وابسته است. λ طول موج تابش و NA سنجش ظرفیت گردآوری نور (Numerical Aperture ) است که به صورت سینوس زاویه گردآوری لنز تعریف می شود و مقیاسی از اندازه لنزهای سیستم می باشد [7،3،4].
2-2- توسعه روش های لیتوگرافی:
جهت دستیابی به رزولوشن بالاتر و ابعاد کوچکتر در مقیاس نانو، نیاز است که طول موج نور مورد استفاده کاهش یابد. جهت غلبه بر این مشکل، روش های دیگر لیتوگرافی مانند روش های مبتنی بر استفاده از باریکه ذرات، توسعه پیدا کردند. در این روش‌ها یون ها، الکترون ها یا اتم های خنثی برای جدا کردن بخشی از سطح استفاده می شوند. بنابراین تولید ساختارهایی با ابعاد کوچکتر با استفاده از لیتوگرافی حد نهایی اشعه ماوراء بنفش (EUV= Extreme UltraViolet Lithography )، لیتوگرافی اشعه X، لیتوگرافی باریکه الکترونی (EBL= Electron Beam Lithography) ، لیتوگرافی باریکه یونی متمرکز شده (FIB= Focused Ion Beam Lithography) ، لیتوگرافی میکروسکوپ پروب روبشی و روش های بر پایه مهر (استامپ) امکان پذیر میگردد [6-1].
لیتوگرافی حد نهایی اشعه ماوراء بنفش و اشعه X، مانند لیتوگرافی نوری از امواج الکترومغناطیس ماوراء بنفش و X با انرژی بالا استفاده می کنند و روند کار مشابه لیتوگرافی نوری است، ولی بدلیل انرژی بالای این دو طیف، نیاز به چیدمانی از مواد مقاوم با قابلیت خاص و اپتیک ویژه می باشد [7].
لیتوگرافی باریکه الکترونی، از ستونی از الکترون ها با انرژی قابل کنترل و تغییر، با کمک میکروسکوپ الکترونی، برای لیتوگرافی استفاده می کند، که به طور کامل در بخش های بعدی درباره آن بحث خواهیم کرد.
لیتوگرافی باریکه یونی متمرکز شده، از باریکه یونی متمرکزشده گوسین برای حکاکی استفاده می کند. مهمترین مزیت این روش تطبیق پذیری بالای آن است، به نحوی که طرح های لیتوگرافی می توانند با فرآیندهایی شامل تابش یونی به یک ماده مقاوم، آسیاکاری یونی، اچ القا شده یونی یا کاشت یونی در مناطق مورد نظر ایجاد شوند. ابعاد این طرح ها می تواند به زیر 100 نانومتر نیز برسد. چندرسانه ای 3 تفاوت لیتوگرافی اشعه ماوراء بنفش را با لیتوگرافی باریکه یونی متمرکز شده نشان می¬دهد. چندرسانه ای 4 نیز تکنیک کاشت یونی را نشان می دهد [1].
لیتوگرافی بر اساس مهر یک روش غیرتابشی است، که اصولاً یک روش قالبگیری میکرونی می باشد. ابتدا باید الگویی از طرح ایجاد شود. در مورد لیتوگرافی مهر نانو این الگو از جنس نیکل یا سیلیکون می باشد. برای ایجاد طرح بر روی زیرلایه، مقدار کمی از یک مایع بر روی سطح توزیع می شود و الگو بر روی آن، در اثر اعمال فشار مهر شده و سپس طرح بر روی زیرلایه ثابت می شود [7].
نتیجه گیری :
لیتوگرافی، روشی با قابلیت تولید نانوساختارها با کیفیت و دقت ابعادی مناسب می باشد. بر اساس ابزار به کار رفته برای ایجاد طرح مورد نظر؛ دقت، رزولوشن طرح و ابعاد قابل دستیابی متفاوت است. برای رسیدن به ابعاد کوچکتر و دقت ابعادی بالاتر، روش هایی همچون لیتوگرافی پروب روبشی و یا لیتوگرافی با اشعه X و باریکه الکترونی توسعه داده شده اند. با این حال، این روش ها نسبت به لیتوگرافی نوری پر هزینه تر بوده و قابلیت تولید انبوه را ندارند، و محققان در تلاش هستند تا بتوانند از این تکنیک ها در تولید انبوه ابزارهای الکترونیک با کیفیت بالا استفاده کنند.
لیتوگرافی بر اساس مهر یک روش غیرتابشی است، که اصولاً یک روش قالبگیری میکرونی می باشد. ابتدا باید الگویی از طرح ایجاد شود. در مورد لیتوگرافی مهر نانو این الگو از جنس نیکل یا سیلیکون می باشد. برای ایجاد طرح بر روی زیرلایه، مقدار کمی از یک مایع بر روی سطح توزیع می شود و الگو بر روی آن، در اثر اعمال فشار مهر شده و سپس طرح بر روی زیرلایه ثابت می شود [7].
شکل 4 - نمایی شماتیک از فرآیند لیتوگرافی بر پایه مهر [7]. (قابل حذف مشابه به چاپ میکرو تماسی)
نتیجه گیری :
لیتوگرافی، روشی با قابلیت تولید نانوساختارها با کیفیت و دقت ابعادی مناسب می باشد. بر اساس ابزار به کار رفته برای ایجاد طرح مورد نظر؛ دقت، رزولوشن طرح و ابعاد قابل دستیابی متفاوت است. برای رسیدن به ابعاد کوچکتر و دقت ابعادی بالاتر، روش هایی همچون لیتوگرافی پروب روبشی و یا لیتوگرافی با اشعه X و باریکه الکترونی توسعه داده شده اند. با این حال، این روش ها نسبت به لیتوگرافی نوری پر هزینه تر بوده و قابلیت تولید انبوه را ندارند، و محققان در تلاش هستند تا بتوانند از این تکنیک ها در تولید انبوه ابزارهای الکترونیک با کیفیت بالا استفاده کنند.
لیتوگرافی باریکه الکترونی
لیتوگرافی باریکه الکترونی
همانطور که در مقاله گذشته اشاره شد، لیتوگرافی نوری به علت استفاده از امواج الکترومغناطیس با طول موج مشخص، رزولوشن محدودی دارد و بنابراین در تولید مواد نانو قابلیت کافی را ندارد. از طرفی با استفاده از باریکه الکترونی با قابلیت تنظیم انرژی و طول موج حرکت الکترون ها، می توان به رزولوشن های بالا دست یافت. در این مقاله، ابتدا روش لیتوگرافی باریکه الکترونی و انواع آن شرح داده شده و در ادامه، برخی از کاربردها و محدودیت های این روش بیان می گردد.
لیتوگرافی باریکه الکترونی
همانطور که در مقاله گذشته اشاره شد، لیتوگرافی نوری به علت استفاده از امواج الکترومغناطیس با طول موج مشخص، رزولوشن محدودی دارد و بنابراین در تولید مواد نانو قابلیت کافی را ندارد. از طرفی با استفاده از باریکه الکترونی با قابلیت تنظیم انرژی و طول موج حرکت الکترون ها، می توان به رزولوشن های بالا دست یافت. در این مقاله، ابتدا روش لیتوگرافی باریکه الکترونی و انواع آن شرح داده شده و در ادامه، برخی از کاربردها و محدودیت های این روش بیان می گردد.
1- مقدمه:
یکی از تکنولوژی‌های جدید در حوزه لیتوگرافی، استفاده از میکروسکوپ‌های الکتریکی جهت تولید باریکه الکترونی می‌باشد [1]. شاید بتوان اولین تفکر در زمینه کاربرد میکروسکوپ الکترونی در ساخت ابزار نانو مقیاس را به صحبت‌های ریچارد فایمن در سال 1950 ارتباط داد که اظهار کرد "فضای زیادی در پایین وجود دارد" [3و2]. لیتوگرافی باریکه الکترونی (EBL= Electron Beam Lithography) یک روش بسیار دقیق با رزولوشن بسیار بالا برای ایجاد طرح می باشد. در این روش از یک باریکه الکترونی به خوبی متمرکز شده با انرژی 300-2 کیلوالکترون ولت، تولید شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری، برای ایجاد طرح های خطی ظریف بر روی ماده نیمه هادی پوشش داده شده با ماده مقاوم، استفاده می شود [7-3].
با وجود جرم بسیارکم الکترون ها و وجود نسبت بالای بار به جرم آنها، امکان متمرکز کردن و هدایت آنها با استفاده از میدان های نسبتاً کم مغناطیسی و الکتریکی فراهم شده است [4و3]. هرچه انرژی باریکه افزایش یابد، طول موج آن کاهش پیدا می¬کند. این موضوع سبب بهبود در میزان رزولوشن نهایی می شود. با این حال رزولوشن یا همان ابعاد ساختار قابل دستیابی با روش باریکه الکترونی، به حدود چند نانومتر محدود می شود، که بیشتر به علت محدودیت ماده مقاوم می باشد. به عنوان مثال اگر امکان متمرکز کردن باریکه الکترونی برای رسیدن به رزولوشنی در حدود 0.5 نانومتر میسر شود، ماده مقاوم به تنهایی رزولوشن نهایی را به حدود 5 نانومتر محدود می کند [5و4]. یک خصوصیت مهم ماده مقاوم برای ایجاد طرح با رزولوشن بالا، کنتراست می باشد؛ زیرا امکان ایجاد تغیرات کوچک در ضخامت نواحی تحت تابش، با استفاده از مواد مقاوم با کنتراست بالا (مثبت) فراهم می شود [3].
یکی از تکنولوژی‌های جدید در حوزه لیتوگرافی، استفاده از میکروسکوپ‌های الکتریکی جهت تولید باریکه الکترونی می‌باشد [1]. شاید بتوان اولین تفکر در زمینه کاربرد میکروسکوپ الکترونی در ساخت ابزار نانو مقیاس را به صحبت‌های ریچارد فایمن در سال 1950 ارتباط داد که اظهار کرد "فضای زیادی در پایین وجود دارد" [3و2]. لیتوگرافی باریکه الکترونی (EBL= Electron Beam Lithography) یک روش بسیار دقیق با رزولوشن بسیار بالا برای ایجاد طرح می باشد. در این روش از یک باریکه الکترونی به خوبی متمرکز شده با انرژی 300-2 کیلوالکترون ولت، تولید شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری، برای ایجاد طرح های خطی ظریف بر روی ماده نیمه هادی پوشش داده شده با ماده مقاوم، استفاده می شود [7-3].
با وجود جرم بسیارکم الکترون ها و وجود نسبت بالای بار به جرم آنها، امکان متمرکز کردن و هدایت آنها با استفاده از میدان های نسبتاً کم مغناطیسی و الکتریکی فراهم شده است [4و3]. هرچه انرژی باریکه افزایش یابد، طول موج آن کاهش پیدا می¬کند. این موضوع سبب بهبود در میزان رزولوشن نهایی می شود. با این حال رزولوشن یا همان ابعاد ساختار قابل دستیابی با روش باریکه الکترونی، به حدود چند نانومتر محدود می شود، که بیشتر به علت محدودیت ماده مقاوم می باشد. به عنوان مثال اگر امکان متمرکز کردن باریکه الکترونی برای رسیدن به رزولوشنی در حدود 0.5 نانومتر میسر شود، ماده مقاوم به تنهایی رزولوشن نهایی را به حدود 5 نانومتر محدود می کند [5و4]. یک خصوصیت مهم ماده مقاوم برای ایجاد طرح با رزولوشن بالا، کنتراست می باشد؛ زیرا امکان ایجاد تغیرات کوچک در ضخامت نواحی تحت تابش، با استفاده از مواد مقاوم با کنتراست بالا (مثبت) فراهم می شود [3].
2- انواع لیتوگرافی باریکه الکترونی:
نانولیتوگرافی باریکه الکترونی اغلب به دو صورت روش تابش غیر مستقیم و انتقال طرح؛ و روش حکاکی مستقیم (DWEB= Direct Writing Electron Beam) به کار می رود [5و1].
2-1- روش حکاکی مستقیم:
حالت حکاکی مستقیم امکان ایجاد طرح را با استفاده از یک فایل داده فراهم می کند و به عنوان روشی برای ساخت ماسک های مورد استفاده در لیتوگرافی به کار می رود [5و3]. اولین شکل از روش حکاکی مستقیم با باریکه الکترونی، توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی تحت کنترل کامپیوتر یا پوینده نقطه ای تندرو ( Flying Spot Scanner) برای انتقال اطلاعات طرح انجام گرفت. شکل 1 و چندرسانه ای 2 تصویر شماتیک از این روش را بر پایه میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان می دهد [6و5و2].
شکل 1 - تصویر شماتیکی از سیستم لیتوگرافی باریکه الکترونی بر پایه میکروسکوپ الکترونی روبشی [5].
امروزه با پیشرفت میکروسکوپ های الکترونی، باریکه های الکترونی با شعاع کمتر از 10 نانومتر تولید می شوند که به ماده مقاوم حساس به الکترون تابیده می شوند. این سیستم ها، به علت شدت پروفایل باریکه، معمولاً تحت عنوان سیستم های باریکه گوسین شناخته می شوند. الکترون های نشر یافته از منبع، متمرکز می شوند و با استفاده از لنزهای مغناطیسی و دریچه ها، بر اساس پروفایل گوسین، به شکل یک نقطه درمی آیند، که مشخصات آن وابسته به جریان و تعداد دریچه ها و لنزها می باشد. همچنین در این سیستم از صفحات الکترواستاتیک و یا سیم-پیچ های مغناطیسی انکساری برای منحرف کردن باریکه استفاده می شود. معمولاٌ یک منحرف کننده در زمان های مناسب، فاصله ای را به صورت خاموش و روشن کردن باریکه در ستون الکترونی ایجاد می کند، در حالی که سایر منحرف کننده ها برای روبش الکترون در امتداد نمونه استفاده می شوند [3و2].
نانولیتوگرافی باریکه الکترونی اغلب به دو صورت روش تابش غیر مستقیم و انتقال طرح؛ و روش حکاکی مستقیم (DWEB= Direct Writing Electron Beam) به کار می رود [5و1].
2-1- روش حکاکی مستقیم:
حالت حکاکی مستقیم امکان ایجاد طرح را با استفاده از یک فایل داده فراهم می کند و به عنوان روشی برای ساخت ماسک های مورد استفاده در لیتوگرافی به کار می رود [5و3]. اولین شکل از روش حکاکی مستقیم با باریکه الکترونی، توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی تحت کنترل کامپیوتر یا پوینده نقطه ای تندرو ( Flying Spot Scanner) برای انتقال اطلاعات طرح انجام گرفت. شکل 1 و چندرسانه ای 2 تصویر شماتیک از این روش را بر پایه میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان می دهد [6و5و2].
شکل 1 - تصویر شماتیکی از سیستم لیتوگرافی باریکه الکترونی بر پایه میکروسکوپ الکترونی روبشی [5].
امروزه با پیشرفت میکروسکوپ های الکترونی، باریکه های الکترونی با شعاع کمتر از 10 نانومتر تولید می شوند که به ماده مقاوم حساس به الکترون تابیده می شوند. این سیستم ها، به علت شدت پروفایل باریکه، معمولاً تحت عنوان سیستم های باریکه گوسین شناخته می شوند. الکترون های نشر یافته از منبع، متمرکز می شوند و با استفاده از لنزهای مغناطیسی و دریچه ها، بر اساس پروفایل گوسین، به شکل یک نقطه درمی آیند، که مشخصات آن وابسته به جریان و تعداد دریچه ها و لنزها می باشد. همچنین در این سیستم از صفحات الکترواستاتیک و یا سیم-پیچ های مغناطیسی انکساری برای منحرف کردن باریکه استفاده می شود. معمولاٌ یک منحرف کننده در زمان های مناسب، فاصله ای را به صورت خاموش و روشن کردن باریکه در ستون الکترونی ایجاد می کند، در حالی که سایر منحرف کننده ها برای روبش الکترون در امتداد نمونه استفاده می شوند [3و2].
محدوده روبش باریکه الکترونی به علت انحراف و اعواج ایجاد شده توسط میدان های انکساری، به فواصل کوچکی محدود می شود. بنابراین برای پوشش دادن کل نمونه، نیاز به ترکیبی از حرکت مکانیکی نمونه و انکسار باریکه الکترونی می باشد. از لنزهای مغناطیسی به عنوان اپتیک های الکترونی، برای متمرکز کردن و شکل دادن باریکه الکترونی جهت لیتوگرافی استفاده می شود. قطر نهایی باریکه تحت تأثیر منبع تولید الکترون، عیوب انکساری لنزها، عیوب هندسی و اثرات بار فضایی ناشی از دفع الکترون ها می باشد [2].
سیستم های باریکه الکترونی شکل گرفته، در 1970 برای بهبود خروجی DWEB توسعه داده شدند. در این سیستم، جریان از منبع به یک دریچه شکل دهی وارد می شود. سپس از یک منحرف کننده باریکه عبور کرده و بر روی دریچه شکل دهی دوم تصویر می شود و بدون هیچ گونه انحرافی، باریکه شکل گرفته با جریان نسبتاً بالا بر روی ویفر قرار می گیرد. در این روش، طرح های پیچیده تر با قرار دادن ساختارهای بزرگتر در زمان کوتاهتری ایجاد می شوند. با این حال رزولوشن بدست آمده از سیستم باریکه شکل گرفته، کمتر از سیستم گوسین است. بنابراین برای نانولیتوگرافی بیشتر از سیستم گوسین استفاده می شود، ولی برای تولید صنعتی با قیمت کمتر، از سیستم باریکه شکل گرفته استفاده می شود [3و2].
توسعه لیتوگرافی باریکه شکل گرفته، منجر به ایجاد سیستم های باریکه تصویری ساختاری یا سلولی گردید. در این مورد، دریچه ها به شکل الگوهای مداری تکرارشونده (سلول) ساخته می شوند. این سیستم برای تولید طرح های پیشرفته با ابعاد بزرگتر از 100 نانومتر و بازده متوسط به کار می رود. در سیستم تک باریکه الکترونی برای حکاکی مستقیم، دقت و توانایی زیادی برای تولید مدار مجتمع و ساختارهایی با اندازه کوچک وجود دارد ولی روشی پر هزینه و زمان بر می باشد [8]. شکل 2 و چندرسانه ای 3 و 4 نمایی از این سیستم ها و توسعه آنها را نشان می دهد [2].
سیستم های باریکه الکترونی شکل گرفته، در 1970 برای بهبود خروجی DWEB توسعه داده شدند. در این سیستم، جریان از منبع به یک دریچه شکل دهی وارد می شود. سپس از یک منحرف کننده باریکه عبور کرده و بر روی دریچه شکل دهی دوم تصویر می شود و بدون هیچ گونه انحرافی، باریکه شکل گرفته با جریان نسبتاً بالا بر روی ویفر قرار می گیرد. در این روش، طرح های پیچیده تر با قرار دادن ساختارهای بزرگتر در زمان کوتاهتری ایجاد می شوند. با این حال رزولوشن بدست آمده از سیستم باریکه شکل گرفته، کمتر از سیستم گوسین است. بنابراین برای نانولیتوگرافی بیشتر از سیستم گوسین استفاده می شود، ولی برای تولید صنعتی با قیمت کمتر، از سیستم باریکه شکل گرفته استفاده می شود [3و2].
توسعه لیتوگرافی باریکه شکل گرفته، منجر به ایجاد سیستم های باریکه تصویری ساختاری یا سلولی گردید. در این مورد، دریچه ها به شکل الگوهای مداری تکرارشونده (سلول) ساخته می شوند. این سیستم برای تولید طرح های پیشرفته با ابعاد بزرگتر از 100 نانومتر و بازده متوسط به کار می رود. در سیستم تک باریکه الکترونی برای حکاکی مستقیم، دقت و توانایی زیادی برای تولید مدار مجتمع و ساختارهایی با اندازه کوچک وجود دارد ولی روشی پر هزینه و زمان بر می باشد [8]. شکل 2 و چندرسانه ای 3 و 4 نمایی از این سیستم ها و توسعه آنها را نشان می دهد [2].
شکل 2 - تصویر شماتیکی از باریکه گوسین، باریکه شکل گرفته و تصویر سلولی در حکاکی مستقیم [2].
2-2- روش غیرمستقیم:
روش دیگر لیتوگرافی باریکه الکترونی، روش غیر مستقیم یا چاپ تصویر (EPL= Electron Projection Lithography) می باشد.
تکنیک های تک باریکه متمرکزشده گوسین و باریکه شکل گرفته، برای تبدیل داده های ساختارهای زیرمیکرونی و نانومتری به ساختارهای دو بعدی، ایده آل هستند. هر دو تکنیک نیاز به زمان مشخصی برای پر کردن سطوح بزرگ با اجزای کوچک دارند. برای رفع مشکل زمان، روش های تابش موازی توسعه داده شدند که از ماسک هایی با طرح های مشخص با ابعاد ساختاری زیرمیکرونی تا نانومتری استفاده می کنند [8و5و4]. با این حال تولید باریکه های چند تایی نیاز به استفاده از ابزار دقیقی دارد و ساخت ماسک های مورد نیاز برای تولید چنین باریکه هایی هزینه بر است [8].
در تکنیک غیر مستقیم، باریکه الکترونی بر روی زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم در یک محیط خلأ (5-10 torr) متمرکز می شود. در این روش از یک ماسک برای انتقال کامل یا بخش اعظم یک طرح استفاده می-شود. این ماسک یک غشای جامد با حفرات مشخص است که طرح مورد نظر را ایجاد می کند (شابلون). باریکه در حالتی که طرح را منتقل می کند از حفرات ماسک عبور می کند. پس از انتقال طرح تعریف شده بر روی ماده مقاوم، این ماده از سیستم خارج شده و مابقی فرآیند مانند لیتوگرافی متداول ادامه می یابد. در این روش، دانسیته جریان کمتری نسبت به باریکه گوسین و باریکه شکل داده شده استفاده می شود. هرچه عمق نفوذ الکترون ها کاهش یابد، کاربر ناگزیر می شود تا از ماسک های غشایی بسیار نازک و یا شابلون هایی به صورت چند تکه، که باریکه می تواند از میان آنها عبور کند، استفاده کند [5 و2].
روش های متعددی برای تولید باریکه های چندنایی توسط Vistec، IMS و MAPPER پیشنهاد شدند که از تکنیک ماشین کاری میکرونی برای تولید باریکه هایی با اندازه قابل قبول استفاده کردند. در روش های Vistec و IMS از یک تک باریکه الکترونی برای تولید چند باریکه الکترونی 50 کیلوالکترون ولتی استفاده می شود. نمای شماتیکی از این روش در تصویر3 نشان داده شده است. یک دریچه آرایه ای برای جدا کردن باریکه های الکترونی استفاده می شود. برای جلوگیری از گرم شدن بیش از اندازه صفحه دریچه، انرژی الکترون های در حال عبور از دریچه کمتر از انرژی الکترون های متمرکز شده بر روی ویفر می باشد [8].
شکل 3- نمای شکاتیکی از تولید باریکه های الکترونی چندتایی از یک تک باریکه الکترونی [8].
در سیستم MAPPER باریکه چند تایی با استفاده از چیدمانی از دریچه ها، از یک تک باریکه الکترونی تشکیل شده و سپس این باریکه ها موازی می شوند. یک آرایه انکساری برای خاموش و روشن کردن باریکه ها و روبش آنها برای ایجاد طرح استفاده می شود. شکل 4 و چند رسانه ای 5 شماتیکی از این روش را نشان می دهند.
شکل 4 - تصویر شماتیکی از سیستم MAPPER از [8]
روش دیگر لیتوگرافی باریکه الکترونی، روش غیر مستقیم یا چاپ تصویر (EPL= Electron Projection Lithography) می باشد.
تکنیک های تک باریکه متمرکزشده گوسین و باریکه شکل گرفته، برای تبدیل داده های ساختارهای زیرمیکرونی و نانومتری به ساختارهای دو بعدی، ایده آل هستند. هر دو تکنیک نیاز به زمان مشخصی برای پر کردن سطوح بزرگ با اجزای کوچک دارند. برای رفع مشکل زمان، روش های تابش موازی توسعه داده شدند که از ماسک هایی با طرح های مشخص با ابعاد ساختاری زیرمیکرونی تا نانومتری استفاده می کنند [8و5و4]. با این حال تولید باریکه های چند تایی نیاز به استفاده از ابزار دقیقی دارد و ساخت ماسک های مورد نیاز برای تولید چنین باریکه هایی هزینه بر است [8].
در تکنیک غیر مستقیم، باریکه الکترونی بر روی زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم در یک محیط خلأ (5-10 torr) متمرکز می شود. در این روش از یک ماسک برای انتقال کامل یا بخش اعظم یک طرح استفاده می-شود. این ماسک یک غشای جامد با حفرات مشخص است که طرح مورد نظر را ایجاد می کند (شابلون). باریکه در حالتی که طرح را منتقل می کند از حفرات ماسک عبور می کند. پس از انتقال طرح تعریف شده بر روی ماده مقاوم، این ماده از سیستم خارج شده و مابقی فرآیند مانند لیتوگرافی متداول ادامه می یابد. در این روش، دانسیته جریان کمتری نسبت به باریکه گوسین و باریکه شکل داده شده استفاده می شود. هرچه عمق نفوذ الکترون ها کاهش یابد، کاربر ناگزیر می شود تا از ماسک های غشایی بسیار نازک و یا شابلون هایی به صورت چند تکه، که باریکه می تواند از میان آنها عبور کند، استفاده کند [5 و2].
روش های متعددی برای تولید باریکه های چندنایی توسط Vistec، IMS و MAPPER پیشنهاد شدند که از تکنیک ماشین کاری میکرونی برای تولید باریکه هایی با اندازه قابل قبول استفاده کردند. در روش های Vistec و IMS از یک تک باریکه الکترونی برای تولید چند باریکه الکترونی 50 کیلوالکترون ولتی استفاده می شود. نمای شماتیکی از این روش در تصویر3 نشان داده شده است. یک دریچه آرایه ای برای جدا کردن باریکه های الکترونی استفاده می شود. برای جلوگیری از گرم شدن بیش از اندازه صفحه دریچه، انرژی الکترون های در حال عبور از دریچه کمتر از انرژی الکترون های متمرکز شده بر روی ویفر می باشد [8].
شکل 3- نمای شکاتیکی از تولید باریکه های الکترونی چندتایی از یک تک باریکه الکترونی [8].
در سیستم MAPPER باریکه چند تایی با استفاده از چیدمانی از دریچه ها، از یک تک باریکه الکترونی تشکیل شده و سپس این باریکه ها موازی می شوند. یک آرایه انکساری برای خاموش و روشن کردن باریکه ها و روبش آنها برای ایجاد طرح استفاده می شود. شکل 4 و چند رسانه ای 5 شماتیکی از این روش را نشان می دهند.
شکل 4 - تصویر شماتیکی از سیستم MAPPER از [8]
3- کاربرد:
از تکنیک EBL برای ساخت انواع مدار مجتمع با رزولوشن بالا استفاده می شود. همچنین از این روش در ساخت ابزار فوتونیک نظیر موج برهای نوری با پراکندگی نوری کم، اپتیک اشعه X ، ابزار الکترونیکی با قابلیت کار در فرکانس های بالا، نانولوله ها، نانوفیبرها و نانوسیم ها استفاده می شود [3].
شکل 5 - گیت کمربندی با عرض 300 نانومتر در تماس با نانوسیم های 28 نانومتری (IBM) از [3].
یکی از کاربردهای اصلی این تکنیک ساخت ماسک های نوری می باشد. این ماسک ها معمولاً با استفاده از باریکه شکل گرفته و بر روی یک زیرلایه کوارتزی ساخته می شوند که شفافیت خوبی در ناحیه فرابنفش از خود نشان می‌دهد. این همان ناحیه مورد استفاده برای لیتوگرافی نوری می باشد. ماسک ها با قرارگیری یک لایه کروم بر روی صفحه شیشه کوارتزی ساخته می شوند. لایه حساس به باریکه الکترونی پوشش داده شده در معرض تابش باریکه قرار گرفته و طرح مورد نظر روی آن ایجاد می شود. در نهایت لایه کروم به صورت انتخابی، در نواحی طرح گذاری شده برای تولید ماسک، اچ می شود [5].
شکل 6-ساخت ماسک های لیتوگرافی
از این تکنیک همچنین برای تولید ماسک های مورد نیاز برای لیتوگرافی اشعه X و روش های لیتوگرافی غیر متداول مانند چاپ تماس میکرونی و مهر نانو نیز استفاده می شود [6].
از تکنیک EBL برای ساخت انواع مدار مجتمع با رزولوشن بالا استفاده می شود. همچنین از این روش در ساخت ابزار فوتونیک نظیر موج برهای نوری با پراکندگی نوری کم، اپتیک اشعه X ، ابزار الکترونیکی با قابلیت کار در فرکانس های بالا، نانولوله ها، نانوفیبرها و نانوسیم ها استفاده می شود [3].
شکل 5 - گیت کمربندی با عرض 300 نانومتر در تماس با نانوسیم های 28 نانومتری (IBM) از [3].
یکی از کاربردهای اصلی این تکنیک ساخت ماسک های نوری می باشد. این ماسک ها معمولاً با استفاده از باریکه شکل گرفته و بر روی یک زیرلایه کوارتزی ساخته می شوند که شفافیت خوبی در ناحیه فرابنفش از خود نشان می‌دهد. این همان ناحیه مورد استفاده برای لیتوگرافی نوری می باشد. ماسک ها با قرارگیری یک لایه کروم بر روی صفحه شیشه کوارتزی ساخته می شوند. لایه حساس به باریکه الکترونی پوشش داده شده در معرض تابش باریکه قرار گرفته و طرح مورد نظر روی آن ایجاد می شود. در نهایت لایه کروم به صورت انتخابی، در نواحی طرح گذاری شده برای تولید ماسک، اچ می شود [5].
شکل 6-ساخت ماسک های لیتوگرافی
از این تکنیک همچنین برای تولید ماسک های مورد نیاز برای لیتوگرافی اشعه X و روش های لیتوگرافی غیر متداول مانند چاپ تماس میکرونی و مهر نانو نیز استفاده می شود [6].
4- محدودیت:
پدیده پراکندگی الکترون ها، هنگام ورود آنها به ماده مقاوم و زیرلایه در زوایای کوچک (غیر الاستیک یا پراکنش رو به جلو) و زوایای بزرگ (الاستیک یا پراکنش بازگشتی) و در نزدیکی محل برخورد باریکه به ماده اتفاق می افتد [3]. مهمترین محدودیت لیتوگرافی باریکه الکترونی ناشی از اثر مجاورت ایجاد شده به علت حجم بالای الکترون‌های پراکنده شده با انرژی بالا در ماده مقاوم می باشد. این موضوع سبب می شود طرح محو به نظر رسیده و پروفایل تحت تابش، اندازه بزرگتری از پروب الکترون برخوردی پیدا کند. [7-5و3] این بدان دلیل است که باریکه پراکنده شده با زوایای الاستیک کوچک، در ماده مقاوم پهن می شود. همچنین، ماده مقاوم در معرض تابش الکترون های پراکنده بازگشتی به صورت الاستیک از زیرلایه نیز می باشد. به علاوه الکترون های ایجاد شده بواسطه فرآیندهای غیرالاستیک نیز نقش مهمی را بازی می کنند. الکترون های ناشی از پراکندگی رو به جلو و الکترون های زیرلایه روی ابعاد ساختار و رزولوشن اثر می گذارند. پراکندگی رو به جلو در ماده مقاوم می تواند با به کارگیری لایه نازکی از ماده مقاوم و افزایش ولتاژ الکترون ها به حاقل برسد. در کاربرد عملی، ایجاد طرح روی بالک زیرلایه مطلوبتر از ماده مقاوم نازک می باشد. مینیمم کردن مشکلات ناشی از تابش الکترون های پراکنده شده از زیرلایه به ماده مقاوم، به آسانی صورت نمی پذیرد، که در مورد زیرلایه هایی با وزن اتمی بیشتر این مشکل پیچیده تر می شود [7و4].
دو راه کلی جهت حل این مشکل وجود دارد. را حل اول استفاده از باریکه های الکترونی با انرژی بالا (بیشتر از 50 کیلوالکترون ولت) می باشد تا بتواند به عمق زیرلایه نفوذ کند. این در حالی است که در روش دوم باریکه های الکترونی با انرژی بسیار کم استفاده می‌شود. که امکان پراکندگی در مسافت طولانی فراهم نمی شود. نکات کلیدی در زمینه استفاده از باریکه الکترونی با ولتاژ بالا عبارتست از الکترون های پراکنده شده، آسیب وارد شده به زیرلایه نیمه هادی در اثر برخورد الکترون های تابشی، پیچیدگی و قیمت بالای ستون های ولتاژ بالا. در زمینه استفاده از باریکه الکترونی با ولتاژ کم، نکات اصلی عبارتند از اپتیک الکترونی (ساختار لنزهای مغناطیسی و ..)، حساسیت ستون نوری الکترون به نویز و نیاز به لایه های نازک از ماده مقاوم [7].
نتیجه گیری :
با استفاده از روش لیتوگرافی باریکه الکترونی قابلیت تولید طرح ها و ساختارهایی در ابعاد نانو با رزولوشن بالا فراهم می شود. انتخاب نوع ماده مقاوم در کنتراست و کیفیت طرح های تولیدی اهمیت بسزایی دارد. روش حکاکی مستقیم از این تکنیک، کاربردهای زیادی دارد و برای تولید ماسک برای انواع روش های لیتوگرافی استفاده می‌شود. نکته مهم در این روش، استفاده از تک باریکه الکترونی می باشد که در کنار ایجاد رزولوشن بالا، به خصوص درمورد طرح های بزرگ و تولید انبوه ساختارها هزینه بر و زمان بر می باشد. از این رو روش ایجاد طرح با استفاده از باریکه های الکترونی چندتایی گسترش پیدا کرد. این روش رزولوشن پایینتری نسبت به روش مستقیم دارد ولی تولید ماسک های موردنیاز در این روش هزینه بر می باشد. محدودیت اصلی تکنیک لیتوگرافی با باریکه الکترونی ایجاد ناحیه ای اطراف محل برخورد باریکه با ماده مقاوم می باشد که از برهمکنش های مختلف الکترون‌های برخوردی با مقاوم و زیرلایه نشأت می گیرد و طرح تولیدی را مبهم می سازد. برای کاهش این ناحیه و بهبود طرح های تولیدی، استفاده از باریکه هایی با انرژی بالا و یا با ولتاژهای کم پیشنهاد شده است که هر کدام از این روش ها نیز محدودیت هایی را برای سیستم ایجاد می کنند.
پدیده پراکندگی الکترون ها، هنگام ورود آنها به ماده مقاوم و زیرلایه در زوایای کوچک (غیر الاستیک یا پراکنش رو به جلو) و زوایای بزرگ (الاستیک یا پراکنش بازگشتی) و در نزدیکی محل برخورد باریکه به ماده اتفاق می افتد [3]. مهمترین محدودیت لیتوگرافی باریکه الکترونی ناشی از اثر مجاورت ایجاد شده به علت حجم بالای الکترون‌های پراکنده شده با انرژی بالا در ماده مقاوم می باشد. این موضوع سبب می شود طرح محو به نظر رسیده و پروفایل تحت تابش، اندازه بزرگتری از پروب الکترون برخوردی پیدا کند. [7-5و3] این بدان دلیل است که باریکه پراکنده شده با زوایای الاستیک کوچک، در ماده مقاوم پهن می شود. همچنین، ماده مقاوم در معرض تابش الکترون های پراکنده بازگشتی به صورت الاستیک از زیرلایه نیز می باشد. به علاوه الکترون های ایجاد شده بواسطه فرآیندهای غیرالاستیک نیز نقش مهمی را بازی می کنند. الکترون های ناشی از پراکندگی رو به جلو و الکترون های زیرلایه روی ابعاد ساختار و رزولوشن اثر می گذارند. پراکندگی رو به جلو در ماده مقاوم می تواند با به کارگیری لایه نازکی از ماده مقاوم و افزایش ولتاژ الکترون ها به حاقل برسد. در کاربرد عملی، ایجاد طرح روی بالک زیرلایه مطلوبتر از ماده مقاوم نازک می باشد. مینیمم کردن مشکلات ناشی از تابش الکترون های پراکنده شده از زیرلایه به ماده مقاوم، به آسانی صورت نمی پذیرد، که در مورد زیرلایه هایی با وزن اتمی بیشتر این مشکل پیچیده تر می شود [7و4].
دو راه کلی جهت حل این مشکل وجود دارد. را حل اول استفاده از باریکه های الکترونی با انرژی بالا (بیشتر از 50 کیلوالکترون ولت) می باشد تا بتواند به عمق زیرلایه نفوذ کند. این در حالی است که در روش دوم باریکه های الکترونی با انرژی بسیار کم استفاده می‌شود. که امکان پراکندگی در مسافت طولانی فراهم نمی شود. نکات کلیدی در زمینه استفاده از باریکه الکترونی با ولتاژ بالا عبارتست از الکترون های پراکنده شده، آسیب وارد شده به زیرلایه نیمه هادی در اثر برخورد الکترون های تابشی، پیچیدگی و قیمت بالای ستون های ولتاژ بالا. در زمینه استفاده از باریکه الکترونی با ولتاژ کم، نکات اصلی عبارتند از اپتیک الکترونی (ساختار لنزهای مغناطیسی و ..)، حساسیت ستون نوری الکترون به نویز و نیاز به لایه های نازک از ماده مقاوم [7].
نتیجه گیری :
با استفاده از روش لیتوگرافی باریکه الکترونی قابلیت تولید طرح ها و ساختارهایی در ابعاد نانو با رزولوشن بالا فراهم می شود. انتخاب نوع ماده مقاوم در کنتراست و کیفیت طرح های تولیدی اهمیت بسزایی دارد. روش حکاکی مستقیم از این تکنیک، کاربردهای زیادی دارد و برای تولید ماسک برای انواع روش های لیتوگرافی استفاده می‌شود. نکته مهم در این روش، استفاده از تک باریکه الکترونی می باشد که در کنار ایجاد رزولوشن بالا، به خصوص درمورد طرح های بزرگ و تولید انبوه ساختارها هزینه بر و زمان بر می باشد. از این رو روش ایجاد طرح با استفاده از باریکه های الکترونی چندتایی گسترش پیدا کرد. این روش رزولوشن پایینتری نسبت به روش مستقیم دارد ولی تولید ماسک های موردنیاز در این روش هزینه بر می باشد. محدودیت اصلی تکنیک لیتوگرافی با باریکه الکترونی ایجاد ناحیه ای اطراف محل برخورد باریکه با ماده مقاوم می باشد که از برهمکنش های مختلف الکترون‌های برخوردی با مقاوم و زیرلایه نشأت می گیرد و طرح تولیدی را مبهم می سازد. برای کاهش این ناحیه و بهبود طرح های تولیدی، استفاده از باریکه هایی با انرژی بالا و یا با ولتاژهای کم پیشنهاد شده است که هر کدام از این روش ها نیز محدودیت هایی را برای سیستم ایجاد می کنند.
لیتوگرافی میکروسکوپ پروب روبشی(Scanning Probe Lithography)
لیتوگرافی میکروسکوپ پروب روبشی(Scanning Probe Lithography)
با ظهور و پیشرفت نانوفناوری، امکان دستیابی به روشی برای دستکاری ساختارهای اتمی و جابجایی اتم ها به مناطق دلخواه، همواره مورد توجه بسیاری از محققان بوده است. با گسترش میکروسکوپ های پروب روبشی با دقت و وضوح تصویر فضایی بسیار بالا، برای آنالیز و تصویربرداری سطحی در ابعاد 1 نانومتر و کمتر، ایده دستکاری و جابجایی اتم ها با استفاده از این امکانات نیز مطرح و بررسی گردید. امروزه در زمینه نانولیتوگرافی از میکروسکوپ های پروب روبشی نظیر (AFM=Atomic Force Microscopy) و ( STM=Scanning Tunneling Microscopy) برای ایجاد خراش و کندن اتم های سطحی در مناطق خاص، حکاکی و یا جابجایی برخی اتم-های موضعی با اتم های مورد نظر، همزمان با تصویربرداری از سطح، استفاده می شود، که تحت عنوان لیتوگرافی پروب روبشی (SPL= Scanning Probe Lithography) شناخته می شوند. در این مقاله به معرفی روش نانولیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ‌های پروبی روبشی پرداخته خواهد شد و معایب، مزایا و کاربردهای آن ارائه خواهد شد.
لیتوگرافی میکروسکوپ پروب روبشی(Scanning Probe Lithography)
با ظهور و پیشرفت نانوفناوری، امکان دستیابی به روشی برای دستکاری ساختارهای اتمی و جابجایی اتم ها به مناطق دلخواه، همواره مورد توجه بسیاری از محققان بوده است. با گسترش میکروسکوپ های پروب روبشی با دقت و وضوح تصویر فضایی بسیار بالا، برای آنالیز و تصویربرداری سطحی در ابعاد 1 نانومتر و کمتر، ایده دستکاری و جابجایی اتم ها با استفاده از این امکانات نیز مطرح و بررسی گردید. امروزه در زمینه نانولیتوگرافی از میکروسکوپ های پروب روبشی نظیر (AFM=Atomic Force Microscopy) و ( STM=Scanning Tunneling Microscopy) برای ایجاد خراش و کندن اتم های سطحی در مناطق خاص، حکاکی و یا جابجایی برخی اتم-های موضعی با اتم های مورد نظر، همزمان با تصویربرداری از سطح، استفاده می شود، که تحت عنوان لیتوگرافی پروب روبشی (SPL= Scanning Probe Lithography) شناخته می شوند. در این مقاله به معرفی روش نانولیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ‌های پروبی روبشی پرداخته خواهد شد و معایب، مزایا و کاربردهای آن ارائه خواهد شد.
1- مقدمه :
میکروسکوپ های پروب روبشی مانند STM و AFM، به عنوان روش هایی قدرتمند برای تجسم سطوح مواد با بالاترین وضوح تصویر فضایی شناخته شده اند. در مورد آنالیز ساختاری، AFM دارای وضوح 0.1 انگسترومی در حالت افقی و 0.05 انگسترومی در حالت عمودی می‌باشد. در حالی که میزان وضوح تصویر STM چند برابر بیشتر از AFM است. این وضوح تصویر ها مربوط به سیستم های کریستالی است، که در مورد سطوح نرم و چسبنده دستیابی به وضوح تصویر های بالا امکان پذیر نمی باشد.
در میان روش های ساخت نانوساختارهای موجود، لیتوگرافی پروب روبشی (SPL) یکی از روش های بسیار نویدبخش برای تولید در مقیاس نانو می باشد. با استفاده از سوزن های تیز و شارپ و همچنین ایجاد برهم کنش های قوی و موضعی بین سوزن-سطح، می توان از(SPM=Scanning Probe Microscopy) به عنوان روشی برای دستکاری اتم ها بر روی سطوح فلزات و تولید نانوالگوها بر روی سطوح فلزات و نیمه هادی ها استفاده نمود، که این موضوع سبب تسریع در ظهور تکنیک‌های جدید SPL گردیده است. با این حال SPL نمی تواند به سرعت روش هایی همچون لیتوگرافی نوری و لیتوگرافی الکترونی الگوها را تولید کند. اما این روش به علت توانایی در تولید و ایجاد تصویر به طور همزمان و با دقت بسیار بالا، مورد توجه محققان قرار گرفته است.
دستیابی به وضوح تصویر بالا اساس دستکاری مولکولی و نانولیتوگرافی بر اساس SPM می باشد. اصولاً با افزایش برهم کنش های موضعی همچون نیروی اتمی، دانسیته الکترون های تونل زنی و یا استحکام میدان الکتریکی، امکان شکستن انتخابی پیوندهای شیمیایی فراهم می شود که جزئیات روش در کنترل این برهم کنش های موضعی، اساس دستیابی به طرح های شارپ با دقت فضایی بالا می باشد.
میکروسکوپ های پروب روبشی مانند STM و AFM، به عنوان روش هایی قدرتمند برای تجسم سطوح مواد با بالاترین وضوح تصویر فضایی شناخته شده اند. در مورد آنالیز ساختاری، AFM دارای وضوح 0.1 انگسترومی در حالت افقی و 0.05 انگسترومی در حالت عمودی می‌باشد. در حالی که میزان وضوح تصویر STM چند برابر بیشتر از AFM است. این وضوح تصویر ها مربوط به سیستم های کریستالی است، که در مورد سطوح نرم و چسبنده دستیابی به وضوح تصویر های بالا امکان پذیر نمی باشد.
در میان روش های ساخت نانوساختارهای موجود، لیتوگرافی پروب روبشی (SPL) یکی از روش های بسیار نویدبخش برای تولید در مقیاس نانو می باشد. با استفاده از سوزن های تیز و شارپ و همچنین ایجاد برهم کنش های قوی و موضعی بین سوزن-سطح، می توان از(SPM=Scanning Probe Microscopy) به عنوان روشی برای دستکاری اتم ها بر روی سطوح فلزات و تولید نانوالگوها بر روی سطوح فلزات و نیمه هادی ها استفاده نمود، که این موضوع سبب تسریع در ظهور تکنیک‌های جدید SPL گردیده است. با این حال SPL نمی تواند به سرعت روش هایی همچون لیتوگرافی نوری و لیتوگرافی الکترونی الگوها را تولید کند. اما این روش به علت توانایی در تولید و ایجاد تصویر به طور همزمان و با دقت بسیار بالا، مورد توجه محققان قرار گرفته است.
دستیابی به وضوح تصویر بالا اساس دستکاری مولکولی و نانولیتوگرافی بر اساس SPM می باشد. اصولاً با افزایش برهم کنش های موضعی همچون نیروی اتمی، دانسیته الکترون های تونل زنی و یا استحکام میدان الکتریکی، امکان شکستن انتخابی پیوندهای شیمیایی فراهم می شود که جزئیات روش در کنترل این برهم کنش های موضعی، اساس دستیابی به طرح های شارپ با دقت فضایی بالا می باشد.
2- نانولیتوگرافی بر مبنای STM :
در این روش، سوزن STM یک پروب کوچک از الکترون های کم ولتاژ را ایجاد می کند که بر ویفر پوشش داده شده با لایه نازک از ماده مقاوم برخورد می کند و در این تکنیک STM بیشتر در حالت نشر میدانی کار می کند. سوزن های STM معمولاً در حد اتمی تیز بوده و از جنس ترکیباتی نظیر سیم های تنگستنی، Pt-Rh و یا Pt-Ir می باشند. فاصله سوزن-سطح با استفاده از فیدبک الکترونیکی برای رسیدن به یک سیگنال فیدبک ثابت (مانند جریان تونل زنی یا ارتفاع سوزن) کنترل می شود. برای رفتن به آنسوی تصویرسازی و رسیدن به دستکاری یا تولید، پیوند مولکول یا مولکول های انتخاب شده باید شکسته شده و از مابقی مواد سطح جدا شوند. به عبارت بهتر، پیوندهای موضعی باید ضعیف یا شکسته شوند. به صورت عملی تنظیم جدایش سوزن-سطح با استفاده از ولتاژ بایاس یا جریان تونل زنی صورت می گیرد. جریان تونل زنی به فاصله جدایش وابسته است که یک رابطه نمایی منفی را دنبال می کند. چهار مکانیسم ممکن برای دستکاری مولکول ها بوسیله STM در شکل 1 آورده شده است. اصولاً دستکاری تک مولکولی، از نیروهای بین اتمی و بین مولکولی بین سوزن و سطح نمونه ها استفاده می کند. روش های تولیدی که شامل شکستن یا تشکیل پیوندهای شیمیایی هستند، از جریان تونلی که به شدت موضعی شده است، حدود 1 نانومتر و کمتر، استفاده می کنند [1].
تصویر 1 -شماتیکی از چهار مکانیسم لیتوگرافی STM یا دستکاری مولکول¬ها بوسیله سوزن [1].
لیتوگرافی باریکه الکترونی بر مبنای STM، به مانند دیگر روش‌های لیتوگرافی بر روی ماده مقاوم قرار گرفته بر روی یک زیرلایه، انجام می شود. تا زمانی که STM در حالت جریان ثابت کار می کند، جدایش سوزن – نمونه تقریباً متناسب با ولتاژ اعمالی است. اندازه مؤثر پروب با میزان نزدیکی سوزن و نمونه و همچنین با ولتاژ سوزن – نمونه تعیین می شود. در این روش، لیتوگرافی باریکه الکترونی بدون هیچگونه پراکندگی الکترونی با استفاده از پروب الکترونی با ولتاژ کم انجام می شود [3].
یکی از محدودیت های این روش، از جریان بین سوزن – نمونه نشأت می گیرد که برای تابش به ماده مقاوم و همچنین برای رسیدن به حالت جریان ثابت بین سوزن – نمونه استفاده می شود. علاوه براین، لیتوگرافی با ضخامت و هدایت ماده مقاوم و سطح زیرلایه محدود می شود. برخی از این محدودیت ها با استفاده از سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی برای لیتوگرافی قابل رفع می باشد. در این حالت وضعیت سوزن با نیروی سوزن – نمونه کنترل می شود که مستقل از جریان و ولتاژ سوزن - نمونه مورد نیاز برای تابش به ماده مقاوم می باشد [3].
در این روش، سوزن STM یک پروب کوچک از الکترون های کم ولتاژ را ایجاد می کند که بر ویفر پوشش داده شده با لایه نازک از ماده مقاوم برخورد می کند و در این تکنیک STM بیشتر در حالت نشر میدانی کار می کند. سوزن های STM معمولاً در حد اتمی تیز بوده و از جنس ترکیباتی نظیر سیم های تنگستنی، Pt-Rh و یا Pt-Ir می باشند. فاصله سوزن-سطح با استفاده از فیدبک الکترونیکی برای رسیدن به یک سیگنال فیدبک ثابت (مانند جریان تونل زنی یا ارتفاع سوزن) کنترل می شود. برای رفتن به آنسوی تصویرسازی و رسیدن به دستکاری یا تولید، پیوند مولکول یا مولکول های انتخاب شده باید شکسته شده و از مابقی مواد سطح جدا شوند. به عبارت بهتر، پیوندهای موضعی باید ضعیف یا شکسته شوند. به صورت عملی تنظیم جدایش سوزن-سطح با استفاده از ولتاژ بایاس یا جریان تونل زنی صورت می گیرد. جریان تونل زنی به فاصله جدایش وابسته است که یک رابطه نمایی منفی را دنبال می کند. چهار مکانیسم ممکن برای دستکاری مولکول ها بوسیله STM در شکل 1 آورده شده است. اصولاً دستکاری تک مولکولی، از نیروهای بین اتمی و بین مولکولی بین سوزن و سطح نمونه ها استفاده می کند. روش های تولیدی که شامل شکستن یا تشکیل پیوندهای شیمیایی هستند، از جریان تونلی که به شدت موضعی شده است، حدود 1 نانومتر و کمتر، استفاده می کنند [1].
تصویر 1 -شماتیکی از چهار مکانیسم لیتوگرافی STM یا دستکاری مولکول¬ها بوسیله سوزن [1].
لیتوگرافی باریکه الکترونی بر مبنای STM، به مانند دیگر روش‌های لیتوگرافی بر روی ماده مقاوم قرار گرفته بر روی یک زیرلایه، انجام می شود. تا زمانی که STM در حالت جریان ثابت کار می کند، جدایش سوزن – نمونه تقریباً متناسب با ولتاژ اعمالی است. اندازه مؤثر پروب با میزان نزدیکی سوزن و نمونه و همچنین با ولتاژ سوزن – نمونه تعیین می شود. در این روش، لیتوگرافی باریکه الکترونی بدون هیچگونه پراکندگی الکترونی با استفاده از پروب الکترونی با ولتاژ کم انجام می شود [3].
یکی از محدودیت های این روش، از جریان بین سوزن – نمونه نشأت می گیرد که برای تابش به ماده مقاوم و همچنین برای رسیدن به حالت جریان ثابت بین سوزن – نمونه استفاده می شود. علاوه براین، لیتوگرافی با ضخامت و هدایت ماده مقاوم و سطح زیرلایه محدود می شود. برخی از این محدودیت ها با استفاده از سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی برای لیتوگرافی قابل رفع می باشد. در این حالت وضعیت سوزن با نیروی سوزن – نمونه کنترل می شود که مستقل از جریان و ولتاژ سوزن - نمونه مورد نیاز برای تابش به ماده مقاوم می باشد [3].
3- نانولیتوگرافی بر مبنای AFM :
لیتوگرافی بر پایه AFM در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است و تحقیقات فراوانی جهت بررسی حکاکی به صورت نانولیتوگرافی با سوزن جستجوگر تیز با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی انجام گرفته است [4و1]. سوزن AFM می تواند برای حمل کاتالیست به نقاط واکنشی فعال سطحی به صورت انتخابی استفاده شود، یا به صورت یک قلم برای اتصال مولکول ها بر روی سطوح، در روشDPN(Dip-Pen Nanolithography) و روش های مشتق شده از آن به کار رود. در روش DPN کشش سطحی آب که به صورت طبیعی بین سوزن و سطح شکل می گیرد، سبب انتقال کنترل شده مولکول ها از سوزن پوشیده شده با مایع به سطح مورد هدف می شود. اگر مایع منتقل شده برای ایجاد طرح با سطح واکنش دهد، در اثر جذب شیمیایی انجام شده، یک نانوساختار پایدار تولید می شود. همچنین از سوزن های AFM به عنوان الکترود برای اکسیداسیون موضعی مستقیم سطوح نیز استفاده می شود [5و2و1].
روش AFM مزایایی دارد که می توان اینگونه بیان نمود: اول اینکه روشی است که تحت شرایط محیطی قابل انجام است و به تجهیزات پیچیده ای نیاز ندارد. دوم اینکه لیتوگرافی AFM به عنوان یکی از روش های ساخت نانوساختارها، قادر به تولید قطعاتی با ابعاد 10 نانومتر و کمتر می باشد. سوم اینکه AFM می تواند تصاویری با وضوح تصویر بالا و به صورت فضای واقعی با دقت هم ترازی نانومتری برای سطوح خارجی تولید کند. در طی سال ها به صورت تجربی ثابت شده که با استفاده از آرایه ای از سوزن های جستجوگر موازی می توان سرعت و بازده را نیز بهبود بخشید [4و2].
با استفاده از نیروهای موضعی، تکنیک های دیگری برای تولید نانوساختارها با روش AFM ایجاد گردیده است. شکل 2، تصویر شماتیکی را از سه تکنیک از روش های ساخت نانوساختارها بر مبنای AFM نشان می دهد: نانوخراش، نانوپیوند (Nanografting) و نانوقلم خواننده و نگارنده (NPRW= NanoPen Reader and Writer). در این روش ها ابتدا ساختار سطح تحت یک نیرو یا بار کم شناسایی می شود. مواضع تولید، معمولاً در مواضع مسطح و صاف، انتخاب می شوند و سپس نانوطرح تحت یک نیروی بالا ایجاد می شود [1].
کاربرد نانولیتوگرافی بر پایه AFM در زمینه نانوالکترونیک و نانوبیوتکنولوژی بسیار نوید بخش است. کارهای اولیه به صورت موفقیت آمیزی در زمینه تولید نانوطرح های بیوسیستم مانند پروتئین ها و DNA صورت گرفته است [1].
لیتوگرافی بر پایه AFM در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است و تحقیقات فراوانی جهت بررسی حکاکی به صورت نانولیتوگرافی با سوزن جستجوگر تیز با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی انجام گرفته است [4و1]. سوزن AFM می تواند برای حمل کاتالیست به نقاط واکنشی فعال سطحی به صورت انتخابی استفاده شود، یا به صورت یک قلم برای اتصال مولکول ها بر روی سطوح، در روشDPN(Dip-Pen Nanolithography) و روش های مشتق شده از آن به کار رود. در روش DPN کشش سطحی آب که به صورت طبیعی بین سوزن و سطح شکل می گیرد، سبب انتقال کنترل شده مولکول ها از سوزن پوشیده شده با مایع به سطح مورد هدف می شود. اگر مایع منتقل شده برای ایجاد طرح با سطح واکنش دهد، در اثر جذب شیمیایی انجام شده، یک نانوساختار پایدار تولید می شود. همچنین از سوزن های AFM به عنوان الکترود برای اکسیداسیون موضعی مستقیم سطوح نیز استفاده می شود [5و2و1].
روش AFM مزایایی دارد که می توان اینگونه بیان نمود: اول اینکه روشی است که تحت شرایط محیطی قابل انجام است و به تجهیزات پیچیده ای نیاز ندارد. دوم اینکه لیتوگرافی AFM به عنوان یکی از روش های ساخت نانوساختارها، قادر به تولید قطعاتی با ابعاد 10 نانومتر و کمتر می باشد. سوم اینکه AFM می تواند تصاویری با وضوح تصویر بالا و به صورت فضای واقعی با دقت هم ترازی نانومتری برای سطوح خارجی تولید کند. در طی سال ها به صورت تجربی ثابت شده که با استفاده از آرایه ای از سوزن های جستجوگر موازی می توان سرعت و بازده را نیز بهبود بخشید [4و2].
با استفاده از نیروهای موضعی، تکنیک های دیگری برای تولید نانوساختارها با روش AFM ایجاد گردیده است. شکل 2، تصویر شماتیکی را از سه تکنیک از روش های ساخت نانوساختارها بر مبنای AFM نشان می دهد: نانوخراش، نانوپیوند (Nanografting) و نانوقلم خواننده و نگارنده (NPRW= NanoPen Reader and Writer). در این روش ها ابتدا ساختار سطح تحت یک نیرو یا بار کم شناسایی می شود. مواضع تولید، معمولاً در مواضع مسطح و صاف، انتخاب می شوند و سپس نانوطرح تحت یک نیروی بالا ایجاد می شود [1].
شکل 2 - تصویر شماتیکی از سه روش لیتوگرافی بر پایه AFM ، تصاویر ردیف بالا و پایین به ترتیب تصاویر قبل و بعد از تولید می باشند و تصاویر ردیف وسط فرآیند تولید را نشان می دهد [1].
کاربرد نانولیتوگرافی بر پایه AFM در زمینه نانوالکترونیک و نانوبیوتکنولوژی بسیار نوید بخش است. کارهای اولیه به صورت موفقیت آمیزی در زمینه تولید نانوطرح های بیوسیستم مانند پروتئین ها و DNA صورت گرفته است [1].
3-1- ایجاد خراش و نانوشیار:
از AFM برای خارج کردن مواد در مقیاس نانو با استفاده از ابزارهای مکانیکی و شیمیایی نیز استفاده می شود. در حالت اول (مکانیکی)، ماده به صورت مستقیم با ایجاد خراش یا شیار توسط سوزن کنده می شود. در حالت دوم، ماده با استفاده از اچ الکتروشیمیایی القایی سوزن خارج می شود. در حالت مکانیکی، با اعمال میزان نسبتاً بالایی از نیرو به سوزن یا با کنترل انحنای کانتیلور در طی روبش، سوزن AFM قادر به ایجاد خراش بر روی سطوحی با سختی های متفاوت مانند فلزات، اکسیدها و نیمه هادی ها می باشد که در نهایت شیارهایی با پهنا و عمق چند نانومتر بر روی سطح تولید می شود [4و1].
یکی از محدودیت های اصلی در روش مکانیکی مستقیم، عمق کم شیارهای ایجاد شده می باشد، زیرا نیروهای اعمال شده به سوزن، به علت امکان آسیب سوزن یا کاهش عمر آن، نمی تواند زیاد باشد [4].
3-2- نانو پیوند :
تکنیک نانوپیوند اولین بار در سال 1997 توسط گروه Liu توسعه داده شد. در این گزارش، محققان AFM را با شیمی سطح جذب تیول بر روی سطوح طلا، ترکیب کردند. در این روش با یک تصویرسازی تحت نیروی کم از یک تک لایه خودسامان دهنده (SAM) آلکن تیول در محیطی مایع حاوی نوع دیگری از تیول شروع می-شود. با افزایش نیروی اعمالی در طی روبش، مولکول¬های تیول زمینه توسط سوزن جدا شده و به حلال منتقل می شوند. مولکول های تیول موجود در محلول نیز سریعاً توسط سطح تازه بی حفاظ طلا جذب می شوند که روبش سوزن AFM را برای ایجاد طرح نانوساختار مطلوب دنبال می کنند. نانوطرح ایجاد شده می تواند به صورت درجا با همان سوزن AFM البته با نیروی کاهش پیدا کرده، بررسی شود [4و1].
جنبه های منحصر به فردی، نانوپیوند را تبدیل به یک ابزار جدید و قدرتمند در شیمی فیزیک سطح نموده است. نانوپیوند می تواند در محیط های شیمیایی متنوع کار کند که آن را قادر می سازد تا با وضوح تصویر مولکولی و به صورت مستقیم واکنش های سطح را دنبال کرده و همزمان آن را مانیتور کند. در نتیجه یک روش مستعد برای کشف مکانیسم ها، سینیتیک (سرعت) و محصولات واکنش می باشد. همچنین نانوپیوند امکان تولید نانوساختارهایی با استفاده از مواد کاربردی در علم مواد را فراهم می کند. امکان ایجاد طرح های نانوساختار سه بعدی و انتقال طرح توسط واکنش سطح بیشتر، با استفاده از این روش نیز وجود دارد [4].
از AFM برای خارج کردن مواد در مقیاس نانو با استفاده از ابزارهای مکانیکی و شیمیایی نیز استفاده می شود. در حالت اول (مکانیکی)، ماده به صورت مستقیم با ایجاد خراش یا شیار توسط سوزن کنده می شود. در حالت دوم، ماده با استفاده از اچ الکتروشیمیایی القایی سوزن خارج می شود. در حالت مکانیکی، با اعمال میزان نسبتاً بالایی از نیرو به سوزن یا با کنترل انحنای کانتیلور در طی روبش، سوزن AFM قادر به ایجاد خراش بر روی سطوحی با سختی های متفاوت مانند فلزات، اکسیدها و نیمه هادی ها می باشد که در نهایت شیارهایی با پهنا و عمق چند نانومتر بر روی سطح تولید می شود [4و1].
شکل 3 - تصویر AFM از یک نانوخراش [4].
یکی از محدودیت های اصلی در روش مکانیکی مستقیم، عمق کم شیارهای ایجاد شده می باشد، زیرا نیروهای اعمال شده به سوزن، به علت امکان آسیب سوزن یا کاهش عمر آن، نمی تواند زیاد باشد [4].
3-2- نانو پیوند :
تکنیک نانوپیوند اولین بار در سال 1997 توسط گروه Liu توسعه داده شد. در این گزارش، محققان AFM را با شیمی سطح جذب تیول بر روی سطوح طلا، ترکیب کردند. در این روش با یک تصویرسازی تحت نیروی کم از یک تک لایه خودسامان دهنده (SAM) آلکن تیول در محیطی مایع حاوی نوع دیگری از تیول شروع می-شود. با افزایش نیروی اعمالی در طی روبش، مولکول¬های تیول زمینه توسط سوزن جدا شده و به حلال منتقل می شوند. مولکول های تیول موجود در محلول نیز سریعاً توسط سطح تازه بی حفاظ طلا جذب می شوند که روبش سوزن AFM را برای ایجاد طرح نانوساختار مطلوب دنبال می کنند. نانوطرح ایجاد شده می تواند به صورت درجا با همان سوزن AFM البته با نیروی کاهش پیدا کرده، بررسی شود [4و1].
جنبه های منحصر به فردی، نانوپیوند را تبدیل به یک ابزار جدید و قدرتمند در شیمی فیزیک سطح نموده است. نانوپیوند می تواند در محیط های شیمیایی متنوع کار کند که آن را قادر می سازد تا با وضوح تصویر مولکولی و به صورت مستقیم واکنش های سطح را دنبال کرده و همزمان آن را مانیتور کند. در نتیجه یک روش مستعد برای کشف مکانیسم ها، سینیتیک (سرعت) و محصولات واکنش می باشد. همچنین نانوپیوند امکان تولید نانوساختارهایی با استفاده از مواد کاربردی در علم مواد را فراهم می کند. امکان ایجاد طرح های نانوساختار سه بعدی و انتقال طرح توسط واکنش سطح بیشتر، با استفاده از این روش نیز وجود دارد [4].
3-3- نانوقلم خواننده و نگارنده :
پس از ابداع نانوپیوند، پیشرفت هایی در این زمینه مورد تحقیق قرار گرفت. نانوقلم ها به عنوان خواننده و نگارنده امکان ایجاد نانوپیوند را در شرایط محیطی یا خنثی فراهم کردند. در تکنیک نانوقلم خواننده/نگارنده، ابتدا واکنش دهنده های مطلوب بر روی پروب AFM قرار می گیرند (به صورت پوشش). سپس پروب تحت نیروی کم تصویربرداری کرده و بعد از آن تحت نیروی زیاد، ماده مطلوب را بر روی سطح ماده، جایگزین مولکول های ماده مقاوم می کند [4و1].
مانند سایر روش های لیتوگرافی پروب روبشی مانند لیتوگرافی بر پایه STM و روش نانوپیوند، NPRW نیز مزایای زیادی برای استفاده در صنعت علم مواد و نانوتکنولوژی دارد. به عنوان مثال، وضوح تصویر سه بعدی این روش بالاست. بنابراین تولید و تعیین خصوصیات ساختارهای کوچکتر از 100 نانومتر امکان پذیر است. نانوساختارها همزمان با تولید، با وضوح تصویر بالایی آنالیز نیز می شوند. نرم افزارها و دیجیتالی نمودن، به صورت چشمگیری سبب بهبود اتوماته شدن نانولیتوگرافی برای تولید محصولاتی با بازده بالا و آرایه ها و نانوساختارهای پیچیده شده است. ترکیبات متفاوتی نیز با تغییر محلول یا پوشش سوزن قابل تولید هستند. نهایتاً امکان تغییر یا اصلاح طرح به صورت همزمان بدون نیاز به تغییر ماسک یا تکرار فرآیند تولید، امکان پذیر است [4و1].
نتیجه گیری :
میکروسکوپ های پروب روبشی همچون STM و AFM ابزار بسیار مناسبی برای دستکاری و لیتوگرافی در مقیاس نانو می باشند. با استفاده از کنترل جریان تونل زنی و فاصله جدایش سوزن و نمونه در STM، می توان پیوندهای سطحی را به صورت موضعی ضعیف یا حذف نموده و طرح مورد نظر را بر روی ماده مقاوم ایجاد نمود. در مورد AFM، با تغییر نیروی سوزن و محیط روبش، می توان حالت های مختلفی را ایجاد نمود که بر طبق آن طرح های متفاوتی نیز قابل دستیابی است. از جمله آنها می توان به خراش هایی در ابعاد نانو، جابجایی مولکول های سطحی با مولکول های مورد نظر و نگاشتن بر روی سطح اشاره نمود. از مزایای این روش ها می توان به وضوح تصویر بسیار بالای طرح های تولیدی، امکان ایجاد طرح های دو بعدی و سه بعدی با دقت ابعادی بسیار بالا، امکان بررسی و آنالیز سطح همزمان با فرآیند تولید و امکان تولید ساختارهای پیچیده با ترکیبات متفاوت اشاره کرد.
پس از ابداع نانوپیوند، پیشرفت هایی در این زمینه مورد تحقیق قرار گرفت. نانوقلم ها به عنوان خواننده و نگارنده امکان ایجاد نانوپیوند را در شرایط محیطی یا خنثی فراهم کردند. در تکنیک نانوقلم خواننده/نگارنده، ابتدا واکنش دهنده های مطلوب بر روی پروب AFM قرار می گیرند (به صورت پوشش). سپس پروب تحت نیروی کم تصویربرداری کرده و بعد از آن تحت نیروی زیاد، ماده مطلوب را بر روی سطح ماده، جایگزین مولکول های ماده مقاوم می کند [4و1].
مانند سایر روش های لیتوگرافی پروب روبشی مانند لیتوگرافی بر پایه STM و روش نانوپیوند، NPRW نیز مزایای زیادی برای استفاده در صنعت علم مواد و نانوتکنولوژی دارد. به عنوان مثال، وضوح تصویر سه بعدی این روش بالاست. بنابراین تولید و تعیین خصوصیات ساختارهای کوچکتر از 100 نانومتر امکان پذیر است. نانوساختارها همزمان با تولید، با وضوح تصویر بالایی آنالیز نیز می شوند. نرم افزارها و دیجیتالی نمودن، به صورت چشمگیری سبب بهبود اتوماته شدن نانولیتوگرافی برای تولید محصولاتی با بازده بالا و آرایه ها و نانوساختارهای پیچیده شده است. ترکیبات متفاوتی نیز با تغییر محلول یا پوشش سوزن قابل تولید هستند. نهایتاً امکان تغییر یا اصلاح طرح به صورت همزمان بدون نیاز به تغییر ماسک یا تکرار فرآیند تولید، امکان پذیر است [4و1].
نتیجه گیری :
میکروسکوپ های پروب روبشی همچون STM و AFM ابزار بسیار مناسبی برای دستکاری و لیتوگرافی در مقیاس نانو می باشند. با استفاده از کنترل جریان تونل زنی و فاصله جدایش سوزن و نمونه در STM، می توان پیوندهای سطحی را به صورت موضعی ضعیف یا حذف نموده و طرح مورد نظر را بر روی ماده مقاوم ایجاد نمود. در مورد AFM، با تغییر نیروی سوزن و محیط روبش، می توان حالت های مختلفی را ایجاد نمود که بر طبق آن طرح های متفاوتی نیز قابل دستیابی است. از جمله آنها می توان به خراش هایی در ابعاد نانو، جابجایی مولکول های سطحی با مولکول های مورد نظر و نگاشتن بر روی سطح اشاره نمود. از مزایای این روش ها می توان به وضوح تصویر بسیار بالای طرح های تولیدی، امکان ایجاد طرح های دو بعدی و سه بعدی با دقت ابعادی بسیار بالا، امکان بررسی و آنالیز سطح همزمان با فرآیند تولید و امکان تولید ساختارهای پیچیده با ترکیبات متفاوت اشاره کرد.
Similar threads
Similar threads
-
-
-
[روش های سنتز نانوساختارها] - تغییر شکل پلاستیک شدید
- شروع شده توسط P O U R I A
- پاسخ ها: 27
-
[روش های سنتز نانوساختارها] - رسوب دهی از فاز مایع
- شروع شده توسط P O U R I A
- پاسخ ها: 35
-