بسم الله الرحمن الرحيم
لیتوگرافی به روش حکاکی
لیتوگرافی به روش حکاکی
توانایی برگردان کردن الگو و قالب ها در ابعاد میکرو و نانو از مهمترین مشکلات در راستای پیشرفت علم میکرو و نانوفناوری و مطالعه علم نانو است. نانوحکاکی یک فناوری لیتوگرافی برجسته سازی است که قدرت تولید بالایی از الگوهای نانوساختار را تضمین می کند. از آنجا که روش نانوحکاکی بر اساس اصول برجسته سازی مکانیکی عمل می کند، لذا این روش می تواند با توجه به محدودیت های روش های مرسوم دیگر که شامل محدودیت های مربوط به پراش نور یا تفرق باریکه می شود، وضوح الگوی بالایی دهد.
تولید ادوات در ابعاد نانومتری و یا میکرومتری به طور نوعی در سیلیکون شامل لیتوگرافی و حکاکی می شود. این فرایند ها هزینه بر هستند و در داشتن وضوح و حجم تولید بالا به طور همزمان دارای محدودیت هستند. اخیرا کارهای انجام شده در این حوزه، نشان داد که امکان ایجاد الگو روی زیر لایه در ابعاد نانومتری و به روش حکاکی وجود دارد، اگرچه هنوز یک مرحله حکاکی برای بدست آمدن ساختار نهایی لازم است.
لیتوگرافی حکاکی (Imprint lithography) یک فرایند قالب گیری در ابعاد نانو است که شکل یک الگوی اولیه، طرح و شکل مورد نظر را روی زیرلایه ایجاد می کند. با توجه به تحقیقات فراوانی که در ساخت قطعات با دقت زیر nm50 شده است،تنها محدود کننده وضوح در لیتوگرافی حکاکی،وضوح الگوی اولیه است. همان طور که قبلا اشاره شد، از این جهت که لیتوگرافی حکاکی نیازی به وسایل گران قیمت نوری یا منابع نمایش پیشرفته ندارد نسبت به لیتوگرافی نوری و دیگر روش های لیتوگرافی دارای مزایای مهمی است.
ادواتی که فرایند تولید در آنها شامل چند مرحله لیتوگرافی بوده و دقت در همپوشانی اجزاء آن مهم است، باید فرایند حکاکی قابلیت تنظیم اجزاء بر روی هم را به خوبی داشته باشد. یک نوع لیتوگرافی حکاکی، به نام S-FIL ( Step and Flash Imprint Lithography)، این مشکل را با استفاده از یک الگوی سیلیکائی مذاب شفاف، که دیدن و تنظیم کردن اجزاء را روی الگو و زیرلایه به طور همزمان آسان می کند، حل کرده است. به علاوه، این فرایند حکاکی در فشار پایین و دمای اتاق انجام می شود، لذا انبساط و مشکلات اعوجاج به حداقل می رسد.
شکل 1- حکاکی الگوهایی در ابعاد نانو و کمی بزرگتر در یک مرحله با استفاده از یک قالب دو قسمتی و استحکام دهی به ماده مقاوم با اشعه UV.
در فرایند S-FIL، یک مونومر حساس به نور با ویسکوزیته کم(مقاوم در برابر حکاکی)، روی سطح زیرلایه پخش می شود. الگویشفاف با مونومر تماس داده می شود، تا مونومر کاملا سطح الگو را پوشانده و شکل و ساختار آن را به خود بگیرد. پرتو UVمونومر را پلیمریزه می کند و باعث افزایش استحکام آن می شود و سپس الگو از زیرلایه جدا می شود، در حالیکه یک قالب جامد با طرحی برعکس خود روی زیرلایه به جا گذاشته است. مرحله نهایی در تکمیل فرایند شامل حکاکی لایه باقیمانده از مونومر است که حکاکی به طور انتخابی در طول این لایه ادامه می یابد و به لایه های زیرین می رسد. شکل1 به طور شماتیکی این فرایند را نشان می دهد.
شکل 2- شماتیکی از فرایند S-FIL.
الگوهای S-FIL :
قبلا برای تولید الگو، یک صفحه با ابعاد 6*6*0.25 اینچ به عنوان ماسک در نظر گرفته و با استفاده از کرم پایدار شده و فرایند حکاکی و روش phase-shift، طرح مورد نظر را دریک زیرلایه شیشه ای ایجاد می کردند. اگرچه هندسه هایی با ابعاد زیر nm100 ساخته شده است، ولی ابعاد بحرانی در حین حکاکی لایه های ضخیم کرم از دست می رود و ساخت الگوهای یک بعدی را غیرعملی می سازد.
اخیرا، دو روش برای ساخت الگو توسعه داده شده است. روش اول از یک لایه خیلی نازک (nm15) کرم به عنوان ماسک سخت استفاده می کند. لایه نازک مانع باردار شدن الگو در طول پرتو نگاری توسط بیم الکترون می شود و این خاصیت را به دنبال دارد که ابعاد بحرانی از دست رفته به حداقل می رسد. از آنجا که ترجیح محلول محلول اچ فلوئور(اسید HF) به حکاکی شیشه نسبت به کرم بیشتر از 18:1 است، یک لایه با ضخامت کمتر از nm20 کرم به عنوان ماسک سخت در طول اچینگ زیرلایه شیشه ای کافی است. روش دوم سعی می کند مناطق ضعیف را روی زیرلایه شیشه ای پیدا کند.
جالب است اشاره شود که حذف کردن ماده مقاوم قبل از حکاکی کوارتز امری ضروریست. اگر در حین اچینگ کوارتز با CHF3، ماده مقاوم پلیمری باقیمانده باشد، این مقدار ماده پلیمری می تواند کاملا روی خواص و شکل کوارتز تاثیر گذارد. مقداری اکسیژن اضافی ممکن است برای به حداقل رساندن شکل گیری پلیمر نیاز باشد.
استفاده گسترده از لیتوگرافی حکاکی نیاز دارد که الگو هم قابل بازرسی باشد و هم قابل اصلاح. برای لیتوگرافی در ابعاد زیر nm100، احتمالا بازرسی الگوها با استفاده از بیم الکترونی ضروری خواهد بود. اگر قرار باشد این کار انجام شود، الگو نیاز به یک لایه کاهش دهنده بارخواهد داشت تا از پراکندگی بار در طول فرایند بازرسی جلوگیری نماید. یک شماتیکی از تولید که اکسید شفاف هادی جریان را، مثل ITO، با الگوی نهایی یکی می کند این مشکل را گوشزد می کند. یک لایه نازک از اکسید بر روی ITO با استفاده از رسوب شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD/Plasma-enhanced chemical vapor deposition)، نشانده می شود که ضخامت لایه مقاوم حکاکی شده را تعیین می کند. ویژگی های شکلی روی الگو، با ایجاد طرح روی ماده مقاوم در برابر پرتو الکترونی، انتقال طرح توسط محلول اچ فعال به الگو، و برداشتن ماده مقاوم از روی سطح ایجاد می شود.
ITOباید به اندازه کافی هادی باشد که از تاثیرات بار اولا در حین پرتونگاری ماده مقاوم و ثانیا در حین بازرسی الگو جلوگیری نماید.مقاومت لایه رسوب کرده ITO در حدود 2×10[SUP]2[/SUP] ohms/sq است. مقاومت بعد از آنیل کردن این لایه در دمای 300 درجه سانتی گراد، قویا کاهش می یابد. در حالتی که لایه ITO آنیل شده باشد، مقاومت آن در حدود 3.5×10[SUP]2[/SUP] ohms/sq است. پراکندگی بار در حین پرتونگاری الکترونی و بازرسی SEM در این سطح هدایت مشاهده شده است. ITO باید همچنین در طول موج های مربوط به پرتوافکنی (nm365) که برای فرایند پرتوافکنی در S-FIL استفاده می شود، کاملا شفاف باشد. رسیدن به شفافیت بالای 90% در nm365 امری ممکن است. ITO همچنین قابلیت متوقف شدن در هنگام حکاکی و انتقال طرح به لایه اکسیدی تولید شده با PECVD را به خوبی دارد. مثال هایی از الگوهای نهایی ایجاد شده با این روش در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل 3- تصاویر SEM از اشکال نهایی روی الگو بر پایه ITO.
ابزار S-FIL :
لیتوگرافی حکاکی بر فرض جهت گیری موازی الگوها و زیرلایه ها انجام می شود. جهت گیری نادرست ممکن است موجب ایجاد یک لایه غیریکنواخت در مقابل اچینگ شود. بنابراین، ضروریست که یک سیستم مکانیکی طراحی و توسعه داده شود به طوریکه الگو و زیرلایه در طول فرایند موازی با هم جلو روند. این کار ابتدا با یک روش دو مرحله ای جهت دهی انجام می شده است. در قدم اول، نگهدارنده الگو و مهارکننده زیرلایه به طور کلی توسط میکرومتر با هم موازی می شوند، در قدم دوم از یک مکانیزم بر پایه خمش در حین حکاکی استفاده می شود.
انواع حکاکی در ابعاد نانو :
شکل 5، فرایندهای حکاکی لیتوگرافی نرم، گرمایی، و UVنشان می دهد.
در لیتوگرافی نرم قالب معمولا از مواد انعطاف پذیری مثل PDMS ساخته می شود. لیتوگرافی نرم دارای
شکل 4- تصویری از دستگاه Imprint از نوع Imprio 100
شکل 5- سه فرایند لیتوگرافی حکاکی a) نرم،b) گرمایی وc)UV
محدودیت هایی است، از جمله محدودیت در وضوح، که به خاطر اعوجاج در شکل ها در اثر چگالی غیر یکنواخت طرح ها به وجود می آید. در این روش یک قالب الاستوپلیمری جهت تهیه الگوی اصلی وجود دارد. پس از تهیه الگو، سطح آن را آغشته به ماده مقاوم در برابر محلول خورنده می نماییم که ماده مقاوم در اینجا باید به شکل مایع باشد، سپس الگو را روی زیرلایه قرار داده و پس از برقراری تماس، الگو را جدا کرده و مرحله حکاکی را انجام می دهیم.
فرایند دوم نشان داده شده در شکل8 فرایند نانوحکاکی گرمایی است که الگوی طرح دار در تماس با یک لایه با ویسکوزیته بالا قرار دارد که این لایه با روش چرخشی نشانده شده است. دمای موادی ویسکوز تا دمای Tg(دمای شیشه ای شدن) بالا برده می شود و سپس الگو روی زیرلایه فشرده می شود تا با هم تطابق پیدا کنند.
فرایند سوم نشان داده شده در شکل8 که فرایند حکاکی با اشعه UV است، از مواد پلیمری که در اثر اشعه UV استحکام آنها زیاد می شود، استفاده می کند. در این روش یک فرایند با دمای اتاق و فشار کم به خاطر استفاده از مواد تاثیرپذیر از UV بدست آمده است. که این مواد به شکل قطراتی جدا از هم، با حجمی در حدود پیکولیتر، قبل از اینکه فاصله بین ماسک و زیرلایه بسته شود، توزیع می شوند. پس از توزیع ماده، اشعه UV به آن تابانده می شود و آن را در اثر ایجاد پیوند عرضی مستحکم می کند. سپس الگو از زیرلایه جدا شده و مرحله حکاکی انجام می شود، شکل نهایی طرح روی زیرلایه منتقل می شود.
منبع: http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/103
