5. Нанолитография

Литография – способ формирования изображений и структур на подложке. Ее широко используют в планарной технологии интегральных схем (ИС). Благодаря совершенствованию методов литографии выполняется закон соучредителя компании Интел Г. Мура (рис. 2).

Распространенным способом литографии в электронной технике является фотолитография – получение изображений в фоточувствительном слое фоторезиста. Фоторезист освещают УФ-лучами через маску с заданным рисунком, затем подвергают химическому, плазменному или ионно-плазменному травлению проявленных или непроявленных участков (это зависит от применяемого фоторезиста) и таким образом переносят рисунок на подложку. Последующее осаждение того или иного вещества (металл, полупроводник, диэлектрик) позволяет получать слои, повторяющие рисунок, и таким образом изготавливать элементы приборов (диоды, транзисторы, интегральные схемы и др.). Литография, таким образом, сочетает в себе два подхода: сверху вниз (травление) и снизу вверх (осаждение, напыление).

Прогрессивное уменьшение длины волны источника излучения наряду с расширением оптики изображения, снижением уровня краевой аберрации повышает разрешение. Один из приемов – переход к УФ-литографии, особенно литографии глубокого УФ-диапазона и литографии крайнего ультрафиолета. Применяется также ионно-лучевая и электронно-лучевая литография. Обычная фотолитография имеет разрешение 100–1000 нм, фотолитография глубокого ультрафиолета – около 80–100 нм, ионно-лучевая литография – до 6–10 нм, электронно-лучевая литография – до 2 нм. Производительность электронно-лучевой литографии составляет 10¹–10⁴ мкм²/ч.

Наиболее эффективной считается прямая электронно-лучевая литография, при реализации которой резист удаляется непосредственно под действием остросфокусированного электронного пучка и, следовательно, число технологических операций сокращается.

Вместе с тем стоимость установок для литографии постоянно растёт (рис. 165), и многие специалисты считают, что описанные выше

Рис. 165.

технические приёмы и средства в ближайшие несколько лет уже не позволяют прежними темпами снижать размер топологических элементов интегральных схем. Выходом может стать использование методов нанолитографии.

Нанесение рисунков (линий, фигур) на поверхность может проводиться зондовыми методами. Один из таких методов – зондовая перьевая нанолитография, контактирование перемещаемого по заданной программе зонда АСМ, покрытого раствором («чернила»), с поверхностью подложки (рис. 166). ^5-149

Рис. 166.

Этот метод принадлежит к группе процессов снизу-вверх. Перенос «чернил» с зонда на подложку происходит за счет капиллярных сил. Процесс локализован в мениске, возникающем в месте контакта зонда с подложкой. «Чернилами» могут служить растворы алкилтиолов, органосиланов, солей, полимеров, дендримеров, молекул ДНК, олигонуклеотидов и белков, органические красители, дисперсии наночастиц. Минимальная ширина линий достигает 15 нм (обычно выше), длина – нескольких микрон. Возможно последовательное нанесение «чернил» сначала одного, затем другого состава. Подложками могут служить Au, Si, SiO₂, слюда и стекло.

Разновидность метода – термическая зондовая нанолитография. Его особенностью является использование твердых «чернил», которые плавятся и наносятся лишь при нагревании кантилевера и подложки ^5-150 (рис. 167).

Рис. 167.

Еще одна разновидность – окислительная зондовая литография, сущность которой состоит в селективном электрохимическом окислении поверхностного слоя. Известны два варианта – окисление за счет туннелирующих электронов и при взаимодействии тех или иных реагентов (О₂, Н₂О) в создаваемом зондом локальном электрическом поле. С помощью АСМ было проведено локальное окисление Si, Ti, Ta, Cr, Al, Mo, Ni, Nb, гидрированного Si, Si₃N₄, пленок Ленгмюра-Блоджетт, органических резистов.

На поверхности Si протекает реакция:

Si + 2h⁺ + 2OH^– → Si(OH)₂ → SiO₂ + 2H⁺ + 2e^–.

На зонде идет восстановление Н₂:

2H⁺ + 2e^– → H₂.

На металлических подложках первая полуреакция записывается в виде:

M + nH₂O → MO_n + 2nH⁺ + 2ne^– .

Таким путем были созданы полевые транзисторы, в том числе одноэлектронные транзисторы. Cочетание локального окисления с сухим селективным химическим травлением позволило получить выпуклые и вогнутые микролинзы. ^5-151

Гидролизом растворов хлоридов и последующим нагреванием получены, в частности, наноструктуры из Al₂O₃, SiO₂ и SnO₂. Химические процессы используются также для селективной зондовой полимеризации.

Испытан процесс зондового восстановления металлов (Cu, Ag, Au, Pd), а также Ge из растворов их солей.

Распространенным методом является наносферная литография, также относящаяся к процессам снизу-вверх и позволяющая получать наночастицы, упорядоченно расположенные на подложке. Сущность метода заключается в использовании строго однородных наносфер, их тесной укладке в один слой на подложке, использовании в качестве маски при напылении того или иного вещества и удалении маски. Диаметр наносфер определяет величину пустот между сферами, расстояния между пустотами и опосредованно – размер напыленных частиц. Материалом наносфер обычно служит полистирол или кремний, диаметр наносфер меняется в пределах 100–2000 нм.

Для формирования маски используют дисперсию наносфер в растворителе, наносимую капельным методом и распределяемую на подложке специальным гребком. На рис. 168 дана микрофотография такой маски. Образование на подложке упорядоченно уложенного слоя наносфер из дисперсии определяется тремя процессами: действием капиллярных сил, конвективным переносом наносфер из объема жидкости в тонкую пленку и испарением растворителя.

Рис. 168.

В промышленном масштабе выпускаются микросферы диаметром 0.125, 0.25, 0.5 и 1.0 мкм. ^5-152

Процесс формирования упорядоченно расположенных островков на подложке с помощью микросферной литографии показан на рис. 169.

Рис. 169.

Локальное напыление на подложку или ее локальное травление реализуется при использовании в качестве маски мембраны из пористого оксида алюминия.

Наночастицы различной формы используются для теневой нанолитографии, сущность которой состоит в напылении металла под углом к поверхности подложки с нанесёнными на поверхность наночастицами. Эти наночастицы создают «тень» (поверхность, свободную от напылённого металла), причём разрешение может достигать 50 нм или менее. Ориентированное расположение наночастиц позволяет получать рисунки различного типа. Теневая литография описана в разд. 5.1.3.

Сравнение некоторых методов формирования рисунков на подложке дано в табл. 20.

Табл. 20.

Таблица 20. Свойства некоторых методов нанесения рисунков.

Под- ход	Метод	Испол-нение	Гибкость подложки	Разре-шение, нм	Ско-рость	Точ-ность	Длитель-ность цикла
сверху	фотолитография электр. литогр. нанопечать	индивид. серийное индивид.	нет нет нет	~ 35 ~ 15 ~ 10	оч. высок. средняя высокая	высокая то же то же	недели дни дни-недели
любой	ЗПЛ	любое	да	~ 14	оч. высок.	оч. высок.	часы
снизу	микропечать СТМ	индивид. серийное	да огранич.	~ 100 атомное	высокая оч. низкая	низкая оч.высок	дни-недели дни

ЗПЛ – зондовая перьевая литография; СТМ – использование сканирующего туннельного микроскопа.

Следует также указать, что по затратам при эксплуатации зондовые методы – ЗПЛ и СТМ относятся к наиболее дешевым, а по затратам на оборудование ненамного превышают такие методы, как микроконтактная печать, зато уступают наноконтактной печати и тем более фотолитографии и электронно-лучевой литографии.

По некоторым оценкам, разрешение R связано с производительностью литографического процесса G соотношением R = 23G^0.2.

Нанолитографию можно использовать для самосборки монослоев и матричного выпащивания биологических структур.

Развивается трёхмерная нанолитография (Leong*).