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Técnicas de nanofabricación para aplicaciones en Nanotecnología – Jaca 2011
José Ignacio MartínUniversidad de Oviedo - CINN
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LITOGRAFÍA ÓPTICA
Líneas del Hg
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LITOGRAFÍA ÓPTICAPROYECCIÓN
NAkresolución
λ1= = MFS
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LITOGRAFÍA ÓPTICAPROYECCIÓN
LITOGRAFÍA DE INMERSIÓN
Cambiar el índice de refracción aumenta la NA (se recoge más luz)
El agua pura reúne todos los requisitos: n = 1.47, 5% absorción, compatible con lentes y fotoresina, no contamina.
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LITOGRAFÍA ÓPTICA
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LITOGRAFÍA ÓPTICAFUENTES DE LUZ
Longitud de onda (nm) Rango y fuente
436 Línea-G Lámpara Hg (UV)
365 Línea-I Lámpara Hg (UV)
248 Láser KrF (DUV)
193 Láser ArF (DUV)
157 Láser F2 (DUV)
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LITOGRAFÍA ÓPTICAFUENTES DE LUZ
Longitud de onda (nm) Rango y fuente
436 Línea-G Lámpara Hg (UV)
365 Línea-I Lámpara Hg (UV)
248 Láser KrF (DUV)
193 Láser ArF (DUV)
157 Láser F2 (DUV)
¿Longitud de onda menor?
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LITOGRAFÍA ÓPTICAFUENTES DE LUZ
Longitud de onda (nm) Rango y fuente
436 Línea-G Lámpara Hg (UV)
365 Línea-I Lámpara Hg (UV)
248 Láser KrF (DUV)
193 Láser ArF (DUV)
157 Láser F2 (DUV)
~ 10 (13.4) Plasma (EUV)
~ 1 Rayos-X, sincrotrón
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� Litografía EUV (ultravioleta extremo)
� Litografía con rayos-x
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� Litografía EUV (ultravioleta extremo)
� Litografía con rayos-x
� Litografía por interferencia láser� Litografía holográfica
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LITOGRAFÍA EUV(ULTRAVIOLETA EXTREMO)
Stulen & Sweeney, IEEE J. Quantum Electronics 35, 694 (1999)
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LITOGRAFÍA ÓPTICA
STEPPER
Control X-Y
Imagen sobre la obleaImagen sobre la oblea
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LITOGRAFÍA ÓPTICA
STEPPER
Control X-Y
Imagen sobre la obleaImagen sobre la oblea
¿ Sigue vigente para
λ pequeña ?
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LITOGRAFÍA EUVPara λ = 157 nm (láser F2) cambiar lentes de cuarzo por lentes
de CaF2 por problemas de absorción para λ < 180 nm
Para λ ~ 10 nm todos los materiales absorben prácticamente toda la luz
���� Cambiar óptica de refracción por óptica de reflexión
Máscara
Espejo de imagen secundario
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LITOGRAFÍA EUVESPEJOS λ ~ 10 nm
Coeficiente de reflexión
Stulen & Sweeney, IEEE J. Quantum Electronics 35, 694 (1999)
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LITOGRAFÍA EUVESPEJOS λ ~ 13.4 nm
Multicapas Mo/Si ( alto n / bajo n )
S. Bajt
D. AttwoodDispersión ~ 1/λ2 ���� rugosidad muy baja
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LITOGRAFÍA EUVESPEJOS λ ~ 13.4 nm
S. Bajt
D. Attwood
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LITOGRAFÍA EUVESPEJOS λ ~ 13.4 nm
D. Sweeney
D. AttwoodJ.Taylor
D. Attwood
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LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO
R. Stulen
D. Attwood
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LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO
D. Attwood & R. Stulen
λ pequeña = absorción por N2 + O2
Necesidad de vacío
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LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO
B. Replogle
D. Attwood
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LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO (proyección)
D. Sweeney
D. Attwood
4 espejos
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LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO (proyección)
D. Attwood
R. Hudyma & D. Sweeney
6 espejos
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LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO
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LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
Materia neutra no proporciona EUV
Se requiere no sólo iones, sino iones multicargadospositivamente
�Generación de un plasma
Temperaturas hasta del orden de 200000 K
Átomos ionizados con carga del orden de +10e
Radiación compatible con espejos de Mo/Si (λ ~ 13.4 nm)
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LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
Plasma de Xe
D. Attwood
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LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
G. O’Sullivan, R. Faulkner, A Cummings
D. Attwood
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LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
Plasma de Xe
D. Attwood
Banda espejos Mo/Si
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LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
Plasma de Xe Banda espejos Mo/Si
Ineficiente: 100 W de 13.4 nm implica varios kW de consumo de otras fuentes
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LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
Plasma de Sn
U. Stamm
Pueden contribuir iones de Sn desde +8e a +13e
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LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
Plasma de Sn
Mucho más efeciente que Xe
a 13.4 nm
D. Attwood,
G. O’Sullivan, R. Faulkner, A Cummings
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LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
PLASMA PRODUCIDO POR LÁSER (LPP)
D. Attwood
U. Stamm
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LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
PLASMA POR DESCARGA ELÉCTRICA (DPP)
D. Attwood, N.Fornaciari & G. Kubiak
U. Stamm
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LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
ESPECIFICACIONES REQUERIDAS
Control de la resolución Reproducibilidad de los pulsos de plasma
Rendimiento Potencia EUV producida + recogida por óptica colectora
100 obleas/hora ~ 100 W
Coste económico Vida de los componentes
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LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV
VIDA DE LOS COMPONENTES
Iones de la fuente de plasma tienen suficiente energía como para arrancar material (sputtering) del sistema (Xe ó Sn)
Si se usa Sn (+ eficiente para EUV), además se deposita sobre las lentes de Mo/Si colectoras!!!
� Vida de los componentes muy reducida
100 W + pulsos a 1kHz ~ 1 mes de vida
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LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO
R. Stulen
D. Attwood
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LITOGRAFÍA EUVMÁSCARA
Silicio u otro sustrato con bajo
coeficiente de expansión térmica
Multicapa Mo/SiCapping SiO2
Buffer Ru
Patrón de material absorbente (TaN, Cr, W)
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LITOGRAFÍA EUVMÁSCARADEFECTOS
AMPLITUD FASE
Se “pueden ver” (AFM, SEM, dispersión EUV) si los hay en la máscara pero es muy difícil
repararlos
���� ¡No pueden existir!
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LITOGRAFÍA EUVRESINA
Brainard et al, Microelectron. Eng. 61-62, 707 (2002)
λ (EUV) ~ tamañopolímero
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LITOGRAFÍA EUVRESINA
Transparencia: elementos en la resina con alta relación de aspecto
Densidad óptica: OD Transmitancia: T
OD = −−−− log(T)
Brainard et al,
Microelectron. Eng. 61-62, 707 (2002)
EUV: energía ���� baja transparencia independientemente de la resina
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LITOGRAFÍA EUVRESINA
Sensibilidad: menor potencia fuentes EUV ���� mayor sensibilidad de la resina (~ factor 10)
< 10 mJ/cm2
���� Cuidado con la rugosidad de borde de línea (LER)
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LITOGRAFÍA EUVRESINA
Positive Resist
2.3mJ/cm2 LER=7.2nm
Negative Resist
3.2mJ/cm2 LER=7.6nm
M. Smith
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LITOGRAFÍA EUV
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LITOGRAFÍA EUV
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LITOGRAFÍA EUV
D. Attwood, UCB
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LITOGRAFÍA POR RAYOS-X
λλλλ ~ 1 nmReduce el problema de la Difracción
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VENTAJAS• Se evita el problema de la difracción: alta resolución• Rápido - Proceso en paralelo • Posibilidad de obtener formas complejas
DESVENTAJAS• Se han de utilizar fuentes especiales de rayos-X: RADIACIÓN SINCROTRÓN (fuentes puntuales ~ centésima parte de la potencia de radiación)• Difícil de hacer máscaras���� Fuera de las hojas de ruta
LITOGRAFÍA POR RAYOS-X
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Jefferson Lab
LITOGRAFÍA POR RAYOS-X
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Máscaras
• Combinación de materialesopacos (elementos pesados: Au) y transparentes (membranas de bajo peso atómico: BN, S3N4) a los rayos-X
• Hecha por litografía electrónica• Polvo no es problema por ser transparente a los rayos-X
• Efectos de sombra
LITOGRAFÍA POR RAYOS-X
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Problemas con los efectos geométricosPenumbra: tamaño finito de la fuente+ espacio máscara-muestra
δ = Φ g/LIncidencia oblicua: desplazamientolateral d en la magnificación, a ser corregido al hacer la máscara
d = r g/L
LITOGRAFÍA POR RAYOS-X
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Máscara de oro
LITOGRAFÍA POR RAYOS-X
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LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO
Rendija d
Difracción Fresnel
Simulaciónd = 150 nmλ = 0.8 nm
A. J. Bourdillon
Y. Vladimirsky
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LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANOIntensidad a distancia crítica
( ~ d2/3λ)
A. J. Bourdillon
Y. Vladimirsky
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LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANOIntensidad a distancia crítica
( ~ d2/3λ)
¡ Motivos menores que en la máscara ! ���� Demagnificación
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LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO
A. J. Bourdillon
Y. Vladimirsky
d = 150 nmλ = 0.8 nm
Distintos niveles de revelado
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LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO
Demagnificación por desplazamiento
A. J. Bourdillon
Y. Vladimirsky
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LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO
Y. Vladimirsky
Demagnificación
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LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO
Y. Vladimirsky
Demagnificación
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LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO
Y. Vladimirsky
Correcciones en máscara
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LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER
Dos haces láser coherentes interfieren para producir franjasperiódicas con separación menor que la longitud de onda
Sin máscara
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Zona de InterferenciaDebido a la interferencia, la intensidad sobre la resina se modula.
La dosis solo es suficiente paracambiar las propiedades de la resina en los máximos de interferencia.
Se pueden obtener motivos de hasta λ/10 de tamaño
LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER
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Zona de InterferenciaDebido a la interferencia, la intensidad sobre la resina se modula.
La dosis solo es suficiente paracambiar las propiedades de la resina en los máximos de interferencia.
Se pueden obtener motivos de hasta λ/10 de tamaño
LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER
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LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER
Se pueden obtener arrays sobre áreas grandes, pero la estabilidadóptica y mecánica ha de ser óptima
P. W. Konkola
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LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER
C. A. Ross
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LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER
VENTAJAS• Rápido – Proceso en paralelo• Proceso relativamente sencillo – Sin máscara • Alta resolución y áreas relativamente grandes
DESVENTAJAS• Solo es posible hacer estructuras derivadas de interferogramas
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LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA ACROMÁTICA (AIL)
Problema: coherencia de la fuente de luz láser
Se pueden sustituir los espejospor redes de difracción quedifracten la luz de forma selectiva.
Nanoestructuras de hasta 13 nm en PMMA
MIT
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LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA DE RAYOS-X
L. J. Heyderman
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LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
D. XuMás de 2 haces ���� 3D
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LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
D. Xu
Al menos 4 haces para redes 3D
Se pueden obtener las 14 redes de
Bravais
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LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
Usar máscara de fase ���� provoca interferencia
Sistema complejo de configurar y estabilizar
D. Xu
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LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
L. Hunting
MÁSCARA FASE
Si
PDMS
PDMS
Photoresist
Si
PDMS
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LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
D. Xu
MÁSCARA FASE
ZT
C
λ
22Λ=
Tz
αtan
Λ=c
α
Cuadrada
Hexagonal
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LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
D. Xu
Log-pile structure1D Phase Mask
1st Exposure
Photoresist
Woodpile structure
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LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA
D. Xu
1D Phase Mask
1st Exposure
Photoresist
CRISTALES FOTÓNICOS
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Litografía EUV (ultravioleta extremo)
λ ~ 13.4 nm
Silicio u otro sustrato con bajo
coeficiente de expansión térmica
Multicapa Mo/SiCapping SiO2
Buffer Ru
Patrón de material absorbente (TaN, Cr, W)
Silicio u otro sustrato con bajo
coeficiente de expansión térmica
Multicapa Mo/SiCapping SiO2
Buffer Ru
Patrón de material absorbente (TaN, Cr, W)
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Litografía con rayos-x
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Litografía por interferencia láser
Sin máscara
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Técnicas de nanofabricación para aplicaciones en Nanotecnología – Jaca 2011
José Ignacio MartínUniversidad de Oviedo - CINN