Nanolitografía

La nanolitografía (NL) es un campo de técnicas en crecimiento dentro de la nanotecnología que se ocupa de la ingeniería (patrones, por ejemplo, grabado, depósito, escritura, impresión, etc.) de estructuras a escala nanométrica en diversos materiales.

El término moderno reflexiona sobre un diseño de estructuras construidas en un rango de 10 a 10 metros, es decir escala nanométrica. Esencialmente, el campo es un derivado de la litografía, que solo cubre estructuras muy pequeñas. Todos los métodos de NL se pueden clasificar en cuatro grupos: fotolitografía, litografía de escaneo, litografía blanda y otras técnicas misceláneas.

Historia

El NL ha evolucionado a partir de la necesidad de aumentar el número de características submicrométricas (por ejemplo, transistores, condensadores, etc.) en un circuito integrado para mantenerse al día con la Ley de Moore. Si bien las técnicas litográficas existen desde finales del siglo XVIII, ninguna se aplicó a estructuras a nanoescala hasta mediados de la década de 1950. Con la evolución de la industria de los semiconductores, se disparó la demanda de técnicas capaces de producir estructuras a escala micro y nanométrica. La fotolitografía se aplicó a estas estructuras por primera vez en 1958, comenzando la era de la nanolitografía.

Desde entonces, la fotolitografía se ha convertido en la técnica de mayor éxito comercial, capaz de producir patrones por debajo de los 100 nm. Hay varias técnicas asociadas con el campo, cada una diseñada para servir a sus múltiples usos en las industrias médica y de semiconductores. Los avances en este campo contribuyen significativamente al avance de la nanotecnología y son cada vez más importantes en la actualidad a medida que aumenta la demanda de chips de computadora cada vez más pequeños. Otras áreas de investigación se ocupan de las limitaciones físicas del campo, la recolección de energía y la fotónica.

Nosotros

Del griego, la palabra nanolitografía se puede dividir en tres partes: "nano" que significa enano, "lith" que significa piedra y "grafía" que significa escribir o "pequeña escritura sobre piedra".

Foto litografía

A partir de 2021, la fotolitografía es la técnica más utilizada en la producción en masa de dispositivos microelectrónicos y semiconductores. Se caracteriza tanto por un alto rendimiento de producción como por características de tamaño pequeño de los patrones.

Litografía óptica

La litografía óptica (o fotolitografía) es uno de los conjuntos de técnicas más importantes y predominantes en el campo de la nanolitografía. La litografía óptica contiene varias técnicas derivadas importantes, todas las cuales usan longitudes de onda de luz muy cortas para cambiar la solubilidad de ciertas moléculas, haciendo que se eliminen en la solución, dejando atrás una estructura deseada. Varias técnicas de litografía óptica requieren el uso de inmersión en líquidos y una serie de tecnologías de mejora de la resolución, como máscaras de cambio de fase (PSM) y corrección de proximidad óptica (OPC). Algunas de las técnicas incluidas en este conjunto incluyen litografía multifotónica, litografía de rayos X, nanolitografía de acoplamiento de luz (LCM) y litografía ultravioleta extrema (EUVL).Esta última técnica se considera la técnica de litografía de próxima generación (NGL) más importante debido a su capacidad para producir estructuras con precisión por debajo de 30 nanómetros a altas tasas de rendimiento, lo que la convierte en una opción viable para fines comerciales.

Litografía óptica cuántica

La litografía óptica cuántica (QOL), es un método de difracción ilimitada capaz de escribir a una resolución de 1 nm por medios ópticos, utilizando un diodo láser rojo (λ = 650 nm). Se obtuvieron patrones complejos como figuras geométricas y letras a una resolución de 3 nm en sustrato resistente. El método se aplicó al grafeno nanopatrón a una resolución de 20 nm.

Litografía de escaneo

Litografía por haz de electrones

La litografía por haz de electrones (EBL) o la litografía de escritura directa por haz de electrones (EBDW) escanea un haz de electrones enfocado en una superficie cubierta con una película o resistencia sensible a los electrones (p. ej., PMMA o HSQ) para dibujar formas personalizadas. Al cambiar la solubilidad de la resistencia y la subsiguiente eliminación selectiva del material por inmersión en un solvente, se lograron resoluciones inferiores a 10 nm. Esta forma de litografía sin máscara de escritura directa tiene alta resolución y bajo rendimiento, lo que limita los haces de electrones de una sola columna a la fabricación de fotomáscaras, la producción de bajo volumen de dispositivos semiconductores y la investigación y el desarrollo. Los enfoques de haz de electrones múltiples tienen como objetivo un aumento del rendimiento para la producción en masa de semiconductores. EBL se puede utilizar para el nanopatrón selectivo de proteínas en un sustrato sólido, destinado a la detección ultrasensible.

Litografía con sonda de escaneo

La litografía con sonda de barrido (SPL) es otro conjunto de técnicas para crear patrones a escala nanométrica hasta átomos individuales utilizando sondas de barrido, ya sea grabando material no deseado o escribiendo directamente material nuevo en un sustrato. Algunas de las técnicas importantes en esta categoría incluyen la nanolitografía con pluma de inmersión, la nanolitografía termoquímica, la litografía con sonda de exploración térmica y la nanolitografía de oxidación local. La nanolitografía por inmersión es la más utilizada de estas técnicas.

Escritura de haz de protones

Esta técnica utiliza un haz enfocado de protones de alta energía (MeV) para modelar material resistente en nanodimensiones y se ha demostrado que es capaz de producir patrones de alta resolución muy por debajo de la marca de 100 nm.

Litografía de partículas cargadas

Este conjunto de técnicas incluye litografías de proyección de iones y electrones. La litografía por haz de iones utiliza un haz concentrado o amplio de iones energéticos ligeros (como el He) para transferir patrones a una superficie. Mediante el uso de la litografía de proximidad de haz de iones (IBL), las características a nanoescala se pueden transferir a superficies no planas.

Litografía blanda

La litografía blanda utiliza materiales elastómeros hechos de diferentes compuestos químicos como el polidimetilsiloxano. Los elastómeros se utilizan para hacer un sello, un molde o una máscara (similar a una fotomáscara) que, a su vez, se utiliza para generar micropatrones y microestructuras. Las técnicas descritas a continuación se limitan a una etapa. El consiguiente modelado sobre las mismas superficies es difícil debido a problemas de desalineación. La litografía blanda no es adecuada para la producción de dispositivos basados ​​en semiconductores, ya que no es complementaria para la deposición y el grabado de metales. Los métodos se utilizan comúnmente para la elaboración de patrones químicos.

Litografía PDMS

Impresión por microcontacto

Litografía blanda multicapa

Técnicas misceláneas

Litografía de nanoimpresión

La litografía de nanoimpresión (NIL) y sus variantes, como la litografía de impresión Step-and-Flash y la impresión dirigida asistida por láser (LADI) son tecnologías prometedoras de replicación de nanopatrones en las que los patrones se crean mediante la deformación mecánica de las resistencias de impresión, generalmente formaciones de monómeros o polímeros que son curado por calor o luz ultravioleta durante la impresión. Esta técnica se puede combinar con la impresión por contacto y la soldadura en frío. La litografía de nanoimpresión es capaz de producir patrones a niveles inferiores a 10 nm.

Magnetolitografía

La magnetolitografía (ML) se basa en la aplicación de un campo magnético sobre el sustrato utilizando máscaras metálicas paramagnéticas denominadas "máscara magnética". La máscara magnética, que es análoga a la fotomáscara, define la distribución espacial y la forma del campo magnético aplicado. El segundo componente son las nanopartículas ferromagnéticas (análogas a la fotoprotección) que se ensamblan en el sustrato de acuerdo con el campo inducido por la máscara magnética.

Dibujo de nanofuente

Una sonda nanofountain es un dispositivo microfluídico similar en concepto a una pluma estilográfica que deposita un rastro estrecho de producto químico desde un depósito sobre el sustrato de acuerdo con el patrón de movimiento programado.

Litografía de nanoesferas

La litografía de nanoesferas utiliza monocapas de esferas autoensambladas (normalmente hechas de poliestireno) como máscaras de evaporación. Este método se ha utilizado para fabricar conjuntos de nanopuntos de oro con espacios controlados con precisión.

Litografía de partículas neutras

La litografía de partículas neutras (NPL) utiliza un haz amplio de partículas neutras energéticas para la transferencia de patrones en una superficie.

Litografía plasmónica

La litografía plasmónica utiliza excitaciones de plasmones de superficie para generar patrones más allá del límite de difracción, beneficiándose de las propiedades de confinamiento del campo de sublongitud de onda de los polaritones de plasmones de superficie.

Litografía de plantilla

La litografía de plantilla es un método paralelo y sin resistencia para fabricar patrones a escala nanométrica utilizando aberturas de tamaño nanométrico como máscaras de sombra.