Verbeterde methode voor het schrijven van patronen op nanometerschaal

Verbeterde methode voor het schrijven van patronen op nanometerschaal

Anonim

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en het Naval Research Laboratory (NRL) hebben een verbeterde methode ontwikkeld voor het rechtstreeks schrijven van patronen op nanometerschaal op verschillende oppervlakken.
De nieuwe schrijfmethode, genaamd "thermische dip-pen-nanolithografie", vertegenwoordigt een belangrijke uitbreiding voor dip-pen-nanolithografie (DPN), een steeds populairdere techniek die atoomkrachtmicroscopie (AFM) -sondes gebruikt als pennen om patronen op nanometerschaal te produceren.

Image

Afbeelding: afbeelding met infraroodmicroscoop toont een cantilever tijdens verwarming. De kleuren komen overeen met de temperatuur, waarbij de warmste ongeveer 200 graden Celsius bereikt. De microcantilevers zijn zodanig ontworpen dat de temperatuur alleen aan het vrije uiteinde toeneemt.

In conventionele DPN wordt een sondepunt bedekt met een vloeibare inkt, die vervolgens op het oppervlak stroomt om patronen te maken waar de punt contact maakt. Tientallen onderzoeksgroepen wereldwijd werken aan DPN-toepassingen, maar de techniek - die de AFM-tips gebruikt om oppervlaktepatronen te detecteren en nieuwe patronen te schrijven - is beperkt door het onvermogen om de inktstroom aan en uit te zetten. Bestaande dippennen brengen inkt aan zolang ze in contact blijven met een oppervlak.

De thermische DPN (tDPN) methode beschreven door de Georgia Tech en NRL wetenschappers lost dat probleem op door gemakkelijk gesmolten vaste inkten en speciale AFM-sondes met ingebouwde verwarmers te gebruiken waarmee schrijven naar believen kan worden in- en uitgeschakeld. De tDPN-techniek kan worden gebruikt om functies te produceren die te klein zijn om te worden gevormd met op licht gebaseerde lithografie en als een soldeerbout op nanoschaal voor het repareren van schakelingen op halfgeleiderchips. De techniek zou ook een nieuw hulpmiddel kunnen bieden voor het bestuderen van elementaire nanotechnologieverschijnselen.

Image

"Deze techniek breidt DPN uit naar nieuwe sets materialen en biedt een hogere mate van controle, " zei Lloyd J. Whitman, hoofd van de afdeling Surface Nanoscience and Sensor Technology bij NRL in Washington, DC "We geloven ook dat deze techniek DPN zal uitbreiden naar nieuwe omgevingen, zoals de vacuümomgevingen die beter compatibel zouden zijn met de conventionele fabricage van halfgeleiderapparatuur. ”

De tDPN-techniek wordt beschreven in het 30 augustus nummer van het tijdschrift Applied Physics Letters. Het onderzoek werd gesponsord door de National Science Foundation (NSF), Office of Naval Research (ONR) en Air Force Office of Scientific Research (AFOSR).

"We hebben een verwarmde AFM-tip gemaakt die ons controle geeft over de depositie en depositiesnelheid tijdens het schrijven, " zei William King, een universitair docent aan de School of Mechanical Engineering van Georgia Tech. "We kunnen de cantileververwarming in- en uitschakelen, dus voor het eerst kunnen we op sommige plaatsen schrijven en niet op andere."

Image
Image

Door duizenden individueel bestuurde AFM-pennen in arrays te combineren, kunnen complexe halfgeleiderpatronen worden beschreven. King zegt dat de thermische dip-pentechniek functies tot tien nanometer zou kunnen produceren, veel verder dan de grenzen van conventionele halfgeleiderpatroonprocessen die afhankelijk zijn van licht dat wordt geprojecteerd door een lithografisch masker.

De onderzoekers hebben tot nu toe lijnen geproduceerd van ongeveer 95 nanometer breed en optimaliseren hun proces om kleinere functies te maken.

"Deze ontwikkeling zou de halfgeleiderindustrie in staat kunnen stellen zijn doelen te bereiken zoals gespecificeerd in de technologische routekaart, " zei King. "Het zou ook de ontwikkelingskosten voor de halfgeleiderindustrie aanzienlijk kunnen verlagen door snelle prototyping en kosteneffectieve productie van kleine aantallen apparaten mogelijk te maken."

Conventionele dip pen nanolithografie kan niet worden gebruikt in een vacuüm omdat vloeibare inkten eenvoudig zouden verdampen. Maar de vaste materialen die in het thermische proces worden gebruikt, hechten zich aan oppervlakken, waardoor ze kunnen worden gebruikt in vacuümomgevingen die deel uitmaken van conventionele halfgeleiderproductie. De thermische materialen bieden ook scherpere functies omdat ze zich niet verspreiden zoals vloeibare inkten.

In hun artikel beschrijven de onderzoekers het gebruik van octadecylfosfonzuur (OPA), dat bij ongeveer 100 graden Celsius smelt, als hun inkt.

Sinds het indienen van het papier is de tDPN-techniek gebruikt om andere materialen toe te passen, waaronder soldeer en polymeren. Met behulp van organische materialen hopen de onderzoekers eind 2004 een werkend halfgeleiderapparaat te produceren.

De mogelijkheid om oppervlaktekenmerken te detecteren en nieuwe patronen neer te zetten met dezelfde AFM-tip kan nuttig zijn bij het repareren van fouten in de kleine patronen op circuits of maskers die worden gebruikt bij de productie van halfgeleiders.

"Misschien wilt u de AFM gebruiken als een fonograafstift om de bobbels op het oppervlak te voelen, maar als u de inkt niet kunt uitschakelen, laat u een spoor van inkt achter terwijl u de punt over het oppervlak bewoog, " merkte Paul Sheehan op, een chemicus bij NRL. "Maar met de mogelijkheid om de inkt aan en uit te zetten, kun je het oppervlak voelen zonder materiaal af te zetten, en vervolgens de warmte aanzetten en materiaal neerzetten waar je maar wilt."

Naast nano-elektronica kan de techniek ook worden gebruikt om bioanalytische arrays te maken voor het gelijktijdig testen van grote aantallen genen, geneesmiddelen of eiwitten.

De onderzoekers begonnen hun werk met het gebruik van AFM cantilevers van IBM's Zurich Research Lab. Koning en afgestudeerde student Tanya Wright fabriceren nu hun eigen cantilevers en worden daarmee slechts de derde groep ter wereld.

Naast de praktische toepassingen hopen de onderzoekers dat hun thermische dip-penproces tot fundamentele ontdekkingen zal leiden.

"Deze technologie is breed toepasbaar op alle soorten nanotechnologie, overal waar u kleine structuren wilt maken, variërend van elektronische apparaten tot arrays van detectie-elementen, " zei Whitman. “De nanotechnologiegemeenschap is geïnteresseerd in een breed scala aan hulpmiddelen om structuren op nanoschaal te maken voor allerlei functies. We denken dat deze technologie een rol kan spelen bij het maken, bestuderen en mogelijk repareren ervan. "

Het onderzoek kan ook helpen bij het beantwoorden van vragen over hoe warmteoverdracht verschilt op nanometerschaal.

"Er zijn belangrijke vragen over hoe u temperatuur definieert op deze schaal, " merkte King op. “Als je technisch ontwerpwerk rond dit proces wilt doen, kun je geen standaard warmteoverdrachtsvergelijkingen gebruiken. Deze technologie helpt ons de wetenschap van de warmtestroom op nanoschaal te begrijpen. ”

Bron: Georgia Institute of Technology