مقاله شماره 138: لیتوگرافی به روش حکاکی

m4material

مدیر تالار مهندسی مواد و متالورژی
مدیر تالار
بسم الله الرحمن الرحيم

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


 

Similar threads

بالا