برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۵/۲۶ تا ۱۳۹۸/۰۶/۰۱

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۱۶۳
  • بازدید این ماه ۷۵
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۶۳
  • قبول شدگان ۲۱۷
  • شرکت کنندگان یکتا ۶۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۹
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

طرح درس

منابع دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

مقدمه‌ای بر روش نانولیتوگرافی

با پیشرفت روزافزون فناوری، ساخت و توسعه ابزارهای الکترونیکی با ابعاد کوچک‌تر، سرعت بالاتر، خواص مطلوب‌تر و کارایی بهتر نیز بهبود یافته است. در این راستا، کار‌های تحقیقاتی فراوانی برای توسعه روش‌های ساخت مبتنی بر فناوری نانو انجام شده است. لیتوگرافی یکی از روش‌­های متداول برای ساخت مدارهای الکترونیکی است. این روش با گسترش ابزارهایی مانند میکروسکوپ­‎های الکترونی و میکروسکوپ‌های پروب روبشی توسعه یافته است، به‌طوری‌که امروزه می‌توان با استفاده از آن ساختارهایی با ابعاد 10 نانومتر با دقت و کیفیت بالا تولید کرد. محققان می‌کوشند تا با تجاری‌سازی و تولید انبوه تجهیزات نوین لیتوگرافی هزینه تولید قطعات را کاهش دهند. در این مقاله به مباحث پایه و معرفی کلی انواع روش‌های لیتوگرافی پرداخته می‌شود. همچنین روش لیتوگرافی نوری به عنوان منداول‌ترین روش سنتی تشریح شده و معایب و مزایای آن در مقایسه با روش‌های دیگر لیتوگرافی مورد بررسی قرار می‌گیرد. 

1- مقدمه

امروزه با رشد صنایع میکروالکترونیک، ابعاد اجزای الکترونیکی در مدارهای میکروالکترونیک به طور مداوم در حال کوچک‌شدن است. کوچک‌سازی اجزای الکترونیکی دارای مزایایی فراوانی است که از جمله آن‌ها می‌توان به کاهش مصرف مواد اولیه، کاهش مصرف انرژی، کاهش قیمت تمام‌شده قطعات الکترونیکی و ادامه روند مینیاتوریزه‌کردن آن‌ها را اشاره کرد. علاوه بر این، کاهش ابعاد باعث افزایش سرعت و بازده قطعات الکترونیکی می‌شود.  

از زمان ساخت مدار‌های مجتمع، تعداد ترانزیستورهای موجود در واحد سطح تراشه‎­های نیمه‌رسانا، هر هجده ماه دو برابر می‌­شود. این پیشگویی توسط مور (Moor) در دهه 80 میلادی بیان شد و طی چند دهه اخیر محقق شده است. بنابراین، صنعت نیازمند استفاده از روش­‎هایی برای ساخت قطعات در ابعاد نانومتری است. امروزه تلاش زیادی برای پیشرفت روش‎­های ساخت نانو‌ساختارها و قطعات مبتنی بر فناوری نانو انجام شده است. یکی از رویکردهای ساخت بالا‌به‌پایین در تولید ادوات نانوساختار، استفاده از روش‌های نانولیتوگرافی است.

 

2- معرفی لیتوگرافی

لیتوگرافی یک واژه یونانی است که از دو قسمت لیتوس (Lithos) به‌ معنای سنگ و گرافی (Graphia) به‌ معنای نوشتن و حکاکی‌کردن تشکیل شده است. بنابراین، ترجمه کلمه به کلمه این واژه به‌صورت حکاکی روی سنگ است. این روش شامل ترسیم یک طرح لیتوگرافی از یک الگو بر روی ماده‌ای الکترونیکی و سپس انتقال آن طرح به ماده‌ای دیگر برای تولید یک ابزار الکترونیکی یا نوری است.

 

3- تقسیم­‎بندی روش‎­های لیتوگرافی

روش‌های لیتوگرافی را می‌توان به شیوه‌های گوناگون دسته‌بندی کرد. با پیشرفت تجهیزات و ظهور فناوری‌های نوین، روش‌های لیتوگرافی پیچیده و دقیقی با عنوان نانولیتوگرافی، برای معماری در ابعاد نانومتری و مولکولی توسعه یافته‌اند. امروزه از این روش‌ها به طور وسیعی برای ساخت مدارهای مجتمع، ادوات ذخیره اطلاعات، حسگر‌های مینیاتوریزه‌شده، سیستم­‎های میکروالکترومکانیکی (MEMS)، سیستم­‎های نانوالکترومکانیکی (NEMS) و تراشه‌های زیستی استفاده می‎­شود.

روش‌های لیتوگرافی بر اساس ابزار مورد نیاز، روش انتقال تصویر و استراتژی الگوگذاری به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: (الف) نوشتن یا حکاکی مستقیم و (ب) انتقال طرح با ماسک نوری با استفاده از روش‎­های متداول تابش. روش اول تحت عنوان حکاکی سری [Serial Writing] و روش دوم به عنوان روش‎­های همانند‌سازی موازی [Parallel Replication] شناخته می­شود.

روش­‌های همانند‌سازی موازی شامل روش‌های لیتوگرافی نوری، چاپ تماسی و لیتوگرافی مُهر نانویی می‌شود. این روش‌ها برای تولید با بازده بالا و در مقیاس وسیع کاربرد دارند، اما با استفاده از آن‌ها نمی‎­توان طرح­‎ها را به‌صورت دلخواه اعمال کرد. به عنوان مثال، در روش چاپ میکروتماسی با تماس فیزیکی می‌توان مولکول‎­های ماده موردنظر را به زیرلایه انتقال داده و طرح مورد نظر را ایجاد کرد. مثالی از این روش در شکل 1 نشان داده شده است.

 

شکل 1- انتقال مولکول­#های آلکان‌تیول از یک مُهر الاستومری به زیرلایه.

 

برای ایجاد الگوهای دلخواه با قدرت تفکیک بالا و ثبت دقیق از روش‌های حکاکی سری مانند لیتوگرافی پروب روبشی استفاده می‌شود. اما بازده و سرعت این روش پایین است. لیتوگرافی پروب روبشی (Scanning Probe Lithography :SPL) روشی بر پایه [Scanning Probe Microscopy] SPM بوده و طرح مورد نظر را با روش‌های مختلفی مانند خراش، نوشتن و تابش بر روی زیرلایه ایجاد می‌کند. ابعاد طرح نهایی ایجاد‌شده با این روش 10 تا 100 نانومتر است. در روش SPL، از سه نوع پروب AFM [Atomic Force Microscopy]، STM [Scanning Tunneling Microscopy] و SNOM [Scanning Nearfield Optical Microscopy] استفاده می‌شود.

به دنبال بهبود حد تفکیک روش‌های لیتوگرافی در ابعاد نانومتری، می‌توان از روش لیتوگرافی پروب روبشی برای مشخصه‌یابی سطوح نیز بهره برد. ایجاد الگو بر روی سطوح با استفاده از این روش مستلزم به‌کارگیری ابزار و فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند یک نانو‌قلم و جوهرهای مولکولی است. در بخش 4 به توصیف دقیق‌تر این روش پرداخته خواهد شد.

لیتوگرافی باعث افزایش دمای نمونه تا بیش از 100 درجه سانتیگراد می­‎شود. بنابراین استفاده از این روش‌ها برای مواد نرم و زیستی مناسب نبوده و بایستی از روش‌هایی که نیاز به چنین دمایی ندارند مانند SPL، استفاده کرد.

 

1-3- لیتوگرافی نوری

لیتوگرافی نوری قدیمی‎­ترین روش برای ایجاد طرح به شمار می‌رود. به عنوان مثال، روش لیتوگرافی نوری با اشعه ماوراءبنفش در صنعت نیمه‌رسانا‌ها و IC کاربرد بسیار زیادی دارد. این روش برای ایجاد الگو در ساخت IC‌ها، ریزتراشه‌ها و ادوات میکروالکترومکانیکی تجاری به کار می‎رود. در این فرآیند، ابتدا سطح نیمه­‎رسانا (ویفر سیلیکونی) را با لایه نازکی از یک ماده مقاوم حساس به نور که اصطلاحاً photo-resist نامیده می‌شود، می‌پوشانند. بدین صورت که مقدار کمی از محلول حاوی ماده photo-resist بر روی سطح زیرلایه ریخته شده و سپس زیرلایه با سرعت بالایی حول محور خودش چرخانده می­‌شود تا محلول اضافی تبخیر شده و خارج شود. در نتیجه، لایه نازکی از ماده مقاوم در حالت جامد با ضخامت 2-0/1 میکرومتر بر روی سطح زیرلایه ایجاد می‌شود (شکل 2). در ادامه، زیرلایه پوشش‌داده‌شده با ماده مقاوم تحت عملیات حرارتی پخت قرار می‌گیرد تا حلال باقیمانده به طور کامل خارج شده و برای ایجاد طرح آماده شود.

 

شکل 2- پوشش سطح زیرلایه با ماده مقاوم.

 

برای ایجاد طرح، پرتوی فرابنفش با طول موج 436-193 نانومتر از میان یک ماسک نوری بر اساس طرح مدار مورد نظر عبور کرده و به ماده مقاوم برخورد می‌کند. ماسک نوری معمولاً از جنس کوارتز یا شیشه است. بخش‌هایی از ماده مقاوم که در معرض تابش فرابنفش قرار گرفته است، دچار واکنش‌هایی شده و به این ترتیب، وزن مولکولی آن و لذا قابلیت انحلال آن در حلال تغییر می­‌کند. حال زیرلایه پوشش‌داده‌شده با ماده مقاوم که در معرض تابش قرار گرفته است، به وسیله یک محلول شیمیایی مناسب موسوم به ظاهر‌کننده (developer) شستشو داده می‌شود و طرح مورد نظر در اثر فرآیند اچ بر روی زیرلایه ایجاد می‌شود. می‌توان با تکرار این فرآیند طرح‌های پیچیده‌ای را بر روی سطح زیرلایه به وجود آورد. در اثر تابش فرابنفش، تغییر حلالیت ماده مقاوم در محلول ظاهر‌کننده به‌دلیل شکسته‌‌شدن پیوندها (مقاوم مثبت) یا ایجاد اتصالات عرضی (مقاوم منفی) صورت می‌گیرد. در این حالت، انحلال ماده مقاوم مثبت در ناحیه طرح افزایش و انحلال ماده مقاوم منفی کاهش می‌یابد. پلی‌متیل‌متاکریلات (PMMA: polymethylmethacrylate) یکی از انواع مقاوم‌های مثبت است. مواد مقاوم منفی حد تفکیک و کنتراست کمتری نسبت به مواد مقاوم مثبت دارند. هالیدهای فلزی، اکسیدهای فلزی و اکسیدهای نیمه‌رسانا جزء مواد غیرآلی هستند که به عنوان ماده مقاوم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

شکل 3- شمایی از روش لیتوگرافی نوری.

 

لیتوگرافی نوری به سه شکل مختلف انجام می‌شود: (الف) چاپ تماسی، (ب) چاپ مجاورتی و (ج) چاپ پرتوافکنی. شمایی از این روش‌ها در شکل 4 آورده شده است.

 

شکل 4- شمایی از اشکال مختلف لیتوگرافی نوری شامل: (الف) چاپ تماسی، (ب) چاپ مجاورتی و (ج) چاپ پرتوافکنی.

 

 در روش‌های چاپ تماسی و مجاورتی، ماسک نوری در تماس با ماده مقاوم یا در نزدیکی آن قرار داده می‌شود. در حالت کلی، روش‌های چاپ تماسی و مجاورتی قادر به ایجاد الگو‌های با ابعاد چند میکرومتر هستند. بنابراین، معمولاً برای تولید الگو‌هایی با حد تفکیک متوسط به‌ویژه در آزمایشگاه‌ها و شرکت‌های نه چندان بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. شایان ذکر است که لیتوگرافی نوری در بسیاری از کار‌های پژوهشی معمولاً به صورت چاپ تماسی یا مجاورتی انجام می‌شود. در مقابل، سیستم چاپ پرتوافکنی از یک عدسی نوری برای انتقال الگو از یک لیزر اکسمر [Excimer laser] با طول موج 193 یا 148 نانومتر بر روی ماده مقاوم استفاده می‌کند که باعث کاهش اندازه الگو به میزان 2 تا 10 برابر می‌شود. این روش قادر به ساخت الگو‌هایی با حد تفکیک بالا تا چند ده نانومتر (37 نانومتر) با بازده بالا (80-60 ویفر در ساعت) است. با این حال، این روش علاوه بر سیستم عدسی نوری پیشرفته، نیازمند استفاده از سیستم‌های کنترل دقیق دما و مکان است که موجب بالا‌ رفتن هزینه‌های ساخت آن می‌شود. بنابراین، این روش در ساخت IC‌های پیشرفته و تراشه‌های CPU به کار برده می‌شود. در سال‌های اخیر، لیتوگرافی غوطه‌وری [Immersion lithography]، فناوری بهبود حد تفکیک و لیتوگرافی پرتو فرابنفش با انرژی بالا به منظور بهبود حد تفکیک در لیتوگرافی نوری به شکل چاپ پرتوافکنی توسعه یافته است.

 

2-3- محدودیت لیتوگرافی نوری

محدودیت حد تفکیک در روش‌های نوری از جمله لیتوگرافی نوری یکی از محدودیت‌های ذاتی آن‌ها محسوب می‌شود. حد تفکیک یک سیستم نوری متناسب با طول موج پرتو مورد استفاده است. لذا اندازه کوچک‌ترین طرح قابل دستیابی (MFS= Minimum Feature Size) از رابطه زیر بدست می‌­آید:

در این رابطه، K عدد ثابتی است که به کنتراست و سایر ویژگی­‌های ماده مقاوم بستگی دارد. λ طول موج تابش و NA روزنه عددی [Numerical Aperture] یا معیار توانایی سیستم در گرد‌آوری نور است که به‌صورت سینوس زاویه گردآوری لنز تعریف می‌شود. روزنه عددی مقیاسی از اندازه عدسی بوده و عددی بدون بعد است.

برای دستیابی به بیشترین حد تفکیک بایستی علاوه بر به‌حداقل‌رساندن طول موج نور تابیده‌شده، فاصله بین ماسک نوری و زیرلایه و نیز ضخامت لایه مقاوم به کمترین میزان ممکن کاهش یابد. اگر ماسک به سطح لایه مقاوم بچسبد (چاپ تماسی)، حد تفکیک بهبود می‌یابد، اما ماسک دچار فرسایش می‌شود. با این حال، اگر فاصله ماسک از لایه مقاوم در حد چند نانومتر در نظر گرفته شود (چاپ مجاورتی)، حد تفکیک کاهش می‌یابد اما طول عمر ماسک بیشتر خواهد بود. دستیابی به حد تفکیک زیر 1 میکرومتر با استفاده از روش‌های لیتوگرافی نوری با پرتو فرابنفش استاندارد امری دشوار است.

 

4-  توسعه روش‎­های لیتوگرافی

برای دستیابی به رزولوشن بالاتر و ابعاد کوچک‌تر در مقیاس نانو، بایستی طول موج نور مورد استفاده کاهش یابد. بنابراین، روش‎­های  مبتنی بر استفاده از باریکه ذرات (الکترون، یون، اتم‌های خنثی و غیره) توسعه یافته‌اند. در این روش‌ها، از یون‎­ها، الکترون‎­ها یا اتم‌­های خنثی برای جدا‌ کردن بخشی از سطح استفاده می­‌شود. برای تولید ساختارهایی با ابعاد کوچک‎تر، از روش‌های لیتوگرافی پرتو فرابنفش با انرژی بالا (EUV: Extreme UltraViolet Lithography)، لیتوگرافی اشعه ایکس، لیتوگرافی باریکه الکترونی (EBL: Electron Beam Lithography)، لیتوگرافی باریکه یونی متمرکز‌شده (Focused Ion Beam Lithography :FIB)، لیتوگرافی میکروسکوپ پروب روبشی و روش‌­های لیتوگرافی مبتنی بر مُهر (استامپ) مانند لیتوگرافی نرم استفاده می‌شود.

روند کار لیتوگرافی پرتو فرابنفش با انرژی بالا و اشعه ایکس همانند لیتوگرافی نوری است، اما در این روش‌ها به دلیل انرژی بالای پرتو‌های مورد استفاده، نیاز به به‌کار‌گیری مواد مقاوم با قابلیت‌های ویژه و اپتیک خاص وجود دارد. شایان ذکر است که با استفاده از این روش‌ها می‌توان الگو‌هایی با دقت زیر 100 نانومتر ایجاد کرد.

در لیتوگرافی باریکه الکترونی از الکترون­‌هایی با انرژی کنترل‌شده استفاده می‌­شود. این باریکه الکترونی شتاب‌دار‌شده به صورت متمرکز بر روی ماده مقاوم حساس به الکترون تابیده می‌شود. این روش در مقاله جداگانه‌ای مورد بحث قرار گرفته است.

در روش لیتوگرافی با باریکه یونی متمرکز‌شده، از باریکه یونی متمرکزشده گوسین برای حکاکی استفاده می‌شود. مهم‎ترین مزیت این روش تطبیق‎­پذیری بالای آن است، به‌طوری‌که می‌توان با استفاده از فرآیندهایی مانند تابش یونی به یک ماده مقاوم، آسیاکاری یونی، اچ القا‌شده یونی یا کاشت یونی در مناطق مورد نظر، طرح‌های لیتوگرافی با دقتی کمتر از 100 نانومتر ایجاد کرد.

لیتوگرافی مبتنی بر مُهر یک روش غیرتابشی بوده و اصولاً یک روش قالب‌گیری میکرونی است. در این روش، ابتدا الگویی از طرح مورد نظر ایجاد می‌شود. در لیتوگرافی مُهر نانویی این الگو از جنس نیکل یا سیلیسیم است. برای ایجاد طرح بر روی زیرلایه، ابتدا مقدار کمی از یک مایع بر روی سطح پخش شده و الگوی مورد نظر با اعمال فشار، مُهر شده و سپس طرح بر روی زیرلایه ثابت می­‌شود. لیتوگرافی نرم یکی از روش‌های لیتوگرافی مبتنی بر مُهر است که در آن از یک مُهر پلیمری نرم برای انتقال الگویی از یک محلول حاوی مولکول‌های مورد‌ نظر (جوهر) بر روی زیرلایه استفاده می‌شود. شمایی از این روش در شکل 5 آورده شده است. در این روش به دلیل استفاده از مُهر پلیمری نرم، امکان ایجاد الگو بر روی زیرلایه‌های غیر‌مسطح و انعطاف‌پذیر وجود دارد. این امر یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد روش لیتوگرافی نرم آن است.

 

شکل 5- شمایی از فرآیند لیتوگرافی نرم.

 

خلاصه‌ای از مشخصات (اندازه کوچک‌ترین مشخصه و بازده) و کاربرد روش‌های اصلی لیتوگرافی در جدول 1 آورده شده است.

 

جدول 1- مشخصات و کاربرد روش‌های اصلی لیتوگرافی


 

5- نتیجه‌­گیری

لیتوگرافی یک روش ساخت بالا‌به‌پایین است که برای تولید نانوساختارهایی با دقت ابعادی مناسب و کیفیت بالا استفاده می‌شود. دقت، حد تفکیک الگو و ابعاد قابل دستیابی در این روش به ابزار مورد استفاده بستگی دارد. برای رسیدن به ابعاد کوچک‌تر و دقت ابعادی بالاتر، روش­‎هایی مانند لیتوگرافی پروب روبشی، لیتوگرافی پرتو ایکس و باریکه الکترونی توسعه یافته است. با این حال، این روش‌ها نسبت به لیتوگرافی نوری پر‌هزینه‌تر بوده و قابلیت تولید انبوه ندارند. محققان در تلاش هستند تا از این روش‌ها برای تولید انبوه ادوات الکترونیکی با‌کیفیت استفاده کنند.