شرکت مهندسی نانو آداک

1- مقدمه :
امروزه با رشد اکثر صنایع از جمله صنعت میکروالکترونیک ( Microelectronic)، ابعاد اجزا در این سیستم‌ها و به خصوص در مدارهای میکروالکترونیک به طور مداوم در حال کوچک شدن است. این پدیده می‌تواند مزایایی از جمله کاهش مصرف مواد اولیه و انرژی،کاهش قیمت تمام شده قطعات و مینیاتوریزه کردن قطعات را شامل شود. همچنین گرایش به کاهش ابعاد، منافع دیگری از جمله افزایش سرعت و راندمان قطعات الکترونیکی را نیز به دنبال دارد [1].

از زمان ساخت مدار مجتمع، تعداد ترانزیستورهای موجود در واحد سطح تراشه های نیمه هادی هر 18 ماه دو برابر می شود. این پیشگویی توسط مور (Moor) دردهه 80 میلادی بیان گردید که طی دو دهه اخیر رخ داده است. از این رو صنعت، نیازمند استفاده از روش هایی جهت ساخت قطعات در ابعاد نانو می باشد[1] . امروزه تلاش های گسترده ای برای پیشرفت روش های ساخت نانو ساختارها (Nanofabrication) صورت می گیرد. یکی از استراتژی های بالا به پایین در ساخت ابزار نانو، که از تکنیک لیتوگرافی (Lithography) متداول ایجاد شده است به عنوان نانولیتوگرافی شناخته می شود [6-1].

2- معرفی لیتوگرافی :
لیتوگرافی یک واژه یونانی است که از دو قسمت لیتوس (Lithos) به معنای سنگ و گرافی (Graphia)به معنای نوشتن و حکاکی کردن، تشکیل شده است. با ترجمه کلمه به کلمه این واژه به صورت حکاکی بر روی سنگ معنی می شود [3]. این روش شامل تشکیل یک طرح لیتوگرافی از یک الگو روی یک ماده الکترونیک و انتقال آن طرح به ماده‌ای دیگر جهت تولید یک ابزار الکترونیکی یا نوری می باشد [6-1].

3- تقسیم بندی روش های لیتوگرافی:
تکنیک‌های لیتوگرافی را می‌توان به شیوه‌های گوناگون دسته‌بندی کرد. البته در طول زمان با پیشرفت ابزارها و ظهور تکنولوژی‌های جدید، این تکنیک به صورت روش‌های بسیار پیچیده و دقیق به تحت عنوان نانولیتوگرافی، برای معماری در ابعاد مولکولی و نانو توسعه داده شده‌اند؛ به طوری که در دهه های اخیر از این روش به طور وسیع برای ساخت مدارهای مجتمع، ابزارهای ذخیره اطلاعات، سنسورهای مینیاتوریزه شده، سیستم های میکروالکترومکانیک (MEMS) و نانوالکترومکانیک (NEMS) تراشه های زیستی استفاده می شود [6-1].

تکنیک های لیتوگرافی بر اساس ابزار مورد نیاز، روش انتقال تصویر و استراتژی الگوگذاری به دو روش تقسیم می‌شوند، که شامل نوشتن(حکاکی) مستقیم و یا انتقال طرح با استفاده از ماسک نوری با روش های متداول تابش و برخی روش های توسعه یافته می باشد. روش اول تحت عنوان حکاکی ردیفی (Serial Writing) و روش دوم به عنوان روش های تکرار موازی (Parallel Replication ) شناخته می شوند [3-1].

روش های تکرار موازی شامل روش هایی همچون لیتوگرافی نوری، چاپ تماسی و لیتوگرافی مهر نانو می باشد که برای تولید با بازده بالا و در سطح وسیع کاربرد دارند، با این حال در این روش نمی توان طرح ها را به صورت دلخواه اعمال کرد [3-1]. به عنوان مثال، روش چاپ میکروتماسی یک روش شناخته شده برای انتقال مولکول ها از ماده مورد نظر برای ایجاد طرح به زیرلایه، در اثر تماس فیزیکی می باشد. مثالی از این روش در شکل 1 نشان داده شده است [2].

روش حکاکی ردیفی، مانند لیتوگرافی پروب روبشی، امکان تولید الگوهای دلخواه را با رزولوشن بالا و ثبت دقیق فراهم می کند، ولی بازده و خروجی محدودی دارد [2]. لیتوگرافی پروب روبشی (SPL= Scanning Probe Lithography) به تکنیک های بر پایه (SPM=Scanning Probe Microscopy) اطلاق می شود که طرح را بر روی زیرلایه با استفاده از روش های مختلف مانند خراش، نوشتن و تابش ایجاد می کنند. ساختار حاصل از این دستکاری (Manipulation) دارای ابعادی بین 100-10 نانومتر می باشد. سه نوع اصلی پروب برای تکنیک SPL وجود دارد که شامل:

(AFM=Atomic Force Microscopy)،
(STM=Scanning Tunneling Microscopy) و
( SNOM(Scanning Nearfield Optical Microscopy می باشند [3].


با بهبود رزولوشن حاصل از تکنیک لیتوگرافی به حدود چند نانومتر، از این روش برای مشخصه یابی سطوح نیز استفاده می شود. این فرآیند برای ایجاد الگو روی سطوح نیازمند ابزار و فناوری پیشرفته مانند یک نانو قلم به همراه جوهر مولکولی می باشد [3].
نکته قابل توجه دیگر این است که انتقالات انجام شده با روش های لیتوگرافی سبب افزایش دما تا بالای 100 درجه سانتیگراد می شود. این در حالی است که مواد زیستی در این دما غیرفعال می شوند. تکنیک های SPL نیاز به چنین دمایی ندارند و از این رو برای دستکاری مواد زیستی ونرم مناسب می باشند [3].

3-1- لیتوگرافی نوری:
قدیمی ترین روش برای ایجاد طرح، لیتوگرافی نوری است؛ به طوری که صنعت نیمه هادی‌ها، به لیتوگرافی اشعه ماوراء بنفش وابسته است. در این فرآیند، الگو در یک لایه تصویری که ماده مقاوم (Resist) نامیده می شود، تشکیل میگردد. این لایه مقاوم حساس به نور بر روی زیرلایه ای از جنس نیمه هادی (به عنوان مثال ویفر سیلیکونی) قرار گرفته و سطح آن را می پوشاند. برای پوشش سطح با ماده مقاوم، مقدار کمی از آن به شکل محلول مایع روی سطح زیرلایه توزیع می شود. سپس زیرلایه تحت سرعت بالایی حول محور خودش چرخانده می شود، که در طی آن ماده اضافی از سیستم خارج شده و محلول نیز تبخیر می شود. درنتیجه لایه نازکی از ماده مقاوم جامد (2-0.1 میکرون) روی سطح زیرلایه شکل می گیرد. برای متراکم نمودن ماده مقاوم و همچنین خروج حلال باقیمانده، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم تحت یک عملیات حرارتی به عنوان پخت، قرار می گیرد. پس از این مرحله، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم برای ایجاد طرح آماده است [7-1].

3-2- محدودیت لیتوگرافی نوری:
محدودیت ذاتی تکنیک لیتوگرافی در تولید ابعاد مورد نظر، از محدودیت رزولوشن تکنیک های نوری نشأت می‌گیرد. رزولوشن در یک سیستم متناسب با طول موج اشعه استفاده شده است. به عبارت بهتر طول موج منبع نوری، کوچکترین اندازه قابل دستیابی را برای ابزار تعیین می کند. بر اساس منبع تابش، حداقل اندازه طرح قابل دستیابی (MFS= Minimum Feature Size) از رابطه زیر بدست می آید:

در این رابطه K یک عدد ثابت است که به کانتراست و سایر ویژگی های ماده مقاوم و حساس به نور مورد استفاده وابسته است. λ طول موج تابش و NA سنجش ظرفیت گردآوری نور (Numerical Aperture ) است که به صورت سینوس زاویه گردآوری لنز تعریف می شود و مقیاسی از اندازه لنزهای سیستم می باشد [7،3،4].


2-2- توسعه روش های لیتوگرافی:
جهت دستیابی به رزولوشن بالاتر و ابعاد کوچکتر در مقیاس نانو، نیاز است که طول موج نور مورد استفاده کاهش یابد. جهت غلبه بر این مشکل، روش های دیگر لیتوگرافی مانند روش های مبتنی بر استفاده از باریکه ذرات، توسعه پیدا کردند. در این روش‌ها یون ها، الکترون ها یا اتم های خنثی برای جدا کردن بخشی از سطح استفاده می شوند. بنابراین تولید ساختارهایی با ابعاد کوچکتر با استفاده از لیتوگرافی حد نهایی اشعه ماوراء بنفش (EUV= Extreme UltraViolet Lithography )، لیتوگرافی اشعه X، لیتوگرافی باریکه الکترونی (EBL= Electron Beam Lithography) ، لیتوگرافی باریکه یونی متمرکز شده (FIB= Focused Ion Beam Lithography) ، لیتوگرافی میکروسکوپ پروب روبشی و روش های بر پایه مهر (استامپ) امکان پذیر می‌گردد [6-1].

لیتوگرافی حد نهایی اشعه ماوراء بنفش و اشعه X، مانند لیتوگرافی نوری از امواج الکترومغناطیس ماوراء بنفش و X با انرژی بالا استفاده می کنند و روند کار مشابه لیتوگرافی نوری است، ولی بدلیل انرژی بالای این دو طیف، نیاز به چیدمانی از مواد مقاوم با قابلیت خاص و اپتیک ویژه می باشد [7].
لیتوگرافی باریکه الکترونی، از ستونی از الکترون ها با انرژی قابل کنترل و تغییر، با کمک میکروسکوپ الکترونی، برای لیتوگرافی استفاده می کند، که به طور کامل در بخش های بعدی درباره آن بحث خواهیم کرد.

لیتوگرافی باریکه یونی متمرکز شده، از باریکه یونی متمرکزشده گوسین برای حکاکی استفاده می کند. مهمترین مزیت این روش تطبیق پذیری بالای آن است، به نحوی که طرح های لیتوگرافی می توانند با فرآیندهایی شامل تابش یونی به یک ماده مقاوم، آسیاکاری یونی، اچ القا شده یونی یا کاشت یونی در مناطق مورد نظر ایجاد شوند. ابعاد این طرح ها می تواند به زیر 100 نانومتر نیز برسد[1].

لیتوگرافی بر اساس مهر یک روش غیرتابشی است، که اصولاً یک روش قالبگیری میکرونی می باشد. ابتدا باید الگویی از طرح ایجاد شود. در مورد لیتوگرافی مهر نانو این الگو از جنس نیکل یا سیلیکون می باشد. برای ایجاد طرح بر روی زیرلایه، مقدار کمی از یک مایع بر روی سطح توزیع می شود و الگو بر روی آن، در اثر اعمال فشار مهر شده و سپس طرح بر روی زیرلایه ثابت می شود [7].

نتیجه گیری :
لیتوگرافی، روشی با قابلیت تولید نانوساختارها با کیفیت و دقت ابعادی مناسب می باشد. بر اساس ابزار به کار رفته برای ایجاد طرح مورد نظر؛ دقت، رزولوشن طرح و ابعاد قابل دستیابی متفاوت است. برای رسیدن به ابعاد کوچکتر و دقت ابعادی بالاتر، روش هایی همچون لیتوگرافی پروب روبشی و یا لیتوگرافی با اشعه X و باریکه الکترونی توسعه داده شده اند. با این حال، این روش ها نسبت به لیتوگرافی نوری پر هزینه تر بوده و قابلیت تولید انبوه را ندارند، و محققان در تلاش هستند تا بتوانند از این تکنیک ها در تولید انبوه ابزارهای الکترونیک با کیفیت بالا استفاده کنند.

منابـــــع :

• 1. Edelstein, A.S., Cammarata, R.C. “Nanomaterials:Synthesis, Properties and Applications”, USA, Institute of Physics Publishing, (1996).
• 2. Guo, Z., Tan, L. “Fundamentals and Applications of Nanomaterials”, USA, Artech House, (2009).
• 3. Pradeep, T. “Nano: The Essential”, New Delhi, Tata McGraw-Hill Publishing Company, (2007).
• 4. Hannink, R. H. J., Hill, A.J. “Nanostructure control of materials”, USA, CRC press, (2006).
• 5. Geckeler, K.E., Nishide, H. “Advanced Nanomaterials”, VOL.1, UK, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co., (2010).
• 6. Yang, L., Akhatov, I., Mahinfalah, M., Jang Z.B. “Nano-Fabrication: A Review”, Journal of the Chinese Institute of Engineers, VOL.30, No.3, pp. 441-446 (2007).
• 7. Levinson, H.J. “Principles of Lithography”, Third Edition, USA, SPIE Press, (2010).