Nanojäljendlitograafia

Nanojäljendlitograafia (ingl k nanoimprint lithography) on nanolitograafia meetod, millega on võimalik jäljendi abil valmistada nanoskaalas mustreid. Nanojäljendlitograafias valmistatakse mustreid aluspinnale kaetud resisti mehaanilise deformeerimisega. Meetodi eelisteks teiste nanolitograafia meetodite ees on madal hind, suur tootlikkus ja kõrge lahutusvõime. Nanojäljendlitograafia peamine kasutusvaldkond on nanoelektroonika komponentide valmistamine, nagu näiteks integraallülitused, SRAM ja LED-ide pikslid. Esimesena kirjeldas nanojäljendlitograafia põhimõtet Stephen Y. Chou. Oma 1995. aastal avaldatud teadusartiklis näitas Chou koos oma töörühmaga nanojäljendlitograafiaga valmistatud pinnastruktuure, mille detailide minimaalne laius oli 25 nm. Edasise arendustöö käigus saavutati väga kõrged lahutusvõime väärtused (~10 nm) kõigest kaks aastat hiljem. Aastal 2003 ilmus nanojäljendlitograafia ajakirja MIT Technology Review nimekirjas "10 uuenduslikku tehnoloogiat, mis muudavad maailma". Nanojäljendlitograafia meetodi põhimõte on kujutatud kõrvaloleval joonisel. Esmalt kaetakse alusmaterjal (pooljuhttööstuses enamasti ränikristalli plaat) resistiga. Seejärel vajutatakse spetsiifilise soovitud pinnastruktuuriga kõva vorm kindlal temperatuuril ja rõhul pehme resisti sisse. Vajutamise tagajärjel tekib resisti kasutatud vormi pinnastruktuuri kujutis, mis fikseeritakse resisti kõvendamisel kas termiliselt või UV-kiirguse abil. Seejärel eemaldatakse vorm ning edasine töötlus toimub analoogselt traditsioonilise fotolitograafiaga, kus resisti ja aluspinda söövitatakse sobivate reagentidega. Lõpptulemuseks on alusmaterjalile tekitatud kasutatud vormi pinnastruktuuri vastupidine kujutis. Taolise mehaanilise vormimisega saab ületada valguse difraktsiooni või kiire hajumise poolt seatud lahutusvõime piirangud, mis esinevad teistes traditsioonilistes nanolitograafia meetodites. Mehaanilise vormimise iseärasuste tõttu on nanojäljendlitograafiaga kergem valmistada väiksemate mõõtmetega detaile. Suuremate struktuuride valmistamine on aeganõudvam ning protsessi käigus võivad vormi suuremad tühimikud resisti materjaliga täielikult mitte täituda. Termilisel maskimisel toimub maskimise protsess temperatuuri abil. Alusmaterjali pinnal olev resist kuumutatakse teatud temperatuurini, mille korral muutub resist pehmeks ja vormitavaks. Seejärel vajutatakse kindla rõhu all resisti vastu vorm ning resist täidab vormis olevad tühimikud. Edasi jahutatakse süsteemi kuni resist on uuesti piisavalt tahkeks ja kõvaks muutunud, et säiliks tekitatud pinnastruktuur. Viimase sammuna eemaldatakse vorm ning alusmaterjal koos reljeefse resistiga on valmis edasiseks töötluseks. Praktikas on valitud temperatuur harilikult kasutatava polümeerse resisti klaasisiirdetemperatuurist ligikaudu 70–90 °C kõrgemal, mille korral muutub materjal voolavaks. Temperatuuri tõstmine ja alandamine seab piirangud detailide valmistamise kiirusele. UV-kiirgusega maskimisel muudetakse algselt vedel resist tahkeks ja kõvaks UV-kiirguse toimel. Vedela resisti vastu vajutatav vorm peab seega olema valmistatud materjalist, mis ei neela UV-kiirgust. Antud meetodi suurimaks eeliseks on võimalus teostada kogu maskimine toatemperatuuril, mis kiirendab oluliselt detailide valmistamise protsessi. Lisaks täidab vedel resist kiiremini ja efektiivsemalt vormi tühimikud. Nanojäljendlitograafias kasutatav vorm võib sisuliselt olla mistahes kõva, tugev ja vastupidav tahke materjal. Antud omadused on eriti olulised meetodi kõrge lahutusvõime saavutamiseks, kuna nanomõõtmetes olevad pinnadetailid ei tohi mehaanilise vormimise ajal puruneda. Vormina kasutamise eesmärkidel on uuritud selliseid materjale nagu Si, SiO2, SiC, Si3N4, erinevad metallid, safiir ja teemant. Termilise maskimise puhul tõuseb esmatähtsaks materjali soojuspaisumistegur. Kõrgematele temperatuuridele kuumutamisel võib vormi ja alusmaterjali soojuspaisumistegurite mittevastavus tekkivat kujutist moonutada. Vorm valmistatakse harilikult teiste litograafia meetoditega, nagu näiteks UV-litograafia või elektronkiirlitograafia. Keerulisemaid pinnastruktuure saab valmistada fokuseeritud ioonkiirega. Vormil on oma pinnastruktuurist tingituna suur pindala, mille tõttu võib vormi ja resisti vahel tekkida tugev adhesioon. Nakkumine võib põhjustada resisti materjali kleepumist vormi külge. Probleemi üheks lahenduseks on vormile panna peale madala pinnaenergiaga õhukene pinnakate. Nanojäljendlitograafias on resisti materjali valik kriitilise tähtsusega. Eelkõige sõltub materjali valik kasutatavast maskimise tehnikast, protsessi läbiviimise tingimustest ning lõpuks soovitud pinnastruktuurist. Üldiselt peab resistina kasutatav materjal olema hõlpsasti deformeeritav, piisava mehaanilise tugevusega ja vormiga mittenakkuv. Täpsemalt peab resisti materjal olema väiksema elastsusmooduliga kui vormi materjal, et tagada resisti deformeerimine vormiga pressimisel. Deformeerimiseks kuluvat aega saab vähendada resisti materjali viskoossuse alandamisega. Termilise maskimise korral saab nii resisti elastsusmoodulit kui ka viskoossust vähendada, kui kuumutada polümeerset resisti üle tema klaasisiirdetemperatuuri. UV-kiirgusega maskimise puhul on mõlemad eelnevalt nimetatud tingimused juba algselt täidetud, kuna resisti materjal on vedelal kujul. Termilise maskimise jaoks on üldlevinud resisti materjalideks homopolümeersed polümetüülmetakrülaat või polüstüreen. Taolised materjalid murduvad kergesti ja kleepuvad tihti vormi külge. Seega on nanojäljendlitograafia kiire arengu käigus pööratud palju tähelepanu ka erinevate resistidena kasutatavate materjalide väljatöötamisele. Resisti ja vormi omavahelise kleepumise vältimiseks on üks lahendus valmistada resist materjalist, millel on samaaegselt madal pinnaenergia, kuid tugev adhesioon alusmaterjaliga. Taolise omaduste kombinatsiooni saavutamiseks on välja pakutud siloksaan-süsinikahel kopolümeerid, milles toimub klaasisiirdetemperatuurist kõrgemal temperatuuril faaside eraldumine. Kui siloksaan-süsinikahel kopolümeer kuumpressida alusmaterjalile, rikastub õhk-polümeer piirpind madala pinnaenergiaga komponendiga (siloksaan) ning polümeer-alusmaterjal piirpind kõrgema pinnaenergiaga komponendiga (süsinikahel). On uuritud näiteks polüdimetüülsiloksaan-polümetüülmetakrülaat kopolümeere (PDMS-PMMA) ja polüdimetüülsiloksaan-polüstüreen kopolümeere (PDMS-PS). UV-kiirgusega maskimisel kasutatakse omavahel kiiresti reageerivaid akrüül- ja metakrüülmonomeeride vedelaid segusid. UV-kiirguse toimel hakkab toimuma radikaalpolümerisatsioon, mille tulemuseks on tahke polümeerne resist. Sellise süsteemi puuduseks on hapnikutundlikkus. Monomeeride vedelas segus lahustunud hapnik aeglustab radikaalpolümerisatsiooni toimumist ning pikendab tahke resisti valmimiseks vajaminevat aega. Lisaks võib kõvendamise ajal toimuda materjali kokkutõmbumine, mis võib omakorda anda moonutatud kujutise. Üheks potentsiaalseks lahenduseks on välja pakutud asendada radikaalpolümerisatsioon katioonpolümerisatsiooniga, mida ei takista segus lahustunud hapnik. Võrreldes teiste litografeerimise meetoditega on nanojäljendlitograafiaga võimalik samaaegselt saavutada kõrge lahutusvõime ning suur tootlikkus. Nanojäljendlitograafia võimaldab valmistada alusmaterjalile detaile laiusega 5 nm ja sügavusega 14 nm. Erimeetoditega on võimalik litografeerimise protsessi teostada otse tootmisliinil, kasutades resistiga kaetud alusmaterjalist pidevalt üle veerevat silindrilise kujuga vormi. Samuti saab nanojäljendlitograafiat läbi viia võrdlemisi lihtsakoeliste seadmetega, mis muudab kogu protsessi odavaks. Võrreldes fotolitograafiaga ei ole vajalik kasutada lasereid ega kalleid optilisi elemente. Nanojäljendlitograafia peamisteks puudusteks on defektid, vormi valmistamine ja kulumine. Defektid võivad tekkida näiteks resisti kleepumisest vormi külge või õhumullide sattumisest resisti ja vormi vahele. Eelnimetatud probleeme saab leevendada kui kasutada vastavalt erilise pinnakattega vormi või vaakumit, kuid mõlemad lahendused muudavad protsessi tehnoloogilise teostuse keerulisemaks. Piisavalt väikeste pinnadetailidega vorme valmistatakse elektronkiirte või fokuseeritud ioonkiirte abil, mille tõttu on kõrge lahutusvõimega vormide tootmine küllaltki aeganõudev. Probleemi üheks lahenduseks on välja pakutud amorfsetest metallidest valmistatud vormid, mida saab ilma elektron- või ioonkiirte abita massiliselt toota. Nanolitograafia Nanoelektroonika https://doi.org/10.1063/1.114851 S. Y. Chou, P. R. Krauss, P. J. Renstrom. Imprint of sub-25 nm vias and trenches in polymers. Appl. Phys. Lett. 67, 3114 (1995). https://doi.org/10.1088/0957-4484/16/8/010 M. D. Austin, W. Zhang, H. Ge, D. Wasserman, S. A. Lyon, S. Y. Chou. 6 nm half-pitch lines and 0.04 μm2 static random access memory patterns by nanoimprint lithography. Nanotechnology 16 1058 (2005) https://doi.org/10.1116/1.1515307 X. Cheng, Y. Hong, J. Kanicki, L. J. Guo. High-resolution organic polymer light-emitting pixels fabricated by imprinting technique. Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena 20 2877 (2002) https://doi.org/10.1016/S0167-9317(96)00097-4 S. Y. Chou, P. R. Krauss. Imprint lithrography with sub-10 nm feature size and high throughput. Microelectronic Engineering. 35, 237 (1997). https://web.archive.org/web/20180101220309/http://www2.technologyreview.com/news/401775/10-emerging-technologies-that-will-change-the/ Technology Review 2003 https://doi.org/10.1002/adma.200600882 L. J. Guo. Nanoimprint lithography: methods and material requirements. Advanced Materials 19, 495 (2007). https://doi.org/10.1063/1.1766071 M. D. Austin, H. Ge, W. Wu, M. Li, Z. Yu, D. Wasserman, S. A. Lyon, S. Y. Chou. Fabrication of 5 nm linewidth and 14 nm pitch features by nanoimprint lithography. Appl. Phys. Lett. 84, 5299 (2004). https://doi.org/10.1109/IMNC.2002.1178591 T. Morita, R. Kometani, K. Watanabe, K. Kanda, Y. Haruyama, T. Kaito, J. Fujita, M. Ishida, Y. Ochiai, S. Matsui. Three-dimensional nanoimprint using a mold made by focused-ion-beam chemical-vapor-deposition. Microprocesses and Nanotechnology Conference (2002). https://doi.org/10.1021/la0476938 G. Y. Jung, Z. Li, W. Wu, D. L. Olynick, S. Y. Wang, W. M. Tong, R. S. Williams. Vapor-phase self-assembled monolayer for improved mold release in nanoimprint lithography. Langmuir 21 1158 (2002). https://doi.org/10.1002/adfm.200600257 P. Choi, P. F. Fu, L. J. Guo. Siloxane copolymers for nanoimprint lithography. Advanced Functional Materials 17 65 (2007). https://doi.org/10.1116/1.590438 H. Tan, A. Gilbertson, S. Y. Chou. Roller nanoimprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena. 16, 3926 (1998). https://doi.org/10.1038/nature07718 G. Kumar, H. X. Tang, J. Schroers. Nanomoulding with amorphous metals. Nature 457, 868 (2009).