INTRODUZIONE ALLE NANOTECNOLOGIE

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1 INTRODUZIONE ALLE NANOTENOLOGIE Massimo De Vittorio Lab. Nanotecnologie NNL ISUFI - Università del Salento

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3 Il Nanoworld Nel mondo microscopico, gli elettroni sfrecciano a velocità relativistiche e il mondo è quasi completamente vuoto. ome nell infinitamente grande, anche nell infinitamente piccolo sembra esserci sempre qualcosa oltre. L atomo e formato da elettroni protoni e neutroni ma neanche queste particelle sono fondamentali e sono costituite dai quark (modello standard). 'è anche un'altra classe di particelle materiali fondamentali, i leptoni (un esempio è l'elettrone). i sono due generi di particelle: particelle che sono materia (come gli elettroni, i protoni, i neutroni, e i quark) e particelle che mediano le interazioni (come i fotoni). Oltre a gravità e l'elettromagnetismo, ci sono altre due interazioni, che noi non possiamo notare dal momento che la loro sfera d'azione non è molto maggiore del nucleo atomico: l interazione debole e l interazione forte

4 Nanoworld

5 Approcci tecnologici Top-down partendo da un componente grande o di volume (ad es un wafer) si rimuove localmente il materiale (come in una scultura). In nanotecnologia : litografie ed attacchi chimici applicati ai circuiti integrati Bottom-up si assemblano componenti piccoli per costruire qualcosa di più complesso. In nanotecnologia: auto-assemblaggio di atomi e molecole per costruire sistemi chimici e biologici

6 La driving force

7 L architettura convenzionale Miniaturizzazione estrema Semiconduttori

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9 Nel 1965 predisse la famosa legge omonima secondo cui il numero di transistor per chip sarebbe raddoppiato ogni 2 anni. Questa legge è stata rispettata negli ultimi 40 anni e si pensa possa valere sino al 2010 Dopo Gordon Moore

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13 Technology roadmap

14 Top-down fabrication Method used by integrated circuit industry to fabricate computer chips down to ~ 15 nm size Intel s transistors It makes use of depositing thin films, then lithography and plasma etching to make films into desired patterns on a silicon wafer.

15 Perchè rimpicciolire?

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17 TREND of MINIATURIZATION

18 L approccio TOP-DOWN

19 Top down approach oating or stripping step Remover Spin coating Lithography Developing Etching substrate substrate substrate substrate Pattern Transfer resist Lift-Off Wafer After x process steps metal Remover

20 Typical Instrumentation substrate Spin Process coating step Exposure substrate leaning substrate Film thickness Developing measurement substrate Spin coating Exposure Exposure Developing Developing Inspection Inspection Instrumentation wet bench (eye-) shower for accidents with acids storage for chemicals stove / hotplate refrigerator spin coater stove / hotplate Film Thickness Probe Lithographic tool wet bench storage for chemicals optical microscope sputtering machine SEM

21 i-res Lithographies Mask transfer: Optical Lithography DUV with Phase shifting masks (~50 nm) X-Ray/EUV lithography (~20 nm) Imprint Lithography (~10 nm) Direct writing Electron Beam Lithography ( ~ 10 nm) Ion Beam Lithography ( ~ 10 nm) Scanning Proximal Probe Lithographies ( ~ 1 nm) olographic Litography ( ~ 100 nm) The minimum feature: 0.5 /NA=0.5 / nsen

22 Phase shift lithography The ligth travelling in air for a distance a experiences a phase change: a = 2 a Whereas through a trasparent material : n = = 180 = 2 na 2 a( n 1) a = 2( n 1)

23 Immersion UV lithography It requires high refractive index liquids and fluids. Water refractive index rapidly increases below 250 nm 193 nm is n=1.44, with a low absorption value of 0.05 cm -1 ). By replacing the air in the image space with liquid it is possible to extend the DUV 193 nm to the sub-45 nm node. The minimum feature: 0.5 /NA=0.5 / nsen

24 Electron Beam Lithography

25 Source: SPIE andbook of Microlithography Technical setup of EBL tools

26 Beam deflection (E-static/magnetic) Either magnetic or electrostatic fields can be used to focus electrons just as glass lenses are used to focus rays of light. Electro-static Electro-magnetic F = q (E + v B)

27 Beam deflection (E-static/magnetic) Electron lenses have very poor performance (spherical and chromatic aberrations) compared to light lenses; thus electrons must be kept very close to the axis - small Spherical aberration hromatic aberration

28 Focus/Stigmator correction

29 Stage Movement Strategies stationary stage moving stage versus fields stripes "write-on-the-fly Raith Application Notes

30 EBL Writing Strategies round (Gaussian) beam shaped beam versus vector scan raster scan versus Raith Application Notes

31 Resolution d = d + d + d + 2 g 2 s 2 c d 2 d d g : source demagnification d g =d v /M -1 d s : spherical aberrations d s =1/2 s 3 d c : chromatic aberration d c = c V/V beam d diff : diffraction d diff =1.2 / diffraction is not so important (@ 15 kev, =0.1Å. = 10mrad):d diff =1.2 / = 1 nm

32 Resist interactions Positive resists usually work by polymer chain scission; exposed polymer becomes more soluble Negative resists usually work by cross linking between polymer chains; exposed polymer becomes insoluble (D. F. Kyser and N. S. Viswanathan, J. Vac. Sci. Technol. 12(6), (1975))

33 O O O O n O O O O O O O O m O O O O O O o Induced chain scission (PMMA)

34 PATTERN TRANSFER: The Etching

35 Wet Etching Reagenti Diffusione Reazione Diffusione Prodotti di reazione Substrato

36 Wet etching of GaAs/AlAs = Ga = As <111> <110> <111> (011) (011) GaAs-AlGaAs <100> l:f: 2 O 278 K GaAs-AlGaAs <100> 3 PO 4 : 2 O 2 : 2 O 300 K

37 Dry etching

38 Dry etching mechanisms Physical etching (sputtering) hemical etching physical + chemical etching = RIE

39 Deep Reactive Ion Etching (DRIE) (Electron yclotron Resonance-ER RIE): charged particles are accelerated by a magnetic field created at microwaves dense plasma and low pressures separate control of the ion density and of their kinetic energy higher selectivity than RIE

40 Deep Reactive Ion Etching (DRIE) (Inductively oupled Plasma-IP): Two separate area and RF power for the plasma and sample electrode by IP technology lower etching times are required due to the high density plasma at low pressure, which improves anisotropy, etch-rate and selectivity

41 Microscopie

42 Atomic force Microscope a d b c r i

43 Microscopio STM I~ e -2dk (Source: IBM)

44 NSOM Near Field Scanning Optical Microscope 12 micron

45 Semiconduttori, Metalli, Ossidi, Litografie Fisica/Ingegneria Elettronica IT Automotive Nuova elettronica Packaging Materiali compositi Ambiente Energia Aerospace Materiali e protesi Diagnostica Nuovi medicinali Agroalimentare Inorganici e organici, plastiche e polimeri Fisica/himica/Ingegneria Sistemi biologici Biocompatibilita Fisica/himica/Biologia/ Ingegneria Biomimesi Software biologico Da qui in poi non si copia