Презентация

1. Профилирование резисторов сканирующими зондами Нанопечать. Перьевая нанолитография.

ПРОФИЛИРОВАНИЕ
РЕЗИСТОРОВ
СКАНИРУЮЩИМИ ЗОНДАМИ
НАНОПЕЧАТЬ. ПЕРЬЕВАЯ
НАНОЛИТОГРАФИЯ.

2. ПРОФИЛИРОВАНИЕ РЕЗИСТОВ СКАНИРУЮЩИМИ ЗОНДАМИ

Профилирование резистов сканирующими зондами — это совокупность методов
нанолитографии, в которых острое острие сканирующего зондового микроскопа
(СЗМ) используется для локального модифицирования тонкого слоя полимерного
материала (резиста) с целью создания на его поверхности наноразмерного рельефа.
Этот рельеф в дальнейшем служит маской для последующих технологических
операций, таких как травление подложки или осаждение металла.
Это направление является альтернативой традиционной оптической и электроннолучевой литографии, предлагая беспрецедентное разрешение без использования
фотошаблонов и сложных систем фокусировки.

3. ПРИНЦИП РАБОТЫ

1. Подготовка подложки: На подложку (кремний, стекло, металл) наносится тонкий
(от нескольких до десятков нанометров) равномерный слой полимерного резиста.
2. Локальное модифицирование: Острие зонда (чаще всего атомно-силового
микроскопа, АСМ) подводится к поверхности и под действием различных физических
механизмов (механическое усилие, электрическое поле, термическое воздействие)
изменяет свойства резиста в очень малой области.
3. Проявление: После сканирования и нанесения рисунка подложка подвергается
процессу проявления. В зависимости от типа модификации, обработанные или
необработанные области резиста удаляются селективным растворителем, обнажая
подложку в заданных местах.
4. Последующие операции: Образовавшийся рельеф используется как маска для:
■ Травления: Незащищенные участки подложки вытравливаются.
■ Осаждения: Металл осаждается на обнаженные участки (лифт-офф процесс).
■
Легирования: Ионы имплантируются в открытые области.

4. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МОДИФИКАЦИИ РЕЗИСТА И ВИДЫ сзм-ПРОФИЛИРОВАНИЯ

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
МОДИФИКАЦИИ РЕЗИСТА И ВИДЫ сзмПРОФИЛИРОВАНИЯ
а) Механическое профилирование (Силовая литография)
Это наиболее прямолинейный метод, при котором острие зонда механически удаляет
или перемещает материал резиста.
■ Наночесание: Острие зонда, находящееся в непосредственном контакте с
поверхностью, прикладывает силу, превышающую силу связи молекул резиста с
подложкой, и буквально "сбривает" слой материала. Этот метод требует очень
жестких кантилеверов.
■ Наногравировка: Аналогично наночесанию, но используется для создания
углубленных линий и канавок.
■ Преимущества: Простота принципа, высокое разрешение (до 10 нм).
■ Недостатки: Быстрый износ острия зонда, риск повреждения подложки, низкая
скорость.

5. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МОДИФИКАЦИИ РЕЗИСТА И ВИДЫ сзм-ПРОФИЛИРОВАНИЯ

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
МОДИФИКАЦИИ РЕЗИСТА И ВИДЫ сзмПРОФИЛИРОВАНИЯ
б) Термо-механическое профилирование
■ Принцип: Используется специальный резист (например, полиметилметакрилат,
ПММА) и термо-механический кантилевер. Острие зонда локально нагревается с
помощью встроенного микронагревателя. В точке контакта резист размягчается, и
острие, продавливая его, создает нанопит (углубление).
■ Проявление: При последующем травлении или осаждении эти питы служат
маской.
■ Преимущества: Высокая скорость (возможность параллельной работы тысяч
кантилеверов в массиве), высокое разрешение (10-30 нм).
■ Недостатки: Требует специализированных резистов и сложных кантилеверов с
нагревателями.

6. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МОДИФИКАЦИИ РЕЗИСТА И ВИДЫ сзм-ПРОФИЛИРОВАНИЯ

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
МОДИФИКАЦИИ РЕЗИСТА И ВИДЫ сзмПРОФИЛИРОВАНИЯ
в) Электрическое профилирование
Острие зонда используется как наноэлектрод для индуцирования локальных химических изменений в
резисте.
■
Принцип: Между проводящим зондом и проводящей подложкой прикладывается высокое напряжение
(несколько вольт). В результате в тонком слое резиста (часто это специальные электрорезисты или
самоорганизующиеся монослои) возникает сильное электрическое поле, которое вызывает:
· Локальное окисление (если в резисте или на подложке есть водород).
· Разрыв химических связей и изменение растворимости резиста.
· Полевое испарение материала.
■
Проявление: Области, модифицированные электрическим полем, становятся либо более, либо менее
растворимыми, чем исходный резист, и удаляются (или остаются) при проявлении.
■
Преимущества: Очень высокое разрешение (до 5-10 нм), возможность работы в воздухе.
■
Недостатки: Требует проводящих подложек и/или специальных резистов, чувствительность к
влажности окружающей среды.

7. ПРЕИМУЩЕСТВА ПРОФИЛИРОВАНИЯ РЕЗИСТОВ СЗМ

■ Сверхвысокое разрешение: Легко достигается разрешение менее 20 нм, а в
оптимальных условиях — до единиц нанометров.
■ Отсутствие дифракционного предела: Метод не использует излучение, поэтому
не ограничен длиной волны.
■ Отсутствие эффектов близости: В отличие от электронно-лучевой литографии,
нет проблемы рассеяния электронов в резисте.
■ 3D-профилирование: Контролируя силу, напряжение или время воздействия,
можно создавать структуры с переменной высотой/глубиной.
■ Простота и дешевизна: Не требует дорогостоящих вакуумных систем (работает в
воздухе), сложных оптических или электронно-оптических колонн.

8. ОГРАНИЧЕНИЯ ПРОФИЛИРОВАНИЯ РЕЗИСТОВ СЗМ

■ Низкая производительность (скорость): Это главный недостаток. Метод
является последовательным (пиксель за пикселем), что делает его чрезвычайно
медленным по сравнению с параллельными методами (оптика, NIL).
■ Малая площадь обработки: Сложно обеспечить равномерное воздействие и
сканирование на больших площадях (более 100x100 мкм) из-за дрейфа и кривизны
сканера.
■ Износ зондов: Острие постоянно контактирует с поверхностью или находится
вблизи нее, что приводит к его загрязнению и поломке.
■ Сложность совмещения: Нанести несколько совмещенных слоев паттерна с
нанометровой точностью крайне сложно.

9. НАНОПЕЧАТЬ

Нанопечать (или Литейная нанолитография) — это совокупность методов,
которые позволяют формировать наноразмерные структуры путем механического
переноса материала или модификации поверхности под давлением, без использования
традиционного резиста и излучения (ультрафиолетового, электронного и т.д.). Эти
методы часто характеризуются высокой производительностью, относительно низкой
стоимостью и применимы к гибким и нетрадиционным подложкам.
Ключевыми направлениями в этой области являются чернильная (струйная)
нанопечать и нанолитография тиснением.

10. ЧЕРНИЛЬНАЯ ПЕЧАТЬ

Это метод аддитивного (добавочного) производства, при котором наноматериал в форме "чернил" осаждается на
подложку по заданному цифровому шаблону, подобно тому, как обычный принтер печатает на бумаге.
Принцип работы:
■
Подготовка чернил: Ключевой этап. Готовится коллоидный раствор, содержащий функциональные
наноматериалы (наночастицы металлов (Ag, Au), полупроводниковые квантовые точки, графен, углеродные
нанотрубки, проводящие полимеры). Чернила должны иметь определенные реологические свойства: вязкость,
поверхностное натяжение, чтобы формировать стабильные капли.
■
Формирование капли: Используются два основных типа печатающих головок:
· Пьезоэлектрические: Пьезоэлемент создает акустическую волну, которая выталкивает каплю чернил из сопла.
· Термические: Микронагреватель создает паровой пузырь, который выталкивает каплю.
■
Осаждение: Капли диаметром от единиц до десятков микрометров (и даже субмикрометров для высокоточной
печати) точно позиционируются на подложке, формируя требуемый рисунок.
■
Отверждение: После осаждения необходимо удалить растворитель и спечь наночастицы для обеспечения
хорошей электропроводности или механической прочности. Это часто делается термическим отжигом или фотоотверждением.

11.

12. ВОЗМОЖНОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА ЧЕРНИЛЬНОЙ ПЕЧАТИ

■ Аддитивность и малоотходность: Материал осаждается только там, где это
необходимо, что минимизирует потери дорогостоящих наноматериалов.
■ Гибкость: Возможность печати на гибких, искривленных и хрупких подложках
(пластик, бумага, ткань).
■ Быстрое прототипирование: Цифровая природа метода позволяет быстро менять
дизайн печатаемой структуры без изготовления новых масок.
■ Многослойность и функциональность: Легко комбинировать различные чернила
для создания многофункциональных устройств (например, печать проводящих
дорожек и полупроводниковых слоев для транзистора).

13. ПРОБЛЕМЫ И ОГРАНИЧЕНИЯ ЧЕРНИЛЬНОЙ ПЕЧАТИ

■ Разрешение: Ограничено размером капли и ее растеканием по подложке. Хотя
достигнуто разрешение ~100 нм, типичное составляет 1-20 мкм. На разрешение влияют:
■ Смачивание: Чернила могут растекаться по гидрофильной поверхности или собираться
в капли на гидрофобной.
■ Эффект "кофейного кольца": При высыхании капли частицы перемещаются к ее
краям, образуя неравномерную по толщине структуру.
■ Забивание сопел: Агрегация наночастиц может привести к блокировке
микроскопических сопел печатающей головки.
■ Производительность: Скорость печати для покрытия больших площадей пока уступает
традиционным методам.

14. ТИСНЕНИЕ

Это высокопроизводительный метод, который механически формирует нанорельеф в полимерном резисте с
помощью штампа (шаблона), подобно тому, как печать оставляет оттиск на воске.
Принцип работы:
■
Изготовление штампа: Создается жесткий штамп (обычно из кремния или кварца) с нанорельефом на
его поверхности. Это делается с помощью электронно-лучевой литографии или травления.
■
Нанесение резиста: На подложку наносится слой полимерного резиста (термопласта или
фотоотверждаемого полимера).
■
Тиснение: Штамп вдавливается в слой резиста.
■
Отверждение:
· Термо-NIL: Резист-термопласт (например, ПММА) нагревается выше температуры стеклования,
становится пластичным, и в него вдавливается штамп. После остывания рельеф фиксируется.
· УФ-NIL: Используется жидкий фоторезист. Штамп (прозрачный для УФ) вдавливается в резист, и затем
через него производится УФ-облучение, затвердевающее полимер.
■
Демонтаж: Штамп отделяется от подложки, оставляя на резисте свой негативный оттиск.
■
Остаточный слой: После тиснения между оттиснутыми областями остается тонкий слой резиста. Он
удаляется реактивно-ионным травлением (RIE) перед последующими операциями.

15.

16. ВОЗМОЖНОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА ТИСНЕНИЯ

■ Сверхвысокое разрешение: Легко достигается разрешение менее 10 нм (мировые
рекорды ~2 нм). Метод не ограничен дифракцией или длиной волны.
■ Высокая производительность: Один оттиск может покрывать площадь в несколько
квадратных сантиметров за несколько секунд/минут.
■ Относительно низкая стоимость: После изготовления мастер-штампа стоимость
одного оттиска очень мала.
■ Воспроизводимость 3D-структур: Позволяет создавать сложные трехмерные
нанорельефы за одну операцию.

17. ПРОБЛЕМЫ И ОГРАНИЧЕНИЯ ТИСНЕНИЯ

■ Дефектность: Зависания, неполное заполнение, трудности с разделением штампа
и подложки.
■ Износ штампа: Механический контакт приводит к постепенному повреждению
хрупкого нанорельефа штампа.
■ Проблема совмещения: Наложение нескольких слоев с нанометровой точностью
(совмещение) является крайне сложной технической задачей.
■ Остаточный слой: Необходимость его удаления добавляет дополнительный этап
процесса.

18. ПЕРЬЕВАЯ НАНОЛИТОГРАФИЯ

Перьевая нанолитография (Dip-Pen Nanolithography, DPN) — это метод сканирующей
зондовой литографии, в котором острие атомно-силового микроскопа (АСМ)
используется в качестве "пера", а молекулы, адсорбированные на нём, — в качестве
"чернил" для нанесения наноразмерных паттернов на поверхность подложки. Этот
метод, разработанный в 1999 году группой профессора Чада Миркина в СевероЗападном университете (США), сочетает в себе высокое разрешение и возможность
работы с широким спектром материалов.
Схема процесса

19. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПЕРЬЕВОЙ НАНОЛИТОГРАФИИ

Принцип DPN напоминает письмо перьевой ручкой по промокательной бумаге и основан на
формировании капиллярного мениска и поверхностной диффузии.
■
"Загрузка чернил": Острие АСМ покрывается (функционализируется) молекулами "чернил".
Это могут быть тиолы, силаны, ДНК, белки, полимеры или наночастицы.
■
Формирование мениска: Когда острие приближается к поверхности подложки на расстояние
нескольких нанометров, между острием и поверхностью образуется капиллярный мостик
(мениск) за счет адсорбции молекул воды из окружающего воздуха. Этот мениск служит каналом
для переноса молекул.
■
Диффузия "чернил": Молекулы "чернил" растворяются в водном мениске и под действием
градиента концентрации диффундируют от острия (область с высокой концентрацией) к
поверхности подложки (область с низкой концентрацией). Скорость переноса зависит от
температуры, влажности, химического сродства "чернил" к подложке и размера острия.
■
Хемосорбция: Достигнув поверхности, молекулы "чернил" прочно связываются с ней за счет
химической адсорбции (например, тиолы с золотом, силаны с оксидом кремния), формируя
самоорганизующийся монослой (SAM).
■
Рисование: Перемещая острие по поверхности по заданной траектории, можно "рисовать"
произвольные наноструктуры из этих молекул.

20. ОСОБЕННОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА ПЕРЬЕВОЙ НАНОЛИТОГРАФИИ

■ Высокое разрешение: DPN позволяет создавать структуры с разрешением до 15 нм, а в
оптимальных условиях — и ниже. Размер линии контролируется скоростью
сканирования, временем контакта и влажностью.
■ Прямое письмо (Direct-Write): Метод не требует использования масок или резистов.
Паттерн наносится непосредственно на подложку по цифровому шаблону.
■ Химическая универсальность: Это главное преимущество. В качестве "чернил" можно
использовать практически любые молекулы, способные к поверхностной диффузии и
адсорбции: тиолы на золоте и серебре; силаны на оксиде кремния; биомолекулы: ДНК,
РНК, антитела, пептиды; полимеры и проводящие материалы.
■ Многоцветная печать (Мультиплексирование): Используя несколько "перьев",
загруженных разными "чернилами", можно наносить на одну подложку сложные
мультикомпонентные структуры.
■ Работа в атмосферных условиях: DPN обычно проводится в воздухе при комнатной
температуре, что упрощает setup и снижает стоимость по сравнению с вакуумными
методами.

21. ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЬЕВОЙ НАНОЛИТОГРАФИИ

■ Низкая скорость: Последовательный характер "письма" одним острием делает
метод медленным, непригодным для массового производства.
■ Зависимость от окружающих условий: Влажность и температура сильно влияют на
размер мениска и скорость диффузии, что требует строгого контроля для
воспроизводимости.
■ Ограниченная площадь: Сканирование на больших площадях (> 100 мкм)
затруднено из-за дрейфа пьезосканера.
■ Сложность "чернил": Подготовка стабильных и эффективных "чернил" с нужными
реологическими свойствами может быть нетривиальной задачей.