Λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης για κατασκευή νανοδομών

1. Λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης για κατασκευή νανοδομών Ζαμπέλης Λουκάς Υπεύθυνος καθηγητής Δ.Τσουκαλάς

2. Τι είναι λιθογραφία • Διαδικασία αποτύπωσης γεωμετρικών σχημάτων σε κάποια επιφάνεια • Είδη λιθογραφίας: οπτική ηλεκτρονική ακτίνες Χ ιοντική colloidal • Χρήσεις της λιθογραφίας

3. Παράδειγμα λιθογραφίας

4. EBL - Electron Beam LithographyΚαθορισμός και ιστορική αναδρομή • Εξειδικευμένη τεχνική για εξαιρετικά λεπτά σχέδια • Τεχνολογία παρόμοια με τον τρόπο λειτουργίας των πρώτων SEMs (Σάρωση δέσμης ηλεκτρονίων σε επιφάνεια) • Κύρια χαρακτηριστικά μεγάλη ανάλυση χρήση ποικιλίας υλικών και σχεδίων αργή μέθοδος ακριβή και περίπλοκη μέθοδος • Τέλη 1960 και συνοδεύτηκε από την ανακάλυψη του PMMA

5. Εφαρμογές • Κατασκευή μασκών για οπτική λιθογραφία ικανή για διαστάσεις 1-2μm, και για X ray με διαστάσεις από 0,25 εώς <0,1μm • Άμεση εγγραφή για ανάπτυξη πρωτοτύπων ICs • Έρευνα

6. EBL Column • Πηγή ηλεκτρονίων • Δύο ή περισσότεροι φακοί • Blanker • Stigmator • Συστήματα ευθυγράμμισης • Ανιχνευτής ηλεκτρονίων • Άξονας z παράλληλος στην δέσμη ηλεκτρονίων • x και y παράλληλοι στην επιφάνεια του υλικού

7. Πηγή ηλεκτρονίων Ηλεκτρονική ακτινοβολία παράγεται με 2 τρόπους: • Αύξηση της θερμοκρασίας της πηγής (θερμιονικό φαινόμενο) • Εφαρμογή ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου Τρεις κύριες παράμετροι για την πηγή είναι: • Το μέγεθός της • Η φωτεινότητά της (Amperes/steradcm2) • Ενέργεια της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας (eV)

8. Ηλεκτρικοί φακοί Αν και λειτουργούν παρόμοια με τους οπτικούς φακούς διαφέρουν στα εξής: • Μπορούν μόνο να συγκλίνουν • Η κακή ποιότητά τους περιορίζει τη γωνία μεγέθους και το αριθμητικό άνοιγμα Υπάρχουν 2 τύποι παρεκκλίσεων: • Σφαιρικές (οφείλονται στην θέση) • Χρωματικές (οφείλονται στην ενέργεια) Και οι δύο ελαχιστοποιούνται με τη μείωση της γωνίας σύγκλισης

9. Άλλες συσκευές • Ανοίγματα:τρύπες μέσα από τις οποίες περνά η ηλεκτρονική δέσμη • Εκτροπή δέσμης ηλεκτρονίων • Stigmators

10. Αντιδράσεις ηλεκτρονίων στερεού Καθώς τα ηλεκτρόνια διεισδύουν στο resist υφίστανται σκέδαση μικρής γωνίας. Όταν περάσουν από το resist στο υλικό τότε παρατηρείται και οπισθοσκέδαση.

11. Σκέδαση • Η εμπρόσθια σκέδαση έχει σαν αποτέλεσμα την διεύρυνση της ενέργειας των ηλεκτρονίων καθώς αυτά εισέρχονται στο υλικό • Η οπισθοσκέδαση έχει σαν αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια να αλληλεπιδρούν πάλι με το resist

12. Δευτερεύοντα ηλεκτρόνια • Ηλεκτρόνια που έχουν χάσει μέρος της ενέργειά τους • Διεύρυνση του ανοίγματος της δέσμης (~10nm)

13. Φαινόμενο εγγύτητας Το καθαρό αποτέλεσμα της διασποράς ηλεκτρονίων είναι ότι η δόση είναι διαφορετική από αυτή που ορίζει το εργαλείο

14. Διόρθωση Το φαινόμενο της εγγύτητας μπορεί να ελαττωθεί με τους εξής τρόπους: • Διαμόρφωση δόσεων • Pattern biasing • GHOST • Προγράμματα Η/Υ

15. Περιβάλλον εργασίας • Καθαρό – clean room • Ήσυχο • Η κολώνα πρέπει να είναι μακριά από διάφορα μηχανικά μέρη – αγωγοί, μετατροπείς κ.α.

16. Resists • Μέσο εγγραφής και μετάδοσης της e-beam • Πολυμερή σε υγρό διαλύτη • High resolution – low sensitive

17. Κατασκευή υπεραγώγιμων νανοδομών MgB2 με EBL • Η υψηλή θερμοκρασία για καλής ποιότητας MgB2 καθιστά το PMMA αναξιόπιστο. • Συνδυασμός των μεθόδων α) EBL και β) οπτικής λιθογραφίας • Παρασκευή: α) CVD και των δύο συστατικών από e-gun και έπειτα heater β) εναπόθεση σε υπόστρωμα σταθερής θερμοκρασία Τ=280oC με ρυθμό εξάχνωσης 1Å/sec για το Β και διπλάσιο για το Mg

18. Κατασκευή υπεραγώγιμων νανοδομών MgB2 με EBL • Ανόπτηση στους 500 οC για 5 λεπτά σε ατμόσφαιρα Ar. Το υμένιο που προκύπτει είναι λείο και γυαλιστερό με θερμοκρασία μετάβασης μεταξύ 30 και 35 K. • Εναπόθεση του υμενίου σε SiN 500 nm με LPCVD • Καθορισμός γεωμετρίας και τελειοποίηση: α)EBL β)αφαίρεση ακάλυπτου MgB2 (παρασκευή νανοδομής) γ)οπτική λιθογραφία δ)ολοκλήρωση του chip • Το PMMA χρησιμοποιείται για την μορφοποίηση των νανοκαλωδίων • Το υλικό δεν χάνει τις υπεραγώγιμες ιδιότητές του παρόλο τις μεταβολές και διαδικασίες που υφίσταται

19. Κατασκευή υπεραγώγιμων νανοδομών MgB2 με EBL

20. Βιβλιογραφία • C.Portesi, S. Borini, G. Amato, E. Monticone, Journal of Applied Physics 99 (2006) 066115 • http://www.cnf.cornell.edu/cnf_spietoc.html • http://www.ese.upenn.edu/~microfab/PS460_04.doc • R.A. Laws, Applies Surface Science, 154-155, 2000, 519-526 • Δ. Τσουκαλάς, Τεχνολογία μικροσυστημάτων, Τομέας φυσικής, ΣΕΜΦΕ, ΕΜΠ, Αθήνα 2005