miniaturadaimagem|Um divisor de feixe difrativo com estrutura tridimensional criada usando litografia por nanoimpressão A litografia por nanoimpressão (ou NIL, do termo em inglês nanoimprint lithography) é um método de fabricação de padrões em escala nanométrica. É um processo simples de nanolitografia com baixo custo, alto rendimento e alta resolução. Ele cria padrões por deformação mecânica do resiste de impressão e processos subsequentes. A máscara de impressão é tipicamente um monômero ou uma formulação de polímero que é curada por calor ou por luz ultravioleta durante a impressão. A adesão entre o resiste e o molde é controlada para permitir uma liberação adequada.
História O termo "litografia por nanoimpressão" foi cunhado na literatura científica em 1996, quando o Prof. Stephen Chou e seus alunos publicaram um relatório na Science, embora o relevo quente (agora considerado um sinônimo de NIL) de termoplásticos já tenha aparecido na literatura de patentes há alguns anos. Logo após o artigo da Science, muitos pesquisadores desenvolveram diferentes variações e implementações. Nesse ponto, a litografia por nanoimpressão foi adicionada ao International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) para os nós de 32 e 22 nm.
Processos Há diversos tipos distintos de litografia por nanoimpressão, mas três deles são os mais importantes: litografia por nanoimpressão termoplástica, litografia por nanoimpressão fotográfica e litografia direta de nanoimpressão térmica sem resiste.
Litografia por nanoimpressão termoplástica A litografia por nanoimpressão termoplástica (ou T-NIL, proveniente do termo em inglês) foi a primeira litografia por nanoimpressão desenvolvida pelo grupo do Prof. Stephen Chou. Em um processo de T-NIL padrão, uma fina camada de resina de impressão (polímero termoplástico) é revestida por rotação no substrato da amostra. Em seguida, o molde, que tem padrões topológicos predefinidos, é posto em contato com a amostra e eles são pressionados juntos sob certa pressão. Quando aquecido acima da temperatura de transição vítrea do polímero, o padrão no molde é pressionado no filme de polímero amolecido. Após o resfriamento, o molde é separado da amostra e a máscara resistente é deixada no substrato. Um processo de transferência de padrão (ataque de íon reativo, normalmente) pode ser usado para transferir o padrão em resiste para o substrato inferior.
De modo alternativo, a soldagem a frio entre duas superfícies de metal também pode transferir metal nanoestruturado de baixa dimensão sem aquecimento (especialmente para tamanhos críticos menores que ~10 nm). Estruturas tridimensionais podem ser fabricadas repetindo-se esse procedimento. A abordagem de soldagem a frio tem a vantagem de reduzir a contaminação do contato com a superfície e defeitos relativos ao processo de não aquecimento, que são problemas centrais no desenvolvimento e na fabricação mais recentes de dispositivos eletrônicos orgânicos e de novas células solares.
Litografia por nanoimpressão fotográfica Na litografia por nanoimpressão fotográfica (P-NIL), uma máscara curável por luz (UV) é aplicada ao substrato da amostra e o molde é normalmente feito de material transparente, como sílica fundida ou PDMS. Depois que o molde e o substrato são pressionados juntos, a máscara é curada na luz ultravioleta e se torna sólida. Após a separação do molde, um processo similar de transferência de padrão pode ser usado para transferir o padrão no resiste para o material abaixo. O uso de um molde transparente aos raios ultravioleta é difícil no vácuo, pois um mandril de vácuo para segurar o molde seria inviável.
Litografia direta de nanoimpressão térmica sem resiste Diferente dos métodos de nanoimpressão mencionados acima, a nanoimpressão térmica direta sem resiste não requer uma etapa de gravação extra para transferir padrões de resinas de impressão para a camada do dispositivo.
Em um processo comum, os padrões de fotorresiste são definidos primeiro usando fotolitografia. Um selo de elastômero de polidimetilsiloxano (PDMS) é, então, moldado em réplica a partir dos padrões de resiste. Além disso, uma nanoimpressão de etapa única molda diretamente materiais de filme fino em geometrias de dispositivo desejadas, sob pressão e a temperaturas elevadas. Os materiais impressos devem ter características de amolecimento adequadas para preencher o padrão. Semicondutores amorfos (por exemplo, vidro calcogeneto) com alto índice de refração e ampla faixa de transparência são materiais ideais para a impressão de dispositivos ópticos/fotônicos.
Tal abordagem de padronização de impressão direta oferece uma alternativa de integração monolítica com taxa de transferência e rendimento potencialmente ampliados, além de poder permitir o processamento roll-to-roll de dispositivos em grandes áreas de substrato inacessíveis a métodos convencionais de padronização litográfica.
Mecanismos
Nanoimpressão full wafer No mecanismo de uma nanoimpressão full wafer, todos os padrões estão contidos em um único campo de nanoimpressão e são transferidos em uma única etapa de impressão. Isso permite alto rendimento e uniformidade. Uma nanoimpressão full wafer com alta fidelidade e com diâmetro mínimo de 203 mm (8 polegadas) é possível.
Para garantir as uniformidades de pressão e de padrão em processos de nanoimpressão full wafer e prolongar a vida útil do molde, um método de prensagem utilizando pressão de fluido isotrópico, denominado Air Cushion Press (ACP) por seus inventores, foi desenvolvido e está sendo usado por sistemas comerciais de nanoimpressão. Alternativamente, tecnologias de roll-on (por exemplo, roll-to-plate) em combinação com estampadores flexíveis (como PDMS) foram relacionados à impressão full wafer.
Nanoimpressão por passo e repetição A nanoimpressão pode ser realizada de forma semelhante à litografia óptica por passo e repetição. O campo de impressão (matriz) é normalmente muito menor do que o campo de nanoimpressão full wafer. A matriz é repetidamente impressa no substrato com certo tamanho de etapa. Esse mecanismo é bom para a criação de moldes de nanoimpressão.
Aplicações A litografia por nanoimpressão tem sido usada para fabricar dispositivos com aplicações elétricas, ópticas, fotônicas e biológicas. Para dispositivos eletrônicos, o NIL tem sido usado para fabricar MOSFET, O-TFT e memória de elétron único. Para óptica e fotônica, estudos intensivos foram conduzidos na fabricação de filtros de grade ressonante de sub-comprimento de onda, sensores de espectroscopia Raman amplificada por superfície (ou SERS, do termo em inglês surface-enhanced Raman spectroscopy), polarizadores, placas de onda, estruturas anti-reflexivas, circuito fotônico integrado e dispositivos plasmônicos por NIL. No contexto de dispositivos optoeletrônicos, como LEDs e células solares, o NIL está sendo investigado para estruturas de acoplamento e de desacoplamento. Canais nanofluídicos com menos de 10 nm foram fabricados usando NIL e usados no experimento de alongamento de cadeias de DNA. Atualmente, o NIL é usado para diminuir o tamanho do dispositivo de classificação biomolecular a uma ordem de grandeza menor e mais eficiente.
Benefícios
Um dos principais benefícios da litografia de nanoimpressão é sua simplicidade. O único grande custo associado à fabricação de chips é a ferramenta de litografia óptica usada para imprimir os padrões de circuito. A litografia óptica requer lasers éxcimer de alta potência e grandes quantidades de de elementos de lente de aterramento de precisão para atingir resolução em escala nanométrica. Não há necessidade de fontes de radiação de óptica complexa ou de alta energia com uma ferramenta de nanoimpressão, bem como de fotorresistes sob medida, projetados para resolução e sensibilidade em um determinado comprimento de onda. Os requisitos simples da tecnologia levam ao seu baixo custo.
Os moldes mestre de silício podem ser usados em até alguns milhares de impressões, enquanto os moldes de níquel podem durar até dez de mil ciclos.
A litografia de impressão é naturalmente um processo de padronização tridimensional. Os moldes de impressão podem ser fabricados com várias camadas topográficas empilhadas verticalmente. As impressões resultantes replicam ambas as camadas com uma única etapa de impressão, o que permite aos fabricantes de chips reduzir os custos de fabricação e melhorar o rendimento do produto. Conforme mencionado acima, o material de impressão não precisa ser ajustado para altas resolução e sensibilidade. Uma maior matiz de materiais com propriedades variadas está disponível para uso com litografia de impressão. A maior variabilidade do material dá aos químicos a liberdade de projetar novos materiais funcionais em vez de polímeros resistentes à corrosão sacrificial.Hao, Jianjun; Palmieri, Frank; Stewart, Michael D.; Nishimura, Yukio; Chao, Huang-Lin; Collins, Austin; Willson, C. Grant. Octa(hydridotetramethyldisiloxanyl) silsesquioxane as a synthetic template for patternable dielectric materials. Polymer Preprints (American Chemical Society, Division of Polymer Chemistry) (2006), 47(2), 1158-1159. Um material funcional pode ser impresso diretamente para formar uma camada em um chip sem a necessidade de transferência de padrão para os materiais subjacentes. A implementação bem-sucedida de um material de impressão funcional resultaria em reduções significativas de custos e aumento da produtividade, eliminando muitas etapas difíceis de processamento da fabricação de chips.Palmieri, Frank; Stewart, Michael D.; Wetzel, Jeff; Hao, Jianjun; Nishimura, Yukio; Jen, Kane; Flannery, Colm; Li, Bin; Chao, Huang-Lin; Young, Soo; Kim, Woon C.; Ho, Paul S.; Willson, C. G. Multi-level step and flash imprint lithography for direct patterning of dielectrics. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering (2006), 6151
Preocupações As principais preocupações para a litografia de nanoimpressão são sobreposição, defeitos, padronização e desgaste do molde. No entanto, recentemente, Kumar et al. mostraram que metais amorfos (vidros metálicos) podem ser padronizados em escala inferior a 100 nm, o que pode reduzir significativamente o custo do molde.
Sobreposição A capacidade atual de sobreposição de 3 sigma é de 10 nm. A sobreposição tem maior chance de sucesso com abordagens step-and-scan em oposição à impressão full wafer.
Defeitos Tal como acontece com a litografia por imersão, espera-se que o controle de defeitos melhore à medida que a tecnologia progrida. Os defeitos do molde com tamanho abaixo do enviesamento do processo de pós-impressão podem ser eliminados. Outros defeitos exigiriam uma limpeza eficaz do molde e/ou o uso de carimbos de polímero intermediários. Quando o vácuo não é empregado durante o processo de impressão, o ar pode ficar preso, resultando em defeitos de bolha. Isso ocorre porque a camada de resiste de impressão e os recursos do molde ou carimbo não são perfeitamente planos. Há um risco elevado quando o carimbo intermediário ou o mestre contém depressões (que são potenciais armadilhas de ar), ou quando o resiste de impressão é dispensado como gotículas antes da impressão em vez de pré-rotacionado no substrato. Deve ser concedido tempo suficiente para que o ar escape. Esses efeitos são muito menos danosos se forem usados materiais de estampagem flexíveis como PDMS. Outro problema é a adesão entre o selo e o resiste. A alta aderência pode delaminar o resiste, que permanece, então, no selo. Esse efeito degrada o padrão, reduz o rendimento e danifica o selo. Isso pode ser resolvido pelo emprego de uma camada antiaderente de FDTS em um selo.
Padronização de moldes