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CdL Scienza dei Materiali - Fisica delle
Nanotecnologie - a.a. 2002/3 Appunti
trasparenze - Parte 6 Versione 1, Ottobre
2002 Francesco Fuso, tel [phone] -
fuso_at_df.unipi.it http//www.df.unipi.it/fuso/dida

• Metodi ottici per losservazione e la
  realizzazione di nanostrutture microscopia
  ottica e confocale, litografia ottica (maschere,
  resist, etching,). Limite della diffrazione.

29/10/2002 - 14.302 ch10 4/11/2002 - 8.302 ch10
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Diffrazione ed interferenza
Da Hecht Zajac Optics Addison-Wesley (1974)
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Diffrazione di Fraunhofer
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Criteri per la risoluzione spaziale
Da Brandon Kaplan Microstruct. Charact. of
Materials Wiley (1999)
Abbe
Rayleigh
Criteri di risoluzione validi sia per microscopia
che per litografia (per reciprocità)
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Microscopia ottica
Da Hecht Zajac Optics Addison-Wesley (1974)
Da Brandon Kaplan Microstruct. Charact. of
Materials Wiley (1999)
Profondità di campo
Limite diffrazione invalicabile (ma esistono
strategie per aumentare contrasto)
Microscopio obiettivooculare ()
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Microscopia ottica confocale
Laser Scanning Confocal Micr. --gt risoluzione
dipende da focalizz. laser ( 0.5 µm)
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Applicazioni confocale solid-state e biophysics
Microcapsula di fluido con cromofori
Degradazione di eterostrutture
Confocale possibilità mappatura 3D (per
campioni luminescenti o con cromofori) con alta
risoluzione spaziale
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Definizione laterale di strutture
Generalmente lobiettivo è definire lateralmente
delle strutture per realizzare dispositivo, cioè
creare un pattern con risoluzione spaziale pari
alla dimensione laterale minima delle strutture
desiderate (dal µm degli anni 80 a sotto i 100
nm per i prossimi anni) Generalmente tecniche di
tipo top-down (cioè rimozione localizzata di
zone di film,)
1. Impressione
Luce
Master (maschera meccanica)
Tecnica maggiormente diffusa in ambito
ind. litografia ottica
Fotoresist
Ingredienti litografia ottica - radiazione e.m.
(ben collimata!) - maschera meccanica
(trasp/opaca) - fotoresist (ben depositato!) -
sviluppo ed etching
Susbtrato (ovvero film da patternare)
2. Sviluppo
Fotoresist impressionato
3. Etching
Substrato patternato
Vantaggi evidenti lito. ottica -
flessibilità - semplicità - parallelismo di
processo - scalabilità
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Configurazioni maschera
Proiezione maggiore versatilità, minore
dipendenza da qualità maschera, ma dipende da
qualità del sistema ottico (il sistema più usato,
generalmente con ingrandimento lt1, assieme a
step-and-repeat per grosse superfici)
Prossimità elimina problemi maschera
ma sensibile a diffusione luce (occorre collimare)
Contatto buona definizione ma problemi
chimici e durata della maschera
Master (maschere) possono essere prodotte con
altre tecniche e replicate con litografia ottica
Pattern complessi possono essere prodotti con
ununica esposizione su superfici relativamente
ampie (gt mm2)
Materiale parzialemente tratto dal seminario di
Michele Alderighi (giu. 2002)
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Fotoresist
Da M. Madou, Fundamentals of microfab., CRC
(1997)
Requisiti fondamentali fotoresist - buono
sticking al substrato - omogeneità e spessore
uniforme - efficiente modifica solubilità quando
impressionato dalla luce (typ. UV) - buona
sensibilità alla radiazione - deve riprodurre
fedelmente il pattern
positivi
negativi
sensibile a 220-240 nm (UV)
Esempi di fotoresist positivi (sviluppo es. KOH o
acqua)
Sensibilità N num. scissioni legami
Gdose/100 con dose di energia in eV, e Gtyp
1-10
sensibile a 365 nm (Hg-lamps)
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Deposizione fotoresist
Deposizione usata più frequentemente
spin-coating (buona per polimeri) (altrimenti
spray, elettroforesi, Langmuir-Blodgett
deposition, dipping per SAMs, )
typ. 5000 giri/s per 60 s
typ. seguito da soft temp. curing (T 100
C) Attenzione a transizione vetrosa (peggiora
uniformità!!)
typ. resist thickness 0.51.0 µm
Spin-coating ottima omogeneità, rapidità,
semplicità
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Etching
Etching del resist può essere wet (typ.
attacco acido da fase liquida) o dry (typ. con
plasma ossidante
Etching deve essere seguito da fase di
stripping, generalmente attraverso lift-off
del resist non impressionato
Importanza ruolo dei dettagli
dellesposizione (overcut/undercut)
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Diffrazione ottica
Limite ultimo litografia ottica fenomeno della
diffrazione
Cono di diffusione sinq l/a
a
Intensità diffratta I I0 (sina/a)2 con a p
a sinq / l
La diffrazione da un sistema ottico con apertura
numerica NA limita la risoluzione spaziale ad un
valore 0.6 l/NA (limite di Abbe)
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Risoluzione spaziale in litografia ottica
Da M. Madou, Fundamentals of microfab., CRC
(1997)
Ulteriori limitazioni alla risoluzione sono
dovuti a distanza mask/resist e spessore resist
(per effetto di profondità di campo
Formula semi-empirica
Esempio l 350 nm, s 5 µm, Z 0.5 µm --gt
bmin gt 2 µm!!!
Importanza parametri s e Z