ppm
26th October 2013, 10:33 PM
- معرفی لیتوگرافی :
لیتوگرافی یک واژه یونانی است که از دو قسمت لیتوس (Lithos) به معنای سنگ و گرافی (Graphia)به معنای نوشتن و حکاکی کردن، تشکیل شده است. با ترجمه کلمه به کلمه این واژه به صورت حکاکی بر روی سنگ معنی می شود [3]. این روش شامل تشکیل یک طرح لیتوگرافی از یک الگو روی یک ماده الکترونیک و انتقال آن طرح به ماده‌ای دیگر جهت تولید یک ابزار الکترونیکی یا نوری می باشد [6-1].
3- تقسیم بندی روش های لیتوگرافی:
تکنیک‌های لیتوگرافی را می‌توان به شیوه‌های گوناگون دسته‌بندی کرد. البته در طول زمان با پیشرفت ابزارها و ظهور تکنولوژی‌های جدید، این تکنیک به صورت روش‌های بسیار پیچیده و دقیق به تحت عنوان نانولیتوگرافی، برای معماری در ابعاد مولکولی و نانو توسعه داده شده‌اند؛ به طوری که در دهه های اخیر از این روش به طور وسیع برای ساخت مدارهای مجتمع، ابزارهای ذخیره اطلاعات، سنسورهای مینیاتوریزه شده، سیستم های میکروالکترومکانیک (MEMS) و نانوالکترومکانیک (NEMS) تراشه های زیستی استفاده می شود [6-1].
تکنیک های لیتوگرافی بر اساس ابزار مورد نیاز، روش انتقال تصویر و استراتژی الگوگذاری به دو روش تقسیم می‌شوند، که شامل نوشتن(حکاکی) مستقیم و یا انتقال طرح با استفاده از ماسک نوری با روش های متداول تابش و برخی روش های توسعه یافته می باشد. روش اول تحت عنوان حکاکی ردیفی (Serial Writing) و روش دوم به عنوان روش های تکرار موازی (Parallel Replication ) شناخته می شوند [3-1].
روش های تکرار موازی شامل روش هایی همچون لیتوگرافی نوری، چاپ تماسی و لیتوگرافی مهر نانو می باشد که برای تولید با بازده بالا و در سطح وسیع کاربرد دارند، با این حال در این روش نمی توان طرح ها را به صورت دلخواه اعمال کرد [3-1]. به عنوان مثال، روش چاپ میکروتماسی یک روش شناخته شده برای انتقال مولکول ها از ماده مورد نظر برای ایجاد طرح به زیرلایه، در اثر تماس فیزیکی می باشد. مثالی از این روش در شکل 1 نشان داده شده است [2]. روش حکاکی ردیفی، مانند لیتوگرافی پروب روبشی، امکان تولید الگوهای دلخواه را با رزولوشن بالا و ثبت دقیق فراهم می کند، ولی بازده و خروجی محدودی دارد [2]. لیتوگرافی پروب روبشی (SPL= Scanning Probe Lithography) به تکنیک های بر پایه (SPM=Scanning Probe Microscopy) اطلاق می شود که طرح را بر روی زیرلایه با استفاده از روش های مختلف مانند خراش، نوشتن و تابش ایجاد می کنند. ساختار حاصل از این دستکاری (Manipulation) دارای ابعادی بین 100-10 نانومتر می باشد. سه نوع اصلی پروب برای تکنیک SPL وجود دارد که شامل:
(AFM=Atomic Force Microscopy)،
(STM=Scanning Tunneling Microscopy) و
( SNOM(Scanning Nearfield Optical Microscopy می باشند [3].
با بهبود رزولوشن حاصل از تکنیک لیتوگرافی به حدود چند نانومتر، از این روش برای مشخصه یابی سطوح نیز استفاده می شود. این فرآیند برای ایجاد الگو روی سطوح نیازمند ابزار و فناوری پیشرفته مانند یک نانو قلم به همراه جوهر مولکولی می باشد [3].
نکته قابل توجه دیگر این است که انتقالات انجام شده با روش های لیتوگرافی سبب افزایش دما تا بالای 100 درجه سانتیگراد می شود. این در حالی است که مواد زیستی در این دما غیرفعال می شوند. تکنیک های SPL نیاز به چنین دمایی ندارند و از این رو برای دستکاری مواد زیستی ونرم مناسب می باشند [3].
3-1- لیتوگرافی نوری:
قدیمی ترین روش برای ایجاد طرح، لیتوگرافی نوری است؛ به طوری که صنعت نیمه هادی‌ها، به لیتوگرافی اشعه ماوراء بنفش وابسته است. در این فرآیند، الگو در یک لایه تصویری که ماده مقاوم (Resist) نامیده می شود، تشکیل میگردد. این لایه مقاوم حساس به نور بر روی زیرلایه ای از جنس نیمه هادی (به عنوان مثال ویفر سیلیکونی) قرار گرفته و سطح آن را می پوشاند. برای پوشش سطح با ماده مقاوم، مقدار کمی از آن به شکل محلول مایع روی سطح زیرلایه توزیع می شود. سپس زیرلایه تحت سرعت بالایی حول محور خودش چرخانده می شود، که در طی آن ماده اضافی از سیستم خارج شده و محلول نیز تبخیر می شود. درنتیجه لایه نازکی از ماده مقاوم جامد (2-0.1 میکرون) روی سطح زیرلایه شکل می گیرد. برای متراکم نمودن ماده مقاوم و همچنین خروج حلال باقیمانده، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم تحت یک عملیات حرارتی به عنوان پخت، قرار می گیرد. پس از این مرحله، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم برای ایجاد طرح آماده است [7-1].
شکل 2 - پوشش سطح زیرلایه توسط ماده مقاوم [7].
برای ایجاد طرح، مناطقی از ماده مقاوم به صورت انتخابی تحت تابش اشعه قرار می گیرد. در طی فرآیند تابش، اشعه ماوراءبنفش از میان ماسک نوری (معمولاً از جنس کوارتز) عبور می کند که این ماسک اجازه عبور نور را بر اساس طرح مدار مورد نظر به ماده مقاوم فراهم می کند. واکنش های ایجاد شده در ماده مقاوم در اثر تابش، اتصالات مولکولی را در آن تغییر می دهد. پس از آن، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم و در معرض تابش قرار گرفته، در یک حلال مناسب شستشو داده شده و طرح مورد نظر در اثر فرآیند اچ ایجاد می گردد. با تکرار این فرآیند امکان تشکیل طرح های پیچیده روی سطح فراهم می شود [7-1].
در این روش ماده مقاوم، لایه‌ای از تصویر را تشکیل می دهد که روی سطح زیرلایه قرار می گیرد. در طی فرآیند لیتوگرافی یک تغییر شیمیایی در خلال تابش موضعی در ماده حساس به تابش ایجاد می شود. مقاوم های تجاری موادی پلیمری هستند که به راحتی روی زیرلایه قرار می‌گیرند. همچنین این مواد انعطاف پذیر بوده و حساسیت بالایی دارند. در اثر تابش، وزن مولکولی پلیمر و در نتیجه قابلیت انحلال آن در حلال تغییر می کند. تغییر حلالیت به علت برش زنجیر (مقاوم مثبت) و یا اتصال عرضی (مقاوم منفی) در پلیمر می¬باشد. در مورد مقاوم مثبت، با برش ایجاد شده در اثر تابش، انحلال افزایش می یابد و در مورد مقاوم منفی، قابلیت انحلال در اثر تابش کم می شود [5-1]. به طور مثال (PMMA(polymethylmethacrylate یکی از انواع مقاوم های مثبت می باشد. به هر حال مقاوم های منفی رزولوشن و کانتراست کمتری نسبت به مقاوم های مثبت دارند. مواد مقاوم غیرآلی نیز مانند نمک های هالید فلزی، اکسیدهای فلزی و اکسیدهای نیمه هادی وجود دارند [1].
www.nano.ir
لیتوگرافی یک واژه یونانی است که از دو قسمت لیتوس (Lithos) به معنای سنگ و گرافی (Graphia)به معنای نوشتن و حکاکی کردن، تشکیل شده است. با ترجمه کلمه به کلمه این واژه به صورت حکاکی بر روی سنگ معنی می شود [3]. این روش شامل تشکیل یک طرح لیتوگرافی از یک الگو روی یک ماده الکترونیک و انتقال آن طرح به ماده‌ای دیگر جهت تولید یک ابزار الکترونیکی یا نوری می باشد [6-1].
3- تقسیم بندی روش های لیتوگرافی:
تکنیک‌های لیتوگرافی را می‌توان به شیوه‌های گوناگون دسته‌بندی کرد. البته در طول زمان با پیشرفت ابزارها و ظهور تکنولوژی‌های جدید، این تکنیک به صورت روش‌های بسیار پیچیده و دقیق به تحت عنوان نانولیتوگرافی، برای معماری در ابعاد مولکولی و نانو توسعه داده شده‌اند؛ به طوری که در دهه های اخیر از این روش به طور وسیع برای ساخت مدارهای مجتمع، ابزارهای ذخیره اطلاعات، سنسورهای مینیاتوریزه شده، سیستم های میکروالکترومکانیک (MEMS) و نانوالکترومکانیک (NEMS) تراشه های زیستی استفاده می شود [6-1].
تکنیک های لیتوگرافی بر اساس ابزار مورد نیاز، روش انتقال تصویر و استراتژی الگوگذاری به دو روش تقسیم می‌شوند، که شامل نوشتن(حکاکی) مستقیم و یا انتقال طرح با استفاده از ماسک نوری با روش های متداول تابش و برخی روش های توسعه یافته می باشد. روش اول تحت عنوان حکاکی ردیفی (Serial Writing) و روش دوم به عنوان روش های تکرار موازی (Parallel Replication ) شناخته می شوند [3-1].
روش های تکرار موازی شامل روش هایی همچون لیتوگرافی نوری، چاپ تماسی و لیتوگرافی مهر نانو می باشد که برای تولید با بازده بالا و در سطح وسیع کاربرد دارند، با این حال در این روش نمی توان طرح ها را به صورت دلخواه اعمال کرد [3-1]. به عنوان مثال، روش چاپ میکروتماسی یک روش شناخته شده برای انتقال مولکول ها از ماده مورد نظر برای ایجاد طرح به زیرلایه، در اثر تماس فیزیکی می باشد. مثالی از این روش در شکل 1 نشان داده شده است [2]. روش حکاکی ردیفی، مانند لیتوگرافی پروب روبشی، امکان تولید الگوهای دلخواه را با رزولوشن بالا و ثبت دقیق فراهم می کند، ولی بازده و خروجی محدودی دارد [2]. لیتوگرافی پروب روبشی (SPL= Scanning Probe Lithography) به تکنیک های بر پایه (SPM=Scanning Probe Microscopy) اطلاق می شود که طرح را بر روی زیرلایه با استفاده از روش های مختلف مانند خراش، نوشتن و تابش ایجاد می کنند. ساختار حاصل از این دستکاری (Manipulation) دارای ابعادی بین 100-10 نانومتر می باشد. سه نوع اصلی پروب برای تکنیک SPL وجود دارد که شامل:
(AFM=Atomic Force Microscopy)،
(STM=Scanning Tunneling Microscopy) و
( SNOM(Scanning Nearfield Optical Microscopy می باشند [3].
با بهبود رزولوشن حاصل از تکنیک لیتوگرافی به حدود چند نانومتر، از این روش برای مشخصه یابی سطوح نیز استفاده می شود. این فرآیند برای ایجاد الگو روی سطوح نیازمند ابزار و فناوری پیشرفته مانند یک نانو قلم به همراه جوهر مولکولی می باشد [3].
نکته قابل توجه دیگر این است که انتقالات انجام شده با روش های لیتوگرافی سبب افزایش دما تا بالای 100 درجه سانتیگراد می شود. این در حالی است که مواد زیستی در این دما غیرفعال می شوند. تکنیک های SPL نیاز به چنین دمایی ندارند و از این رو برای دستکاری مواد زیستی ونرم مناسب می باشند [3].
3-1- لیتوگرافی نوری:
قدیمی ترین روش برای ایجاد طرح، لیتوگرافی نوری است؛ به طوری که صنعت نیمه هادی‌ها، به لیتوگرافی اشعه ماوراء بنفش وابسته است. در این فرآیند، الگو در یک لایه تصویری که ماده مقاوم (Resist) نامیده می شود، تشکیل میگردد. این لایه مقاوم حساس به نور بر روی زیرلایه ای از جنس نیمه هادی (به عنوان مثال ویفر سیلیکونی) قرار گرفته و سطح آن را می پوشاند. برای پوشش سطح با ماده مقاوم، مقدار کمی از آن به شکل محلول مایع روی سطح زیرلایه توزیع می شود. سپس زیرلایه تحت سرعت بالایی حول محور خودش چرخانده می شود، که در طی آن ماده اضافی از سیستم خارج شده و محلول نیز تبخیر می شود. درنتیجه لایه نازکی از ماده مقاوم جامد (2-0.1 میکرون) روی سطح زیرلایه شکل می گیرد. برای متراکم نمودن ماده مقاوم و همچنین خروج حلال باقیمانده، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم تحت یک عملیات حرارتی به عنوان پخت، قرار می گیرد. پس از این مرحله، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم برای ایجاد طرح آماده است [7-1].
شکل 2 - پوشش سطح زیرلایه توسط ماده مقاوم [7].
برای ایجاد طرح، مناطقی از ماده مقاوم به صورت انتخابی تحت تابش اشعه قرار می گیرد. در طی فرآیند تابش، اشعه ماوراءبنفش از میان ماسک نوری (معمولاً از جنس کوارتز) عبور می کند که این ماسک اجازه عبور نور را بر اساس طرح مدار مورد نظر به ماده مقاوم فراهم می کند. واکنش های ایجاد شده در ماده مقاوم در اثر تابش، اتصالات مولکولی را در آن تغییر می دهد. پس از آن، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم و در معرض تابش قرار گرفته، در یک حلال مناسب شستشو داده شده و طرح مورد نظر در اثر فرآیند اچ ایجاد می گردد. با تکرار این فرآیند امکان تشکیل طرح های پیچیده روی سطح فراهم می شود [7-1].
در این روش ماده مقاوم، لایه‌ای از تصویر را تشکیل می دهد که روی سطح زیرلایه قرار می گیرد. در طی فرآیند لیتوگرافی یک تغییر شیمیایی در خلال تابش موضعی در ماده حساس به تابش ایجاد می شود. مقاوم های تجاری موادی پلیمری هستند که به راحتی روی زیرلایه قرار می‌گیرند. همچنین این مواد انعطاف پذیر بوده و حساسیت بالایی دارند. در اثر تابش، وزن مولکولی پلیمر و در نتیجه قابلیت انحلال آن در حلال تغییر می کند. تغییر حلالیت به علت برش زنجیر (مقاوم مثبت) و یا اتصال عرضی (مقاوم منفی) در پلیمر می¬باشد. در مورد مقاوم مثبت، با برش ایجاد شده در اثر تابش، انحلال افزایش می یابد و در مورد مقاوم منفی، قابلیت انحلال در اثر تابش کم می شود [5-1]. به طور مثال (PMMA(polymethylmethacrylate یکی از انواع مقاوم های مثبت می باشد. به هر حال مقاوم های منفی رزولوشن و کانتراست کمتری نسبت به مقاوم های مثبت دارند. مواد مقاوم غیرآلی نیز مانند نمک های هالید فلزی، اکسیدهای فلزی و اکسیدهای نیمه هادی وجود دارند [1].
www.nano.ir