Nanolitograafia on nanotehnoloogia haru, mis tegeleb nanoelektroonika komponentide valmistamisega. Selliseid komponente kasutatakse mikroprotsessorites, mäludes, rakendusotstarbelistes mikroskeemides (integrated circuits). Tänu litograafia tehnoloogiate arengule on pooljuhttööstust saatnud edu, mida kinnitab ka Moore’i seadus. Üldiselt on nanostruktuursete pindade valmistamiseks kaks lähenemisviisi: ülevalt-alla (top-down) ja alt-üles meetod (bottom-up), kuid kasutatakse ka kahte meetodit kombineerivaid tehnoloogiaid.
Ülevalt-alla meetodid
Ülevalt-alla meetodid on enim kasutuses pooljuhtide uurimustes ja tööstuses.
Fotolitograafia
Fotolitograafia ehk optiline litograafia on olnud mikroskeemide litografeerimisel valdavaks tehnikaks. Selles kasutatakse väga madalaid lainepikkusi (193 nm). Meetodi tööpõhimõte on järgmine:
alus ehk substraat kaetakse kilega (1). Kile peale kantakse fotoresisti kiht, mis muutub UV-kiirguse mõjul lahustuvaks (positiivne fotoresist) või lahustumatuks (negatiivne fotoresist) spetsiaalses kemikaalis (2). Siis valgustatakse eelnevalt sadestatud kilet UV-valgusega läbi maski, mis on soovitud integraalskeemi elemendi kujuline (3). Seejärel eemaldatakse eksponeeritud resist (4) ning söövitatakse kilet samast kohast (5). Näiteks SiO2 kile korral saab seda söövitada HF-ga. Viimase etapina eemaldatakse fotoresist (6), näiteks H2SO4 abil.
Elektronkiirlitograafia
Elektronide voog kiirendatakase substraadile ning seda liigutatakse elektri- ja magnetvälja abil vastavalt soovitud elemendi kujule. Elektronide doos ja kiire energia on täpselt kontrollitavad. Elektronkiirega saab „joonistada“ elemente nii otse kui ka läbi maski.
Skaneeriva kiire litograafia
Siia alla kuuluvad meetodid, mis kasutavad skeemi „joonistamiseks“ teravikku, mida liigutatakse mehaaniliselt mööda pinda. Skaneeriva kiire litograafia võib jaotada kaheks: keemiline ja füüsikaline pinna modifitseerimine. Esimese meetodi puhul rakendatakse lokaalse oksüdatsiooni protsesse. Teise meetodi korral moodustub soovitud struktuur materjali füüsikalise liigutamisega substraadil.
Teravik nanolitograafia (Dip-pen nanolithography DPN), mis on füüsikaline skaneeriva kiire litograafia meetod, kasutab materjali pinnale kandmiseks AFM’i teravikku. See materjal võib olla kas teraviku enda koostisosa (näiteks Au), mida mõjutatakse jõu või vooluga, või füüsikaliselt adsorbeeritud materjal. Materjal kantakse teravikult substraadile materjal kapillaarjõudude abil. [1]
Teisi ülevalt-alla meetodiga litograafia tehnoloogiaid:
Sügava UV-kiirguse litograafia (Extreme ultraviolet lithography)
Röntgenlitograafia (X-ray lithography)
Magnetlitograafia (Magnetolithography)
Kontaktlitograafia (Contact lithography)
Pehme litograafia (Soft lithography)
Alt-üles meetodid
Alt-üles meetodid on väljaarendanud (bio)keemikud ning need on seotud molekulaarse iseorganiseerumisega (molecular self-assembly). Iseorganiseerumise meetodid võib jaotada kaheks: 1) kahjumlik protsess (sacrificial process), kus iseorganiseeruvad nanokomponendid eemaldatakse ja need ei osale aktiivselt nanostruktuuride moodustumisel; 2) aktiivne protsess, kus iseorganiseeruvad nanokomponendid on mikroskeemide osaks. Mõlemal juhul põhjustavad organiseerumise mitmed molekulisisesed jõud (vesinikside, van der Waals’i jõud, hüdrofoobsed/hüdrofiilsed ja π-π vastastikmõjud), millede eesmärgiks on minimeerida soojuslikku ja kineetilist energiat, mille tulemusena moodustub muster. [2]
Nanostruktuuride organiseerumiseks kasutatakse näiteks nukleiinhappeid, kuna neil on etteennustatav iseorganiseerumise mudel ja nende dimensioonid on hästi teada. Lisaks on neid lihtne funktsionaliseerida.
DNA-origami tehnoloogia seisneb pika (100nm) ühekiulise DNA molekuli voltimisel juhuslikuks 2D nanovormiks. [3]
Kombineeritud meetodid
Kombineeritud meetod kasutab nii ülevalt-alla kui ka alt-üles meetodeid. Chung et al. [ 4] on kombineerinud DPN-i ja DNA-suunatud iseorganiseerumist, kus nanoskaalas eletktroodiliited on DPN-i abil spetsiifilise oligonukleotiidi järjestusega valikuliselt funktsionaliseeritud. Need järjestused suunavad elektriskeemi iseorganiseerumist, mis sisaldavad 20 nm ja 30 nm diameetriga DNA-ga modifitseeritud nanoosakesi. Selle tulemusena moodustuvad liited, mis on ühendatud üksiku nanoosakesega.
Viited
[1] http://www.schubert-group.de/publications/PDF/Papers/Wouters2004_2.pdf
[2] K. Galatis et al., „Patterning and templating for Nanoelectronics“, Adv. Mater. 22 (2010) 769-778.
[3] http://www.dna.caltech.edu/Papers/DNAorigami-nature.pdf
[4] Chung et al. „Top-Down Meets Bottom-Up: Dip-Pen Nanolithography and DNA-Directed Assembly of Nanoscale Electrical Circuits“, Small 1 (2005) 64–69.
Autor: T. Kangur
Leave a Reply