Ny gråtoneteknik åbner en tredje dimension for nanoskala litografi

Ingeniører ved NIST Center for Nanoscale Science and Technology (CNST) har udviklet en ny teknik til fremstilling af tredimensionale (3D) nanostrukturer over store enhedsområder ved hjælp af en kombination af elektronstråle (e-beam) litografi, fotolitografi, og modstå spraycoating. Selvom det længe har været muligt at lave komplicerede 3D -strukturer med mange maskelag eller dyre gråtonemasker, den nye teknik gør det muligt for forskere at ætske skyttegrave og andre strukturer med højt formatforhold med nanometer skala funktioner uden brug af masker og i kun to procestrin.

Fremstillingen af ​​3D halvleder- og dielektriske strukturer, der er mønstret ved at udsætte resist med varierende intensitet gråtoner har været afgørende for en bred vifte af applikationer såsom digitale linser, mikroelektromekaniske systemer, og flydende medicinsk udstyr.

I modsætning til enheder, der er afhængige af konventionelle masker, som har områder, der simpelthen transmitterer eller blokerer lys for at danne et mønster, fremstillingen af ​​disse enheder har typisk været afhængig af 3D gråtonemasker, der har forskellige gennemsigtighedsniveauer og afhænger af brugen af ​​proprietære materialer. Fordi kemien er proprietær, og fordi maskerne fremstilles ved hjælp af komplicerede processer, der er bedst egnet til små overflader, de er ofte uoverkommeligt dyre. Den næste generation af disse enheder kræver lavere omkostninger, større overfladearealer, og stadig mindre funktionsstørrelser.

Forskernes nye tilgang udnytter fotolitografiens høje gennemløbsevne til at generere gråtonestrukturer med stort område med stor bearbejdningsfleksibilitet og e-stråle litografis evne til at tilføje gråtonefunktioner mindre end 200 nm. Den første fase af denne mix-and-match tilgang er at mønstre et lag af fotoresist ved at udsætte det med en fokuseret laserstråle. Ved lokalt at modulere lysets intensitet for at danne en gråtonefarve, varierende niveauer af fotoreaktion i fotoresisten genereres. Når prøven er nedsænket i udviklerløsningen, materiale opløses i områder svarende til graden af ​​induceret fotoreaktion, efterlader fotoresistlaget med varierende tykkelser, der matcher det indledende eksponeringsmønster. Prøven udsættes for en dyb reaktiv ionætsning (DRIE), som fjerner substratmateriale i forskellige dybder, der afhænger af fotoresistens tykkelse, overføre 3D-fotoresistmønsteret lodret ind i substratet for at danne dybe gråtonemikrostrukturer. Den anden fase anvender lignende behandlingstrin, men med funktionsstørrelser ti gange mindre. Først, der påføres en højtryks-e-beam resist spray-belægning for at opnå konform dækning af topografien i højformatforholdet produceret i den første fase. Derefter, ved at manipulere en høj-energi e-beam med nanometer-skala opløsning, mønstrede gråtoner trinhøjder er direkte skrevet i e-beam resist på forskellige steder. Endelig, resisten udvikles, og prøven udsættes for DRIE, som den var i det første trin.

To -trinsprocessen resulterer i en lodret funktionsstørrelse på 45 ± 6 nm inden for en substratstruktur, der varierer fra 2 m til 30 m dyb og med vandrette egenskabsstørrelser på 100 nm til 200 nm og en samlet mønsterstørrelse, der kan være så stor som en hel skive. CNST NanoFab Process Engineer Liya Yu forudser, at evnen til at fremstille nanostrukturer i gråtoner i højformat vil udvide de praktiske anvendelser af gråtonelitografi og dramatisk udvide rækkevidden af ​​enhedsstrukturer, der er tilgængelige for enhedsdesignere.