Bionanotecnologie

FASE DI SVILUPPO:

➢ 1. Resist positivo è quel resist che, una volta irraggiato, toglie il destabilizzante che è presente nella soluzione

polimerica e fa sì che la radiazione danneggi le catene polimeriche rammollimento con una diminuzione

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delle proprietà chimico fisiche e meccaniche del polimero nelle zone in cui è stato irraggiato. La radiazione

UV porta ad aumento solubilità del resist colpito almeno di 100 volte. Nella fase di sviluppo il primo polimero

che viene rimosso è quello colpito dalla radiazione e questi resist nella litografia tradizionale permettono di

avere risoluzioni migliori. Le soluzioni di sviluppo che si usano sono soluzioni alcaline ovvero basiche (es:

NaOH o KOH). Quindi il resist positivo rammollisce quando irraggiato dalla soluzione, la solubilità aumenta di

circa 100 volte e la parte irraggiata viene rimossa durante fase sviluppo permettono di avere risoluzione

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maggiore rispetto a resist negativo.

2. Resist negativo: una volta risposto alla luce ultravioletta cross linka, cioè forma legami tra le catene

polimeriche e quindi le sue proprietà chimico fisiche e meccaniche aumentano indurisce. Nel caso del

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resist negativo durante la fase di sviluppo viene rimosso il resist non irraggiato. Le soluzioni di sviluppo che

vengono usate sono le soluzioni organiche (es: cloroformio, clorometano (?), etanolo).

Perché si hanno risoluzioni inferiori?

I solventi organici solubilizzano il resist non cross linkato, ma, essendo aggressivi, può accadere che entrino

anche un po’ nella parte di resist cross linkato: il resist swella (rigonfia leggermente) possiamo

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immaginarlo come una spugna quando assorbe l’acqua la geometria finale del resist che rimane è

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leggermente diversa da quella teorica e quindi si perde in risoluzione.

Lo sviluppo è quindi la rimozione del resist solubile dopo l’esposizione.

La temperatura e l’agitazione del bagno sono i parametri di controllo. Lo sviluppo può avvenire con processi

«wet» o «dry».

• Wet development: può avvenire immergendo il resist nella soluzione liquida di sviluppo o spruzzando la

soluzione di sviluppo sul resist (wet può essere sia per immersione ma anche per spray).

• Dry development: (sviluppo secco) non utilizza solventi, ma trattamenti al plasma (con gas come

ossigeno o argon) o in fase vapore. Le specie reattive degradano il resist che deve essere rimosso e le

particelle da rimuovere vengono poi aspirate.

Vantaggi e svantaggi del wet e del dry: il wet è uno dei più facili da implementare, hanno costi inferiori dal punto di

vista della tecnologia, hanno come contro il fatto che poi bisogna smaltire la soluzione residua.

DESCUMMING: è un passaggio che non viene sempre fatto (dipende dal processo) ma dopo la fase di sviluppo

➢ potrebbero rimanere tracce di resist residuo danneggia tanto la qualità del prodotto finale per cui si fa questo

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descumming che usa la tecnica del plasma (reattore al plasma in cui gli ioni carichi degradano il polimero

rimasto e i prodotti vengono rimossi).

POSTBAKING: trattamento termico che viene fatto per eliminare il solvente residuo dello sviluppo poiché anche

➢ se si fa asciugare all’aria è difficile togliere completamente il solvente, e per aumentare la durezza del resist

(perché il resist ha una funzione di protezione di specifiche aree del wafer e quindi deve riuscire a resistere a

trattamenti successivi cui verrà sottoposto); quindi, si fa asciugare all’aria e diventa più duro questo migliora

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qualità del resist e la resistenza agli attacchi chimici. È un trattamento più aggressivo a livello termico (circa 120

gradi per 20 min) perché non ci interessa venga preservato l’elemento fotosensibile dato che ha già svolto la sua

funzione.

NB: Qualunque trattamento termico comporta una riduzione dello spessore del resist, anche il softbaking.

Alla fine di tutti questi passaggi ci sono due trattamenti possibili:

1. ETCHING (esportazione materiale);

2. DEPOSIZIONE;

Entrambi avvengono su tutto il wafer e vanno a depositarsi anche sul resist protettivo che

tanto poi viene eliminato (STRIPPING o LIFT OFF) con opportuni solventi/metodi che non

alterano la superficie del wafer trattata in precedenza.

La risoluzione della litografia tradizionale dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione UV. La litografia tradizionale:

ALTRE LITOGRAFIE utili per ottenere dettagli sempre più piccoli e quindi risoluzioni migliori:

Litografia con raggi X

Rispetto a quelli UV i processi sono uguali ma cambia il tipo di radiazione e cambia di

conseguenza anche il tipo di resist (ne serve uno sensibile ai raggi X).

I raggi X (1895) sono stati scoperti facendo esperimenti con un tubo catodico ed una luce ad

alta energia parte della radiazione riusciva a superare il tubo e andava a colpire lo

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schermo su cui compariva della fluorescenza i raggi X uscivano dal tubo.

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Mettendo la mano sulla traiettoria del fascio ci si accorse che sullo schermo si vedeva

l'ombra delle ossa della mano.

Raggi X molli: con lunghezza d’onda > a 0,1 nm e sono usati per diagnostica (es: TAC);

Raggi X duri: con lunghezza d’onda < a 0,1 nm in ambiente biomedicale per terapie oncologie.

Le differenze la litografia tradizionale:

• I raggi X hanno una lunghezza d’onda minore (4-50 Å) rispetto ai raggi UV (2000-4000

Å) risoluzione migliore.

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• Gli effetti di diffrazione sono quindi ridotti e la risoluzione è maggiore.

• Si può lavorare in prossimità (senza usare maschere a contatto) la maschera

→

messa solo in prossimità e esistono le tre opzioni che avevamo per quella

tradizionale. Maschera e substrato hanno rapporto 1:1.

• Non utilizza elettroni o ioni (particelle cariche), quindi sono richiesti sistemi di generazione di vuoto meno

performanti.

• È una tecnica di riproduzione 1X – l’immagine nella maschera è l’esatta riproduzione del pattern (ha la stessa

scala).

• Richiede maschere ad alta precisione qui le maschere hanno un costo maggiore.

→

Esistono tre sorgenti principali di raggi X:

1. Tubi radiogeni.

2. Laser plasma.

3. Sincrotroni (più comuni in micro-nano fabbricazione).

Un buon resist per la litografia a raggi X dovrebbe:

• Possedere elevata sensibilità ai raggi X.

• Garantire elevata risoluzione.

• Essere resistente all’etching (chimico/ionico e plasma).

• Avere stabilità termica (T > 140°C).

In realtà al momento non esiste un materiale che garantisca tutti questi requisiti. Il materiale più utilizzato è il

polimetilmetacrilato (PMMA – vedere formula chimica) perché il PMMA ha bassa sensibilità ai raggi X – per aumentarne la

sensibilità si possono includere elementi a elevato numero atomico. Si possono anche usare resist a base di poli(lattidi) –

usati soprattutto per la tecnica LIGA. Generalmente i resist negativi per litografia raggi X hanno maggiore sensibilità

rispetto a quelli positivi.

Anche in questo caso, come nella litografia tradizione, con il resist positivo la radiazione a raggi X rompe le catene del

polimero e quindi nella fase di sviluppo va via il resist irraggiato; nel caso di resist negativo la radiazione a raggi X porta il

cross linking delle catene e rimane il resist irraggiato.

Le maschere come si fanno?

Con tecniche che permettono risoluzioni migliori rispetto alla tecnica per cui poi viene poi utilizzata e spesso si usa la

litografia a fascio di elettroni.

Nelle maschere per la litografia a raggi X lo strato non assorbente deve essere

trasparente (nell’immagine è la parte in silicio) ai raggi X e quindi deve essere fatto con

materiale a basso numero atomico, mentre in quello assorbente si deve avere alto

numero atomico (deve assorbire i raggi X). La parte assorbente è un sottile strato di oro

sulla quale viene messo il resist (PMMA, sempre per la litografia a fascio di elettroni). Il

fascio di elettroni colpisce secondo uno specifico pattern (in modo selettivo) lo strato

di PMMA, dove viene colpito dagli elettroni il PMMA modifica le proprie proprietà

(rammollisce) e viene deposto: si avrà che, dopo la fase di sviluppo, lo strato di PMMA

riveste solo parzialmente la nostra maschera. Viene fatto a questo punto un passaggio

di etching e viene rimosso lo strato d’oro solo dove non è coperto di PMMA: viene

rimosso lo strato di resist si ottiene la maschera.

→

Avrò una maschera che ha lo strato non assorbente (trasparente alla radiazione X) e

poi zone specifiche in cui presenta anche lo strato che assorbe i raggi X.

Differenze maschere con quella tradizionale: Si parte sempre da

un sistema CAD.

Per il substrato

nella litografia

tradizionale la

parte trasparente

è il quarzo mentre

per la litografia a

raggi X abbiamo il

silicio o altri

materiali a basso

numero atomico.

La parte

assorbente è fatta

da un lato da un

sottile strato di

metallo (cromo) e

nell’altra deve

essere un elemento ad alto peso atomico (generalmente oro o stato di cromo + oro).

tendenzialmente i materiali e i costi finali.

→Cambiano Tecnica LIGA

Strettamente collegata a questa litografia c’è la TECNICA LIGA: tecnica nata e pensata per ovviare ai problemi che hanno

le tecniche viste finora. Questa tecnica è stata pensata per ottenere strutture micro e nano metriche di metallo che

potessero essere prodotti finiti o per lo stampo di materie plastiche. (Prima esisteva solo la LIG, poi in Germania hanno

aggiunto anche la parte dello stampo). Si chiama LIGA perché include la litografia, l’ettrodeposizione e lo stampo. Deve

essere usabile n volte per produrre oggetti micro e nanometrici di plastica.

Applicazioni: strutture di MEMS come rotori, perni, denti e ruote dentate nel caso di componenti singoli oppure per lo

stampaggio di altri componenti.

Questa tecnica usa la litografia a raggi X per ottenere resist molto spessi (vuol dire di qualche mm). Come tipo di resist si

usano a base di acido cloridrico.

SVANTAGGI:

• Necessita di un investimento considerevole non essendo un processo “standard” ha un costo iniziale molto

→

elevato per le maschere;

• Realizzazione della maschera molto costosa;

• Necessità di sorgenti di raggi X ad elevata energia, molto costose e rare;

• In pratica il primo prodotto metallico è costoso e ha tempi lunghi;

VANTAGGI:

• Impressionare resist spessi con elevata fedeltà;

• I raggi X hanno lunghezza d’onda corta e quindi si ha bassa diffrazione (perché è a raggi X);

• Una v