Una maschera dura inedita

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12180 (2022) Citare questo articolo

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Questa lettera risolve un grosso ostacolo che ostacola la fabbricazione basata sulla fotolitografia di strutture su micro-mesoscala in silicio. La fotolitografia convenzionale viene solitamente eseguita su superfici di wafer lisce e piatte per posizionare un disegno 2D e successivamente inciderlo per creare caratteristiche a livello singolo. Tuttavia, non è in grado di elaborare superfici non piane o wafer già incisi e creare più di un livello nella struttura. In questo studio, abbiamo descritto un nuovo flusso di processo basato su camera bianca che consente la facile creazione di tali strutture 3D gerarchiche multilivello in un substrato. Ciò si ottiene introducendo uno strato di maschera dura di biossido di silicio sacrificale ultrasottile sul substrato che viene prima modellato in 3D tramite più cicli di litografia. Questo modello 3D viene quindi ridimensionato verticalmente di un fattore 200–300 e trasferito al substrato sottostante tramite una fase di incisione profonda a colpo singolo. Il metodo proposto è anche facilmente caratterizzabile: utilizzando caratteristiche di diverse topografie e dimensioni, sono state quantificate le velocità di attacco e le selettività; queste informazioni sulla caratterizzazione sono state successivamente utilizzate durante la fabbricazione di strutture bersaglio specifiche. Inoltre, questo studio confronta in modo esauriente la nuova tecnica di trasferimento del modello con i metodi già esistenti per creare strutture multilivello, come la litografia in scala di grigi e l'impilamento di chip. Il processo proposto si è rivelato più economico, più veloce e più facile da standardizzare rispetto ad altri metodi, rendendo il processo complessivo più affidabile e ripetibile. Ci auguriamo che ciò incoraggi ulteriori ricerche sulle strutture ibride che rappresentano la chiave per notevoli miglioramenti delle prestazioni in diversi dispositivi su micro-mesoscala.

I progressi nelle tecniche di elaborazione micro-nano basate sulla litografia hanno rivoluzionato la tecnologia in tutto il mondo per la sua capacità di produrre in serie in modo conveniente strutture che vanno da una scala di lunghezza inferiore a 10 nm fino a una scala millimetrica. Alcune di queste strutture includono componenti elettronici su scala nanometrica come FET, IGBT1, caratteristiche submicroniche come guide d'onda ottiche2, lenti di Fresnel3, dispositivi fotonici4 e dispositivi micro-nanofluidici5. Le caratteristiche di scala micro (1–100 μm) e meso (0,1–1 mm) leggermente più grandi sono ancora più utili nella tecnologia moderna e hanno visto miriadi di applicazioni nella microfluidica6, nelle tecnologie di raffreddamento7,8, nella ricerca sulle batterie9, nell'assorbimento-desorbimento10, nella desalinizzazione11 e nella catalisi12 . Sebbene onnipresente, versatile e indispensabile come tecnica di produzione micro-nano, la litografia convenzionale basata su camera bianca soffre di una grave limitazione. Questo tipo di elaborazione può creare in modo efficiente solo strutture 2.5D o a livello singolo (Fig. 1a,b) ma non è in grado di creare in modo affidabile strutture gerarchiche 3D multilivello, ibride (strutture con più di un livello di altezza o profondità come mostrato in Fig. 1c–e) di profondità superiori a 1–5 μm. Attraverso il percorso LELE (Litho-Etch Litho-Etch) convenzionale, un disegno/modello 2D (controllo completo disponibile sul disegno della caratteristica in 2D) viene prima applicato litograficamente su uno strato di maschera sacrificale [di solito, un polimero fotosensibile chiamato fotoresist (PR)] sul wafer. Questa maschera viene ora utilizzata come protezione per incidere la parte esposta del disegno sul wafer. Attraverso un ciclo di "litografia + incisione" l'intero disegno può essere inciso solo a una profondità specifica dando così origine a una struttura a livello unico. Il processo convenzionale della camera bianca LELE richiederebbe normalmente più cicli di "litografia + incisione" consecutivi per ottenere le strutture multilivello desiderate (Fig. 1f-i). Il collo di bottiglia si verifica a causa di un secondo ciclo di litografia insoddisfacente (Fig. 1i) su wafer che sono già passati attraverso un ciclo di "litografia + incisione" e quindi presentano caratteristiche incise (altezza ≥ 5 μm). Ciò rappresenta un importante ostacolo alla produzione in un’epoca in cui le strutture ibride rappresentano la chiave per miglioramenti notevoli nelle prestazioni dei dispositivi esistenti. (Ulteriori dettagli sull'utilità delle strutture ibride possono essere trovati nella sezione "Impatto".)