So wie die Fertigungstechnologie heute in verschiedenen Bereichen eine entscheidende Rolle spielt, nimmt die Nanofabrikationstechnologie eine Schlüsselposition in der Nanotechnologie ein. Die Nanofabrikationstechnologie umfasst zahlreiche Methoden, darunter mechanische Bearbeitung, chemisches Ätzen, Energiestrahlbearbeitung und elektrische Feldtechnik auf Aluminiumoberflächen mittels Rastertunnelmikroskopie (STM).
Es gibt noch keine einheitliche Definition für die Nanofabrikationstechnologie; im Allgemeinen wird die Verarbeitung von Materialien mit Abmessungen unter 100 nm als Nanofabrikation bezeichnet, ebenso wie die Verarbeitung mit Oberflächenrauhigkeit auf Nanometerebene. Nanofabrikation bezieht sich auf die Bearbeitung von Teilen, bei denen die Größengenauigkeit, die Formgenauigkeit und die Oberflächenrauhigkeit im Nanometerbereich liegen.
Mit den folgenden Bearbeitungstechnologien kann eine Bearbeitung im Nanobereich erreicht werden:
Zu den mechanischen Bearbeitungsmethoden im Nanobereich gehören die Ultrapräzisionszerspanung mit Einpunktwerkzeugen aus einkristallinem Diamant und CBN, die Ultrapräzisions-Mehrpunktschleifbearbeitung mit Schleifwerkzeugen aus Diamant- und CBN-Schleifmitteln sowie die freie Schleifbearbeitung oder die mechanisch-chemische Verbundbearbeitung wie Schleifen, Polieren und elastische Emissionsbearbeitung.
Durch Ultrapräzisionszerspanung mit Einpunkt-Diamantwerkzeugen wurden im Labor bereits bis zu 3 nm dünne Späne hergestellt, und mit der Duktilschleiftechnologie wurde Schleifen im Nanobereich erreicht. Abtragungen im Sub-Nanobereich können durch Verfahren wie die elastische Emissionsbearbeitung erreicht werden, was zu Oberflächenrauhigkeiten im Angström-Bereich führt.
Die Energiestrahlbearbeitung ist ein spezielles Bearbeitungsverfahren, bei dem Energiestrahlen mit hoher Dichte, wie z. B. Laser-, Elektronen- oder Ionenstrahlen, zum Abtragen von Werkstoffen eingesetzt werden. Sie umfasst hauptsächlich die Ionenstrahlbearbeitung, die Elektronenstrahlbearbeitung und die Lichtstrahlbearbeitung.
Die elektrolytische Strahlbearbeitung, die Funkenerosion, die elektrochemische Bearbeitung, die Molekularstrahlepitaxie sowie die physikalische und chemische Gasphasenabscheidung fallen ebenfalls unter die Energiestrahlbearbeitung. Sputtern, Abscheidung und Oberflächenbehandlung mit Ionenstrahlen sowie ionenstrahlgestütztes Ätzen sind ebenfalls Forschungs- und Entwicklungsrichtungen für die Bearbeitung im Nanobereich.
Im Vergleich zum Schneiden mit festen Werkzeugen sind die Position und die Bearbeitungsgeschwindigkeit bei der Ionenstrahlbearbeitung schwer zu bestimmen. Um eine Bearbeitungsgenauigkeit im Nanomaßstab zu erreichen, sind ein Erkennungssystem im Sub-Nanomaßstab und ein geschlossener Regelkreis zur Einstellung der Bearbeitungsposition erforderlich.
Bei der Elektronenstrahlbearbeitung werden Atome in Form von thermischer Energie von der Oberfläche der Durchdringungsschicht entfernt, die zum Ätzen, zur fotolithografischen Belichtung, zum Schweißen, zur Mikrobearbeitung sowie zum Bohren und Fräsen im Nanomaßstab verwendet werden kann.
Anfang 1999 wurden nach und nach Lithografieanlagen für 0,18 μm im tiefen Ultraviolett (DUV) eingeführt. Zu den so genannten Lithografie-Technologien der nächsten Generation (NGL), die die optische Lithografie nach 0,1 μm ersetzen sollen, gehören vor allem die Extrem-Ultraviolett-, Röntgen-, Elektronenstrahl- und Ionenstrahl-Lithografie. Im Folgenden werden die Fortschritte der verschiedenen Lithografie-Technologien kurz vorgestellt.
Bei der optischen Lithografie werden die Strukturdiagramme von großen integrierten Schaltkreisen auf der Maske durch ein optisches System auf einen mit Fotolack beschichteten Siliziumwafer projiziert. Die minimale Strukturgröße, die mit der optischen Lithografie erreicht werden kann, steht in direktem Zusammenhang mit der Auflösung, die das optische Lithografiesystem erreichen kann, und eine Verringerung der Wellenlänge der Lichtquelle ist die wirksamste Methode zur Verbesserung der Auflösung.
Daher ist die Entwicklung neuer Lithographiegeräte mit kurzwelligen Lichtquellen international ein wichtiges Forschungsthema.
Gegenwärtig hat sich die Wellenlänge der Lichtquelle kommerzieller Lithografiegeräte vom ultravioletten Bereich der Quecksilberlampen-Lichtquellen in der Vergangenheit in den tief ultravioletten Bereich (DUV) verlagert, wie z. B. der KrF-Excimer-Laser (Wellenlänge 248 nm), der für die 0,25μm-Technologie verwendet wird, und der ArF-Excimer-Laser (Wellenlänge 193 nm), der für die 0,18μm-Technologie verwendet wird.
Darüber hinaus ist die Nutzung der Interferenzeigenschaften des Lichts und die Optimierung der Prozessparameter mit verschiedenen Wellenfronttechnologien ebenfalls ein wichtiger Weg zur Verbesserung der Lithografieauflösung. Bei diesen Technologien handelt es sich um Durchbrüche, die durch eine tiefgreifende Analyse der Belichtungsabbildung auf der Grundlage der elektromagnetischen Theorie und der Lithografiepraxis erzielt wurden, einschließlich phasenverschiebender Masken, achsenversetzter Beleuchtungstechnologie und Korrektur des Proximity-Effekts.
Mit diesen Technologien lassen sich beim derzeitigen Stand der Technik lithografische Muster mit höherer Auflösung erzeugen. Anfang 1999 brachte Canon beispielsweise den Scanning Stepper FPA-1000ASI auf den Markt, der eine 193nm ArF-Lichtquelle verwendet.
Mit der Wellenfronttechnologie kann eine lithografische Linienbreite von 0,13 μm auf einem 300-mm-Siliziumwafer erreicht werden. Die Technologie der optischen Lithografie umfasst Lithografiemaschinen, Masken, Fotolacke und eine Reihe von Technologien, die Optik, Mechanik, Elektrizität, Physik, Chemie, Werkstoffe und andere Forschungsbereiche umfassen.
Derzeit erforschen Wissenschaftler die F2-Laser-Lithografie (Wellenlänge 157 nm) mit einer kürzeren Wellenlänge. Aufgrund der hohen Lichtabsorption ist die Beschaffung neuer optischer Materialien und Maskensubstrate für Lithografiesysteme die größte Schwierigkeit bei dieser Wellenlängentechnologie.
Bei der Extrem-Ultraviolett-Lithografie (EUVL) wird extremes ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 10-14 nm als Lichtquelle verwendet. Obwohl sie ursprünglich als weiche Röntgenlithografie bezeichnet wurde, ist sie eher mit der optischen Lithografie vergleichbar. Der Unterschied besteht darin, dass das optische System aufgrund der starken Absorption im Material in reflektierender Form ausgeführt werden muss.
Die Röntgenlithographie (XRL) arbeitet mit einer Lichtquellenwellenlänge von etwa 1 nm. Da sie eine hochauflösende Belichtung ermöglicht, ist XRL seit ihrer Erfindung in den 1970er Jahren weithin anerkannt. Länder, die über Synchrotronstrahlungsgeräte verfügen, wie z. B. Europa, die Vereinigten Staaten, Japan und China, haben nacheinander entsprechende Forschungsarbeiten durchgeführt.
XRL ist die ausgereifteste aller Lithografietechnologien der nächsten Generation. Die Hauptschwierigkeit von XRL liegt darin, ein Maskensubstrat mit guten mechanischen und physikalischen Eigenschaften zu erhalten. In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte in der Maskentechnologie erzielt. Siliziumkarbid (SiC) ist das am besten geeignete Substratmaterial.
Obwohl XRL nicht mehr der einzige Kandidat für Zukunftstechnologien ist, haben die Vereinigten Staaten ihre Investitionen in XRL in letzter Zeit reduziert, da die Forschung zu XRL-bezogenen Fragen, die Entwicklung der optischen Lithographie und neue Durchbrüche bei anderen Lithographietechnologien intensiviert wurden. Dennoch bleibt XRL eine der unverzichtbaren Kandidatentechnologien.
Bei der Elektronenstrahllithografie (EBL) wird ein hochenergetischer Elektronenstrahl zur Belichtung des Fotolacks verwendet, um strukturelle Grafiken zu erhalten. Mit einer de Broglie-Wellenlänge von etwa 0,004 nm wird EBL nicht durch Beugungsgrenzen beeinträchtigt und erreicht eine Auflösung im nahezu atomaren Bereich. EBL kann eine extrem hohe Auflösung erreichen und direkt Grafiken erzeugen.
Sie ist nicht nur ein unverzichtbares Werkzeug für die Maskenvorbereitung bei der Herstellung sehr großer integrierter Schaltungen (VLSI), sondern auch die wichtigste Methode für die Bearbeitung von Bauelementen und Strukturen für spezielle Zwecke. Die Auflösung aktueller Elektronenstrahl-Belichtungsanlagen liegt bei unter 0,1 µm. Der Hauptnachteil der EBL ist ihre geringe Produktivität, die mit nur 5-10 Wafern pro Stunde weit unter dem derzeitigen Niveau der optischen Lithographie von 50-100 Wafern pro Stunde liegt.
Bemerkenswert ist die von Lucent Technologies in den Vereinigten Staaten entwickelte SCALPEL-Technologie. Bei dieser Technologie werden Maskengrafiken wie bei der optischen Lithografie verkleinert und spezielle Filtertechniken eingesetzt, um die von den Maskenabsorbern erzeugten Streuelektronen zu entfernen, wodurch die Effizienz der Ausgabe verbessert und gleichzeitig die Auflösung gewährleistet wird.
Unabhängig von der künftig verwendeten Lithographietechnik wird die EBL eine unverzichtbare Infrastruktur für die Forschung und Produktion integrierter Schaltkreise darstellen.
Bei der Ionenstrahllithografie (IBL) werden Ionen aus ionisierenden flüssigen oder festen Atomen verwendet, die durch ein elektromagnetisches Feld beschleunigt und fokussiert oder kollimiert werden, um den Fotolack zu belichten. Das Prinzip ist ähnlich wie bei der EBL, aber die de Broglie-Wellenlänge ist kürzer (weniger als 0,0001 nm), und es hat Vorteile wie einen geringen Nahbereichseffekt und ein großes Belichtungsfeld. Zur IBL gehören vor allem die Fokussierte Ionenstrahl-Lithographie (FIBL) und die Ionenprojektions-Lithographie (IPL).
FIBL wurde am frühesten entwickelt, und in der jüngsten experimentellen Forschung wurde eine Auflösung von 10nm erreicht. Wegen seiner geringen Effizienz ist es als Belichtungswerkzeug in der Produktion nur schwer einsetzbar und wird derzeit hauptsächlich als Maskenreparaturwerkzeug und zum Trimmen spezieller Bauteile in VLSI verwendet. Um die Unzulänglichkeiten von FIBL zu beheben, wurde die IPL-Technologie mit höherer Belichtungseffizienz entwickelt, und es wurden erhebliche Fortschritte erzielt.
Das Lithographie-Galvanoformung-Abformung (LIGA)-Verfahren ist eine umfassende Technologie, die sich aus Röntgenlithographie mit tiefer Synchrotronstrahlung, Galvanoformung und Kunststoffformung zusammensetzt. Der grundlegendste und wichtigste Prozess ist die Synchrotronstrahlungslithografie, während Galvanoformung und Kunststoffformung für die praktische Anwendung von LIGA-Produkten entscheidend sind.
Im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterverfahren hat die LIGA-Technologie viele einzigartige Vorteile, z. B. eine breite Palette von Materialien, die verwendet werden können, darunter Metalle und ihre Legierungen, Keramik, Polymere und Glas; sie kann dreidimensionale Mikrostrukturen mit einer Höhe von mehreren hundert Mikrometern bis zu einem Millimeter und einem Seitenverhältnis von mehr als 200 herstellen; die seitlichen Abmessungen können bis zu 0,5 μm betragen, und die Bearbeitungsgenauigkeit kann 0,1 μm erreichen; sie kann eine Massenvervielfältigung und -produktion zu niedrigen Kosten ermöglichen.
Mit der LIGA-Technologie können verschiedene Mikrogeräte und Mikrovorrichtungen hergestellt werden. Zu den erfolgreichen oder laufenden LIGA-Produkten gehören Mikrosensoren, Mikromotoren, mikromechanische Teile, integrierte Optik und mikrooptische Komponenten, Mikrowellenkomponenten, vakuumelektronische Komponenten, medizinische Miniaturinstrumente, Komponenten und Systeme der Nanotechnologie usw.
Die Anwendungsbereiche der LIGA-Produkte sind breit gefächert, wie z.B. Zerspanungstechnik, Messtechnik, Automatisierungstechnik, Automobil- und Transporttechnik, Energietechnik, Luft- und Raumfahrttechnik, Textiltechnik, Feinmechanik und Optik, Mikroelektronik, Biomedizin, Umwelttechnik, Chemietechnik, etc.
Das von Binning und Bobrer erfundene Rastertunnelmikroskop (STM) ermöglicht nicht nur die Beobachtung der Oberflächenstruktur von Objekten mit der Auflösung eines einzelnen Atoms, sondern bietet auch einen idealen Weg für die Bearbeitung im Nanobereich auf atomarer Ebene. Mit der STM-Technologie können Operationen auf atomarer Ebene, Zusammenbau und Umgestaltung durchgeführt werden.
Beim STM wird eine sehr scharfe Metallnadel (Sonde) bis auf etwa 1 nm an die Probenoberfläche herangeführt. Wenn eine Spannung angelegt wird, wird ein Tunnelstrom erzeugt. Der Tunnelstrom ändert sich alle 0,1nm um eine Größenordnung. Wenn man den Strom konstant hält und die Oberfläche der Probe abtastet, lässt sich die Oberflächenstruktur erkennen.
Der Tunnelstrom fließt im Allgemeinen durch ein einzelnes Atom an der Spitze der Sonde, so dass die laterale Auflösung auf atomarer Ebene liegt. Die Rastertunnel-Mikrobearbeitungstechnologie kann nicht nur einzelne Atome entfernen, hinzufügen und verschieben, sondern auch STM-Lithografie, elektronenstrahlinduzierte Abscheidung und Ätzen an der Sondenspitze und vieles mehr durchführen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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