Litografia a fasci di elettroni assistita dal ghiaccio i Cinesi fanno un passo avanti vol processo processo iEBL

In un ambiente sotto vuoto, vicino a meno 130 gradi, il vapore acqueo può condensarsi in uno strato di ghiaccio sottile e super liscio. Gli scienziati hanno usato questo speciale “ghiaccio” per sostituire il materiale fotoresistivo nell’esposizione tradizionale del fascio di elettroni, creando diverse strutture metalliche tridimensionali su una scala micro-nano metrica: piramidi, funghi e ponti. Questa nuova e semplice litografia a fascio di elettroni, che utilizza questa tecnica di resistenza al ghiaccio ( iEBL o Ice EBL ), dovrebbe mostrare il potenziale per l’elaborazione tridimensionale micro-nanometrica.

Il 25 giugno 2018, i ricercatori dello State Key Laboratory dei moderni strumenti ottici dell’Università di Zhejiang, guidati dal professor Qiu Wei, pubblicarono un documento intitolato ” Litografia tridimensionale in fascio di elettroni in situ usando acqua ghiacciata nel giornale Nano Letters, introducendo il suo Metodo di nanofabbricazione 3D, basato sulla litografia a fascio di elettroni, utilizzando resiste al ghiaccio (iEBL). Il documento è stato co-autore di Yu Hong, uno studente di dottorato presso l’Università di Zhejiang; Zhao Ding, un borsista postdottorato; Il professor Zhao Ding e Qiu Yu, professori di ingegneria ottica alla West Lake University.

iEBL è uno sviluppo della tecnica EBL (e-beam lithography) standard, che viene utilizzata per progettare dispositivi, sistemi e materiali funzionali su scala nanometrica.

EBL è la pratica di scansionare un fascio di elettroni focalizzato per disegnare forme personalizzate su una superficie coperta da un film sensibile agli elettroni chiamato resist (exposing). L’esposizione al fascio di elettroni modifica la solubilità del resist, consentendo la rimozione selettiva delle regioni esposte o non esposte del resist immergendolo in uno sviluppatore. Il vantaggio principale della litografia a fascio di elettroni è che può disegnare modelli personalizzati (scrittura diretta) con risoluzione inferiore a 10 nm.

Tuttavia, è difficile in situazioni reali. La leggera vibrazione dello strumento, l’interferenza dei campi magnetici esterni e l’esperienza dell’operatore influenzeranno il risultato finale di questa forma di scrittura diretta.

Allo stato attuale, la precisione dell’esposizione al fascio di elettroni è di circa 60-80 nm, che equivale a un millesimo di un capello umano.

Con la crescente domanda di miniaturizzazione e affinamento dei dispositivi micro-nano, gli scienziati sono sempre più consapevoli dei limiti del processo di litografia. Zhao Ding, il primo autore del ricercatore di carta e postdottorato dell’Università di Zhejiang, afferma: “Per realizzare una struttura tridimensionale occorrono passi molto noiosi e lunghi, che si ripetono dentro e fuori dal vuoto e dall’ambiente non-vuoto, polvere nel processo potrebbe distruggere il campione. ”

“Un altro limite è che la fotoresist è difficile da pulire, e il residuo è quasi inevitabile, il che influirà sulla precisione del prodotto, se verrà sostituito dalla pulizia ad ultrasuoni, si correrà il rischio di danneggiare la struttura.”

“Se il ghiaccio viene utilizzato al posto del materiale fotoresistivo, il risultato sarà molto diverso.”

Alcuni anni fa, un team di ricerca di Harvard propose l’idea della “litografia a fasci di elettroni assistita da ghiaccio” e il team di Qiu Wei sperava di far progredire la tecnologia nel campo dell’elaborazione di dispositivi micro-nano 3D. “Quando il ghiaccio è esposto al fascio di elettroni, è” auto-scomparendo “, lasciando una struttura tridimensionale della struttura.” Ciò accorcia notevolmente le fasi di elaborazione. Pertanto, hanno proposto un metodo di nanofabbricazione 3D, basato sulla litografia a fascio di elettroni, utilizzando resine di ghiaccio (iEBL) e nanostrutture 3D fabbricate accatastando strutture stratificate e quelle con esposizione dose-modulata, rispettivamente.

Dopo 6 anni di ricerca e sviluppo, il team del professor Qiu Wei ha costruito un nuovo microscopio elettronico a scansione (SEM) che integra un dewar di azoto liquido, un iniettore di vapore acqueo, una camera di blocco dell’aria e una camera di deposizione di metallo.

Il processo “iEBL” richiede solo cinque passaggi: raffreddamento, deposizione di ghiaccio, esposizione, evaporazione del materiale e peeling. Utilizzando il loro microscopio a scansione delle emissioni Zeiss Sigma modificato, il team Qiuwei è riuscito a creare forme nano-tridimensionali, come piramidi, funghi e ponti. Pur semplificando notevolmente i passaggi, la qualità del lavoro è impressionante: la risoluzione è fino a 20 nm e la precisione di posizionamento è inferiore a 100 nm.

Un processo EBL standard richiede ulteriori esposizioni e fasi di sviluppo per l’allineamento e richiede 12 passaggi individuali per la nanofabbricazione 3D. L’intero processo di iEBL è realizzato in un unico sistema di aspirazione saltando il rivestimento spin e sviluppando le fasi richieste per le resine comunemente utilizzate. Ciò richiede un numero molto inferiore di fasi di elaborazione ed è privo di contaminazione rispetto ai metodi convenzionali.

Lo stato solido dell’acqua, come i fiocchi di neve, il gelo e il ghiaccio, che vediamo nella nostra vita quotidiana, è lo stato cristallino dell’acqua. Ciò che è necessario per “iEBL” è un ghiaccio amorfo. “Sotto il microscopio elettronico a scansione, la superficie di ghiaccio amorfo è molto liscia”, ha introdotto Hong Yu, “e la microstruttura della superficie cristallina del ghiaccio è irregolare, con molti bordi angolari, che non è favorevole alle operazioni fini”.

Altri esperimenti hanno scoperto che la vicinanza di 130 gradi nel vuoto è solo la condizione in cui il vapore acqueo si condensa in ghiaccio amorfo. “In seguito abbiamo scoperto che questo è l’ambiente climatico della cometa, e anche il ghiaccio della cometa si trova in questo stato amorfo”, ha affermato Qiu.

La scorrevolezza del ghiaccio consente al fascio di elettroni di incidere strutture tridimensionali più fini sul ghiaccio. “Abbiamo anche provato a mettere una nano medaglia d’argento su un filo d’argento nano con uno spessore di un millesimo di un capello umano”, ha detto Hong Yu.

Qiu Wei crede che il processo iEBL possa essere utilizzato per creare nuovi dispositivi optoelettronici complicati, basati su punti quantici, nanotubi, nanofili, grafene, fibre, ecc. “Questi vantaggi unici ne fanno un forte concorrente nella tecnologia di elaborazione micro-nano 3D.”

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