DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGIA Y MECANICA

PROCESOS DE MANUFACTURA I

TEMA:

NANOFABRICACIÓN

ALUMNO:

RUIZ GALARZA STEVEN ALEXIS

PROFESOR:

ING. MARCELO OCAÑA

SANGOLQUÍ, 14 de Enero del 2013

SEPTIEMBRE 2012 - FEBRERO 2013NANOFABRICACIÓN

Nanofabricación se refiere a la fabricación de estructuras con tamaño se mide en función de los nanómetros, especialmente por debajo de 20 nanómetros de lado.

La Nanofabricación implica la generación y manipulación de estructuras con dimensiones características menores de 1 𝜇m (40 𝜇pulg); nano quiere decir 10-9. Si bien se han producido durante décadas dispositivos del orden de micrómetros, los procesos a nanoescala prometen proporcionar grandes mejoras y revolucionarios dispositivos en pequeña escala. Entre las aplicaciones potenciales de esos materiales y dispositivos incluyen la electrónica, dosificación de medicamentos, dispositivos mecánicos revolucionarios, sensores y sistemas de diagnóstico médico.

Se debe distinguir entre a) la producción de materiales o partículas a nanoescala (nanosíntesis) y b) los procesos que manipulan las partículas o sus geometrías en nanoescala (nanofabricación). Cada área tiene métodos y limitaciones muy distintos.

Muchos de los procesos de nanofabricación son versiones más exactas y precisas de los que se usan en la manufactura de circuitos integrados, como la fotolitografía, litografía y procedimientos relacionados. Se puede hacer litografía limitada en un microscopio de fuerza atómica (MFA; en ingles AFM, de atomic forcé microscope) que permite manipular hasta átomos individuales.

Con las dimensiones extremadamente pequeñas y las tolerancias dimensionales estrechas asociadas que se deben mantener en la fabricación de estructuras en nanoescala, no se pueden aplicar el ataque químico o el ataque húmedo. Por su tendencia a socavar debajo de una máscara protectora. Por esta razón, las estructuras extremadamente finas se producen con ataque con ion reactivo o ataque a seco. En este proceso, un plasma de gas ionizado se dirige con radiofrecuencias hacia la superficie (por lo general metálica) de la pieza. Esto hace que el metal salpique y pueda generar grabados de muy alta calidad, con relaciones muy alta de profundidad a ancho.

El grabado con el ion reactivo promete mucho como método de nanofabricación, pero socava las paredes verticales. Entre los desarrollos recientes se incluyen cubrir las paredes laterales con una capa de polímero, de una o dos moléculas de espesor, para eliminar el socavamiento. Se debe tener cuidado especial para eliminar los esfuerzos residuales en la pieza, y como se quita material, es probable que haya distorsiones si están presentes los esfuerzos.

En la litografía a nanoescala se han usado microscopios de fuerza atómica, y hay gran potencial para ataque de superficies en pequeña escala. Esos microscopios se usan principalmente como herramientas de visualización de superficie. Sin embargo, cuando tienen el voladizo adecuado, pueden hacer

litografía con resolución atómica, y hasta se han usado para manipular moléculas y átomos individuales en las superficies.

La nanofabricación tiene el potencial para revolucionar muchas industrias, incluyendo el almacenamiento de información, manufactura en circuitos integrados y sistemas de dosificación de medicinas. Por ejemplo, se ha estimado que si un bit de información se pudiera guardar en 100 átomos, entonces todos los libros que se han escrito a la fecha se podrían guardar en un cubo de 0.5 mm de lado. Los científicos imaginan los días en que robots microscópicos se inyecten en el organismo y entreguen las medicinas en el lugar exacto en que se necesitan.

El obstáculo mayor a la nanofabricación, hasta ahora, ha sido la posibilidad limitada de sus procesos. Por ejemplo, un microscopio de fuerza atómica sólo puede procesar una parte con superficie aproximada de 0.01mm2 cada vez, y las velocidades normales en la litografía son del orden de 10 𝜇m por segundo. Son varios órdenes de magnitud por debajo de las aplicaciones industriales que no sean investigación fundamental, aunque se investigan en forma constante en forma constante nuevos métodos para aumentar la capacidad.

La tecnología actual permite que la mayoría de nanofabricación sólo sea en sentido de dos dimensiones.

Un subconjunto importante de nanofabricación actuales son las tecnologías que entran en el ámbito de competencia de nanolitografía, que básicamente significa escritura de nano escala e implica un resultado de 2-dimensional.

NANOFABRICACIÓN, NANOELECTRÓNICA Y CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPÍAS DE FUERZAS Y DE EFECTO TÚNEL

El desarrollo alcanzado por las áreas científicas conocidas como nanociencia y nanotecnología se debe, en parte, al descubrimiento y posteriores desarrollos del microscopio de fuerzas (AFM) y de efecto túnel (STM). Ambas microscopías se han configurado como herramientas indispensables para interrogar las propiedades de sistemas de tamaño nanométrico. El carácter local y el preciso control de las interacciones electromagnéticas permite a estas técnicas la investigación del estado químico, mecánico o eléctrico de estructuras nanométricas, con independencia de la naturaleza de las nanoestructuras. Estas pueden ser de tipo semiconductor, moléculas orgánicas o moléculas biológicas. Las propiedades mencionadas de los microscopios de fuerzas y de efecto túnel pueden ser aprovechadas para desarrollar nuevas técnicas de modificación y manipulación de superficies a escala nanométrica. Esos métodos pueden constituir las bases para el desarrollo de nuevas técnicas de litografía con definición de motivos por debajo de los 10nm.

En la actualidad el laboratorio de fuerzas y túnel tiene dos objetivos principales, por una parte la investigación de las propiedades estructurales,

mecánicas, eléctricas, químicas y tribológicas de sistemas de tamaño nanométrico. Por otra parte, el desarrollo de procedimientos basados en el uso del microscopio de fuerzas para fabricar dispositivos como transistores de un solo electrón o memorias de muy alta densidad.

La actividad científica que se presenta a continuación se dividido en tres secciones: nanofabricación, nanoelectrónica y caracterización y espectroscopía a escala nanométrica.

Microscopio de efecto túnel de baja corriente construido en el IMM

NANOELECTRÓNICA: CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA DE SISTEMAS NANOMÉTRICOS

Las propiedades mecánicas, eléctricas y de síntesis de los nanotubos de carbono los ha convertido como candidatos ideales para su empleo como nanohilos conductores en dispositivos de tamaño nanométrico.

Con el objetivo de estudiar las características eléctricas de sistemas nanométricos se ha depositado una cuerda de nanotubos de carbono (SWNT Single Wall Nanotubes) sobre electrodos de oro-cromo, definidos mediante técnicas de litografía de haz de electrones. Tras la deposición de los nanotubos la superficie se caracteriza mediante el microscopio de fuerzas en el modo de no-contacto. La imagen de AFM muestra un nanotubo sobre un electrodo de cromo-oro.

La combinación de la litografía por haz de electrones y litografía óptica ha permitido acceder a la medida de las características corriente-voltaje del nanotubo.

Las cuerdas de nanotubos medidas presentan comportamiento óhmico en el rango de voltajes medido, de –1 V a 1 V. Para el nanotubo mostrado en la figura anterior se ha medido una resistencia de 17 MW (nanotubo de 250 nm de longitud, 14 nm de altura y 30 nm de diámetro). La resistividad que se obtiene de estas medidas es de r = 3 W × cm.

Métodos de Nanofabricación

LITOGRAFIA POR NANO-IMPRESION

Pasos experimentales de un proceso de nano-impresión

Preparación de la estampa

Impresión de patrones vía modo-estampa pre-diseñado

En  este sentido, cuando se requieren fabricar esturcturas con una resolución encima de 1 micrómetro, la tecnología de fabricación de referefncia es la Litografía ultravioleta convencional, donde una capa fina fotosensible es irradiada de forma selectiva con luz de 350-450 nanómetros. Esta tecnología combian tiempos de producción pequeñas y un coste en equipamiento y mantenimiento reducidos.

Sin embargo, no existe una tecnología madura que aporte estas prestaciones cuando se buscan resoluciones sub-micrométricas, lo que limita la industrialización de prototipos realizados en el ámbito de la nanotecnología.

Se han realizado importantes esfuerzos a la hora de optimizar las tecnologías litográficas sub-micrométricas, utilizándose fuentes más energéticas como la litografía ultravioleta extrema, la litografía con electrones, con fuentes de iones o con fuentes de rayos X. Existen hoy en

día numerosos problemas a la hora de hacer estas tecnologías productivas; entren otros: su coste que en algunos casos supera los 50 millones de dólares o su tiempo de fabricación extremadamente lento para la industria.

Únicamente la litografía ultravioleta extrema, tecnología empleada por la industria de semiconductores que integra circuitos integrados en un chip, es una alternativa. Sin embargo, su coste de inversión y mantenimiento anual esá solo al alcance de una muy alta producción anual como la que se realiza en la industria de semiconductores. Este hecho, unido a la aparición de aplicaciones ajenas a la microelectrónica muchas de, muchas de ellas en el campo de la biotecnología y las aplicaciones biométricas, ha conllevado que numerosos investigadores hayan invertido recursos en la busqueda de alternativas que combinen alta resolución a un coste moderado. Algunas tecnologías importantes, desarrolladas durante los últimos años, son microcontac printing, litografía basada en microspocia de fuerzas atómicas, litografía de nanoimpresión o litografía dip-pen, donde un cantiléver es usado para transferir moléculas al substracto por capilaridad. De entre estas tecnologías, la litografía de nanoimpresión es con diferencia la mas madura y está siendo utilizada para fabricar láseres orgánicos, diodos emisores de luz orgánicos (OLEDS), substratos para ingeniería de tejidos y biochips para sensorización de biomoléculas. Esta tecnología se está utilziando en producción para la fabricación de elementos foónicos para la industria óptica y substituirá en breve a la fotolitografía ultravioleta en la producción de unidades de almacenamiento de datos y displays ópticos.

El principio de la litografía de nanoimpresión (NIL) es muy simple. Un patrón, normalmente fabricado en silicio, es transferido a una capa fina de polímero que recubre el substrato normalmente vidrio o silicio bajo unas condiciones controladas de presión y temperatura.

Este proceso de impresión da lugar a una capa residual muy fina de polímero, que es eliminado mediante un plasma anisotrópico de oxígeno hasta alcanzar el substrato. Posteriormente se puede realizar transferencia de motivos al substrato mediante ataques anisotrópicos en vacío, empleando para ello gases específicos y actuando el polímero como mascara o bien evaporador sobre el substrato una fina capa metálica con posterior extracción del polímero en disolvente orgánico. El proceso permite la réplica de substratos a partir del patrón en tiempos inferiores a los 15 minutos y alcanza una resolución mínima condicionada fundamentalmente por el molde patrón, pudiendo ser ésta inferior a los 10nm. Esta es la razon por la que esta tecnología ha acaparado una gran atención de la industria y centros de investigaciones unos pocos años después de que fuera propuesta en la Universidad de Princeton por el grupo S.Y. Chou en 1995.

La litografía de nanoimpresión distingue dos procesos diferentes:

La nanoimpresión térmica (thermal-NIL): utiliza un patrón de impresión rígido generalmente silicio y se aplica presión del orden de 10-25 bar a una capa fina de material termoplástico por encima de su

temperatura de transición vítrea, lo que permite que el material fluya llenando las cavidades de el patrón. Posteriormente se enfría el conjunto patrón-substrato y se demoldea por debajo de la temperatura de transición vítrea.

La nanoimpresión apoyada por luz ultravioleta (UV-NIL): utiliza patrones transparentes rígidos como el cuarzo o blandos como la silicona para transferir al polímero la estructura del molde mediante aplicación de una pequeña presíón del orden de 1 bar y curado del polímero mediante luz ultravioleta.

En este sentido, incluso la fotolitografía tradicional utilizado para fabricar chips de ordenador es técnicamente nanofabricación, como el tamaño se mide en función de los cientos de nanómetros. Sin embargo, nanofabricación tiende a referirse a las nuevas técnicas de corte de borde.

METODOS PARA FABRICAR ESTRUCTURAS

Para fabricar estructuras cada vez más pequeñas se han planteado dos estrategias distintas. La primera consiste en partir de una cantidad apreciable de material e ir eliminándolo poco a poco, de forma semejante a cómo un escultor se va deshaciendo de la roca sobrante hasta alcanzar el tamaño y forma que desea. A esta opción se le ha denominado método ’descendente’. Es de esta forma como se ha conseguido fabricar los diminutos transistores actuales, cuyas  partes más pequeñas miden unas pocas decenas de nanómetros.  Esta reducción de la materia inorgánica ’dura’, como por ejemplo el silicio de los transistores, se acerca a la nanoescala desde arriba, esculpiendo.

La segunda estrategia es la opuesta a la anterior: partir de los elementos más pequeños posibles (por ejemplo átomos o moléculas) y unirlos hasta formar  sistemas de tamaño nanométrico.  Esta metodología ha sido denominada ’ascendente’.

Un buen ejemplo para entender la necesidad de fabricar estructuras cada vez más pequeñas lo encontramos en la industria electrónica.

HERRAMIENTAS PARA CONSTRUIR NANO-ESTRUCTURAS

APROXIMACION TOP-DOWN

Litografía a nano-escala Nano-impresión Nano-manipulación (átomos o moléculas)

APROXIMACIONES BOTTOM-UP

Auto-ensamblaje Crecimiento cristalino a nano-escala Síntesis molecular y biológica Polimerización

LITOGRAFIA DE HACES DE ELECTRONES

Longitudes de onda corta •Alta resolucion •λe=h/(2meE)1/2, 1eV→12.3 A •Escritura directa (haz enfocado + scanning) Dificultad para la producción en gran cantidad Limitación física: dispersión electrónica Substitución: litografía de ases iónicos enfocados (FIB)

LITOGRAFIA DE RAYOS X

Longitudes de onda muy cortas (1-100 A)→ alta resolución λ fotón = 1.24/E = 1.24/(hv)

Ventajas:o Puede utilizar modos simples de impresión por proximidad

o Para produccion en gran cantidado Disponibilidad de mascaras y foto-resistencias

Desventajas:o Fuentes de luz costosas. Ej: radiación de sincrotróno Dificultad de hacer mascaras de gran tamaño

NANO-LITOGRAFIA DIP PEN

CRECIMIENTO CRSITALINO A NANO-ESCALA

TECNICAS DE CRECIMIENTO

Physical Vapor Deposition (PVD) Molecular Beamn Epitaxy (MBE) Chemical Vapor Deposition (CVD)

Atomic Layer Epitaxy Crecimiento en la fase liquida

PHYSICAL VAPOR DEPOSITION (PVD)

Generación de flujos atómico/molecular por procesos físicos

MODOS DE CRECIMIENTO

Tres caminos diferentes para poder crecer capas atómicas.

Bibliografía:

MANUFACTURA INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA, Kalpakjian & Schmid, Prentice Hall, 5 edición.

FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA - MATERIALES, PROCESOS Y SISTEMAS, Mikell P Groover, Prentice Hall, 1 edición.

http://www.imm.cnm.csic.es/castell/memoria2000/l3.pdf http://www.accefyn.org.co/sp/nanociencia/documents/curso/P

%20Prieto_Class%20II.pdf http://www.ntc.upv.es/nanofabricacion.html http://www.aragoninvestiga.org/tecnicas-de-nanofabricacion-para-

aplicaciones-en-nanotecnologia-2/ http://www.ecured.cu/index.php/Nanolitograf%C3%ADa http://146.83.42.4/tics22012/184465671/Nanolitografia.html http://noticias-nanotecnologia.euroresidentes.com/2006/06/la-

nanolitografa-trmica-dip-pen-deja.html http://www.youtube.com/watch?v=saEfyCSEYtk