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Nanofabricação 2008 [email protected] 1 Nanofabricação Aula 3 – Prof. Gomes 16 jul 2008

Nanofabricaçãomesonpi.cat.cbpf.br/e2008/G6-aula03.pdfNanofabricação 2008 [email protected] 2 Thin Film Deposition • Physical Deposition – Evaporation – Sputtering – Pulsed

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1

Nanofabricação

Aula 3 – Prof. Gomes

16 jul 2008

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Thin Film Deposition

• Physical Deposition

– Evaporation

– Sputtering

– Pulsed Laser Deposition

• Chemical Deposition

– CVD

– PECVD

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Evaporation Process

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Thermal Evaporation

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Electron Beam Evaporation

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Shadow in Deposition

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Rotation Planetary

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Virtual Source

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High Aspect Ratio Trench

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Sputtering Process

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Source Sputtering

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DC Sputtering

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RF Sputtering

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Pulsed Laser Sputtering

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Chemical Vapor Deposition (CVD)

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Steps of the CVD Process

1. Reactant transport by convection

2. Reactant transport by diffusion

3. Adsorption of reactant

4. Surface processes: chemical decomposition

and reaction, migration and attachment.

5. Desorption of byproduct

6. Byproduct transport by diffusion

7. Byproduct transport by convection

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Low Pressure CVD System

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Atmospheric Pressure CVD

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Plasma Enhanced CVD

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Lithography

• Photolithography

– Contact

– Proximity

– Projection

• Electron Beam Lithography

• X-Ray Lithography

• Ion Beam Lithography

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Lithography

• Spin coat radiation sensitive polymer - Resist

• Expose layer (through mask or direct write)

• Develop

• Etch away or deposit material

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Photolithography

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Types of Photolithography

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Photomask

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Electron Beam Lithography

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Substrate Damage

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X-Ray Lithography

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Example of Photolithography (I)

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Example of Photolithography (II)

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Positive and negative resist

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Photoresist (PR)

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Positive Resist Chemistry

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Molecular weight shift

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Typical Positive Resist processEXAMPLE PROCESS: AZ5206 POSITIVE MASK PLATE

• Soak mask plate in acetone > 10 min to remove the original photoresist.

Rinse in isopropanol, blow dry. • Clean the plate with RIE in oxygen. Do not use a barrel etcher.

RIE conditions: 30 sccm O2, 30 mTorr total pressure, 90 W (0.25 W/cm2), 5 min. • Immediately spin AZ5206, 3 krpm.

• Bake at 80 C for 30 min. • Expose with e-beam, 10 kV, 6 C/cm2, Make sure the plate is well grounded.

(Other accelerating voltages may be used, but the dose will be different.) • Develop for 60 s in KLK PPD 401 developer. Rinse in water. • Descum - important Same as step 2 above, for only 5 seconds

Or use a barrel etcher, 0.6 Torr oxygen, 150W, 1 min. • If this is a Cr plate, etch with Transene Cr etchant, ~1.5 min.

If this is a MoSi plate, then RIE etch: 0.05 Torr total pressure, 0.05 W/cm2, 16 sccm SF6, 4.2 sccm CF4,1 min.

• Plasma clean to remove resist: same as step 2 above, for 3 min.

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Negative Resist Cemistry

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Typical Negative resist process

EXAMPLE PROCESS: SAL NEGATIVE MASK PLATE•Soak mask plate in acetone > 10 min to remove photoresist. •Clean the plate with RIE in oxygen. Do not use a barrel etcher.

RIE conditions: 30 sccm O2, 30 mTorr total pressure, 90 W (0.25 W/cm2), 5 min. •Immediately spin SAL-601, 4 krpm, 1 min.

•Bake in 90 C oven for 10 min. This resist is not sensitive to room light. •Expose at 50 kV, 11 C/cm2. Be sure the plate is grounded. •Post-bake for 1 min on a large hotplate, 115 C. •Cool for > 6 min. •Develop for 6 min in Shipley MF312:water (1:1) Be sure to check for

underdevelopment. •Descum 30 s with oxygen RIE: same as step 2, 10 s. •Etch with Transene or Cyantek Cr etchant, ~1.5 min. •Plasma clean to remove resist: Same as step 2, 5 min.

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Lift-off Process

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Liftoff requires undercut

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Lithography and shadow evaporation

ZEP 520

PMGI SF7

SiOx

Si

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Lithography and shadow evaporation

Irradiate with electron beam

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Lithography and shadow evaporation

Develop the two layers selectivelyTop layer:

Bottom Layer:

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Lithography and shadow evaporation

Evaporate Al at an angle

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Lithography and shadow evaporation

Oxidize the first layer

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Lithography and shadow evaporation

Evaporate Al at opposite angle

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Lithography and shadow evaporation

Lift off the resist and excess metal

Tunnel junctions

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46Circuit of SQUIDs and Josephson Tunnel Junctions

Voilà

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Etching

• Chemical Etching

– Wet Etching

– Plasma Etching

• Physical Etching

– Sputter Etching

– Ion Milling

• Chemical/Physical Etching

– Chemically Assisted Ion Beam Etching (CAIBE)

– Reactive Ion Etching (RIE)

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Etching Procedures

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Wet Etching

• Etching Silicon Dioxide

SiO2 + 6HF → SiF6 + 2H2O + H2↑

• Etching Silicon

Si + HNO3 + 6HF → H2SiF6 + HNO2 + H2O +H2↑

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Plasma Etching

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Problem with Chemical Etching

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Isotropic and Selectivity

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Sputter Etching

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Ion Milling

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Comparison on Etching Profiles

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Chemically Assisted Ion Beam Etching (CAIBE)

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Reactive Ion Etching

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Side Wall Passivation

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Optimized RIE

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Some things you can do with EBL

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1.5 mm

Contact “cage” to nano-circuit -- for rapid testing

Bonding Pads

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ConnectingStrips

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100 nm Al

Co

Circuit to measure spin injection from ferromagnet (Co) to normal metal (Al)

Ferromagnetic -Normal metal tunnel junctions

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All these structure were made with

one layer of e-beam lithography and one

vacuum deposition cycle!

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Interconnection

• Metal-Semiconductor Contact

• Metal Electromigration

• Multiple Layer Interconnection

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Silicide Barrier Material

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Resistance Reduction

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Electromigration

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Open and Short Circuit

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Multilayer Interconnection

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City on a Chip

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Dip-Pen Nanolithography

• Scanning probe-based lithography technique using probe tip like a pen

• Tip is dipped in chemical “ink” and transfers nanoparticles, biomolecules, etc. to substrate through contact “writing”

• Resolution: 15 nm or better

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Dip-Pen Nanolithography

• Conventional DPN requires inks that are mobile

at ambient conditions

• Deposition rate controlled by changing ambient conditions (temperature, humidity) or heating/cooling substrate; dynamic control difficult

• Unable to ‘turn-off’ deposition, causing contamination and smearing

• Metrology not possible without unintended deposition or prior cleaning of probe tip

• Emphasis on organics and biomolecules, not conductive metals

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Thermal DPN

• Heating element integrated into cantilever

• Allows use of “inks” that are solid in ambient conditions

• Deposition easily turned on/off by modulating heating element

• Surface imaging possible without smearing/contamination

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Direct deposition of continuous metal nanostructures by thermal dip-pen nanolithography

• Applied Physics Letter, January 2006

B.A. Nelson and W.P. King, Georgia TechA.R. Laracuente, P.E. Sheehan, and L.J. Whitman, Naval Research Lab

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Experiments

• Silicon AFM cantilever with embedded

microscale heater

• Estimated ~20 nm radius of curvature

• Thermal time constant of 1 - 10 µs

• Temperature sensitive resistance (2 - 7 kΩ

for 25 - 550 °C) used for calibration

• Indium as deposition metal (melting point =

156.6 °C)

• Loading: Indium substrate scanned with

500 nN contact force at 6 µm/s with tip

temperature of ~1030 °C

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Experiments

• Continuous lines deposited by reheating cantilever while contacting substrate

• Dimensions depend on tip loading, temperature, speed, and repetitions

• Successful deposition for:• 250 - 800 °C

• 0.01 - 18 µm/s

• 32 - 128 raster scans

• Borosilicate glass, quartz, silicon

substrates

• 50 - 300 nm thick, 3 - 12 nm high

• Imaging with cooled, coated tip had no effect on deposited lines

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Conclusions

• Traditional DPN capabilities expanded by tDPN

• tDPN adds dynamic control of deposition, ability to scan with loaded tip, use of solid metal “inks”

• Technique could be used to perform in

situ inspection and repair of nanoelectronics

• Parallel deposition/metrology possible with cantilever arrays

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Imaging XPS

Si SiOx Si SiOx Si SiOx Si SiOx

• Scan AnalyzerScan AnalyzerScan AnalyzerScan Analyzer• Parallel Direct Imaging Parallel Direct Imaging Parallel Direct Imaging Parallel Direct Imaging • XXXX----ray microprobe/Zone plateray microprobe/Zone plateray microprobe/Zone plateray microprobe/Zone plate

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