Al di là della fotolitografia [3]

L’industria elettronica è arrivata alle soglie della nanotecnologia con un’evoluzione delle tecnologie microelettroniche già esistenti: si è assistito dunque ad un’evoluzione a carattere “top-down”. Partendo dal processo di fotolitografia già esistente si sono cercate sempre nuove migliorie per produrre chip di dimensioni sempre più ridotte. La litografia è quel processo che vede il trasferimento di un pattern da una maschera ad un sottile strato di materiale sensibile alla radiazione (chiamato resist) che copre la superficie di un substrato come ad esempio una fetta di semiconduttore. Per generare gli elementi veri e propri, le sagome di resist devono a loro volta essere trasferite agli strati sottostanti. Questo trasferimento avviene per mezzo di un processo di incisione o attacco chimico che rimuove in modo selettivo parti non mascherate di uno strato. La fotolitografia è quella litografia che adopera la radiazione ultravioletta come mezzo di esposizione del resist. I limiti della fotolitografia tradizionale si identificano nel non poter scendere sotto i 120 nm. Si sono allora studiati metodi per una progressiva riduzione della lunghezza d’onda della luce incidente, nonché sul miglioramento dei relativi materiali e dell’intero processo tecnologico. Si sono così avute svariate ricerche sfociate in altrettante tecnologie, alcune di esse sono:

  • Extreme-ultraviolet lithography, sistema laser ad alta potenza (alcuni kW), 13 nm di lunghezza d’onda, il quale presenta però come inconveniente i detriti di plasma lasciati sul substrato.
  • X-ray lithography ha lunghezza d’onda pari a 1nm, non risente come il precedente di contaminazione da polvere o particelle, ha la risoluzione limitata ai 100 nm.
  • Electron-beam lithography, la risoluzione di questa tecnologia è limitata dalle proprietà del resist, non dalla lunghezza d’onda, il processo di fabbricazione è però lento con scrittura sequenziale.
  • Ion-beam projection lithography, presenta un’altissima risoluzione, controllata dal computer quindi riduce sensibilmente la lentezza di fabbricazione, è d’altra parte molto costosa e necessita di una fonte di ioni affidabile.
  • Fig. 1: fotolitografia
    Queste evoluzioni seguono un tipico approccio ingegneristico che tende a produrre strutture molto definite, stabili, regolari e tipicamente planari, e che può consentire di realizzare nanostrutture a stato solido. In questo contesto gli strumenti delle nanotecnologie basati sui microscopi a sonda di scansione hanno consentito di sviluppare tecniche nanolitografiche a carattere complementare in grado di supportare questa metodica. Dal punto di vista concettuale, infatti, la maggior parte di queste tecniche sono basate sulla rimozione spazialmente selettiva di un polimero o mediante una deposizione/formazione locale di molecole nelle zone desiderate. Un esempio significativo è la cosiddetta dip pen nanolithography, con la quale si sfrutta la punta di un microscopio a forza atomica (AFM, Atomic Force Microscope), che viene ricoperta da molecole come i tioli, in grado di reagire chimicamente con una superficie di oro formando forti legami covalenti con essa. Controllando il movimento della punta sulla superficie si può sfruttare una goccia d’acqua come canale per far migrare le molecole dalla punta al campione, ottenendo un processo analogo alla scrittura con una penna ad inchiostro.

    Approccio “bottom-up”

    Per arrivare a costruire strutture nanotecnologiche esiste un’altra tipologia di approccio oltre quella top-down scalare precedentemente descritta: è quella bottom-up, la quale sfrutta le capacità di alcuni sistemi molecolari di autoassemblarsi e di autoorganizzarsi. Questo approccio differisce da quello precedente più tecnologico e passa ad uno esclusivamente chimico o biologico. La grande differenza rispetto al processo litografico sta nel poter, in questo modo, liberarsi del vincolo delle planarità progettuale e passare alla realizzazione di strutture tridimensionali a costi nettamente inferiori. Le “nanotecnologie bottom-up”, quindi, nascono dallo studio di molecole o aggregati molecolari (eventualmente sintetizzati ad hoc) che hanno la capacità di autoassemblarsi o autoorganizzarsi in strutture di ordine più elevato. Un tale approccio può essere molto efficace impiegando le molecole che siano maggiormente adatte ad autoassemblarsi spontaneamente sotto l’azione di uno specifico agente chimico o fisico, come la variazione di pH, la concentrazione di uno specifico soluto, o l’applicazione di un campo elettrico. I meccanismi fisici che producono l’autoassemblamento, ovvero le forze pilotanti che spingono le molecole ad autoassemblarsi in strutture organizzate, sono dovuti alla termodinamica e alle interazioni competitive di tipo molecolare che comprendono forze idrofobiche/idrofiliche, legami a ponte d’idrogeno e interazioni di van der Waals, che agiscono in modo da minimizzare gli stati energetici per diverse configurazioni molecolari. È importante tenere presente che l’obiettivo diventa, allora, quello di progettare sistemi capaci di autoassemblarsi in strutture macroscopiche di ordine più elevato che presentano le proprietà di tipo chimico e/o fisico desiderate, caratteristiche del comportamento collettivo e non di quello delle singole molecole o particelle costituenti. Attualmente questa metodologia è chiamata autoassemblamento “guidato” (directed self-assembly). I due approcci top-down e bottom-up, apparentemente in conflitto, stanno cercando in realtà punti in comune per potersi integrare al fine di ottenere un’adeguata applicazione. Un esempio è la cosiddetta litografia “soffice” (soft-lithography) in cui si usano nuove tecniche di patterning come la stampa a microcontatto, il microtransfer patterning e il liquid embossing. Nel processo di stampa a microcontatto ( microcontact printing) un patterned stamp, ovvero uno “stampo” precedentemente modellato, è messo in contatto con un substrato in modo da trasferire un inchiostro e per generare così un'immagine del modello dello stampo sulla superficie del substrato. Nella fase di lavorazione successiva questa immagine può essere trasferita sul substrato vicino, per esempio, con un processo di attacco chimico o con un processo di deposizione. Nel caso dell’attacco chimico, il modello costituito dall'inchiostro sulla superficie del substrato può essere utilizzato come incisore, mentre il processo posteriore di deposito può servire da mascherina per un ulteriore sviluppo materiale. Lo stampo è costituito solitamente da un polimero elastomerico, quale poli (dimetilsilossano) (PDMS). Questo materiale permette un contatto conforme con il substrato unito con proprietà chimiche e fisiche importanti per il trasferimento dell'inchiostro. Gli stampi sono fabbricati ponendo pre-polimeri su di un master con un negativo del modello voluto. Gli “inchiostri” usati formano monolayer auto-assemblati (SAM) sulla superficie del substrato. Il termine “auto-assemblati” indica che le molecole si organizzano in maniera autonoma in stati ad alta densità con un alto grado di ordine . Anche se questi monostrati hanno soltanto lo spessore corrispondente alla lunghezza di appena una molecola dell'inchiostro , che ha tipicamente un asse più lungo di circa 2-3 nm, sono molto stabili e resistenti agli stress chimici e fisici con i quali vengono sottoposti durante l'elaborazione. Ciò li rende ideali se impiegati come resist in un processo “photo mask free”.

    Esempio di reazioni per la formazione del SAM.

    Uno dei risultati perseguiti nel campo dell’elettronica si può inquadrare nell’integrazione di nanocelle con dispositivi VLSI già esistenti. In questo modo sarà possibile sfruttare le basi e le conoscenze precedentemente acquisite in anni di realizzazioni creando nuovi tipi di dispositivi per ottenere risultati non alla portata delle attuali tecnologie. Purtroppo maggiormente si riduce la scala di diametro dei dispositivi, maggiormente variano le loro caratteristiche intrinseche, si deve ricorrere quindi a strumenti teorici e sperimentali altamente sofisticati. Per visualizzare, manipolare e caratterizzare tali dispositivi si sono quindi rese disponibili molte tecniche tra le quali:

    Il principio sottostante è indirizzare un fascio di elettroni ad alta energia verso un campione ad una certa angolatura, e rilevare come esso rimbalzi indietro dopo l’interazione con la struttura atomica del materiale sotto test. Dalla conformazione dei diversi pattern di elettroni riflessi che si producono su uno schermo a fosfori si possono evincere informazioni sulla struttura atomica del campione. Negli ultimi quarant'anni i progressi nel campo dell'elettronica, dell'optoelettronica e della riproduzione delle immagini sono avvenuti utilizzando materiali inorganici, in particolare il silicio. Sebbene il silicio sia destinato a rimanere, anche per il futuro, il componente più importante dei dispositivi microelettronici, esiste tuttavia una concreta possibilità che possa essere sostituito da materiali organici, da soli o come ibridi organico-silicio.

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