Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Tecniche litografiche/Litografia a raggi X
La litografia a raggi X (X-ray lithography, XRL) è una tecnica litografica avanzata utilizzata per la fabbricazione di strutture con dimensioni inferiori ai 45 nm. Si basa sull’impiego di raggi X a corta lunghezza d’onda (0,1–1 nm) per esporre un resist fotosensibile, superando i limiti di diffrazione della litografia ottica.
Questa tecnologia, sviluppata a partire dagli anni ’70, è stata considerata una delle principali candidate a sostituire il profondo ultravioletto, anche se non ha mai raggiunto una piena diffusione industriale a causa di costi e complessità elevati.
Principio di funzionamento
[modifica | modifica sorgente]Nella litografia a raggi X, il fascio proveniente da una sorgente di raggi X attraversa una maschera contenente il pattern del circuito. Il fascio viene quindi proiettato sul substrato ricoperto da uno strato di resist sensibile ai raggi X. Le aree del resist esposte subiscono una modificazione chimica che consente, dopo lo sviluppo, la creazione del pattern desiderato.
Poiché la lunghezza d’onda dei raggi X è molto più corta della luce visibile o ultravioletta, la risoluzione può teoricamente raggiungere pochi nanometri, ben oltre i limiti della litografia ottica convenzionale.
Componenti principali del sistema
[modifica | modifica sorgente]Sorgente di raggi X
[modifica | modifica sorgente]Le sorgenti comunemente impiegate sono:
- Sorgente a bombardamento elettronico: un fascio di elettroni colpisce un bersaglio metallico (solitamente tungsteno o rame), generando raggi X per bremsstrahlung.
Questa è la tecnica più tradizionale per produrre raggi X. In un tubo sotto vuoto un catodo emette elettroni ed un anodo li riceve. Una grande differenza di potenziale (per dare un ordine di grandezza tra 40 e 120 KV) tra i due elettrodi accelera gli elettroni che bombardono il catodo. La radiazione X viene prodotta sia nel processo di frenamento degli elettroni che produce uno spettro continuo e sia dalla florescenza X che produce uno spettro discreto fortemente dipendente dal materiale dell'anodo.
- Sincrotroni sono un tipo di acceleratore di particelle circolari e ciclichi, in cui opportuni elettromagneti disposti lungo la traiettoria curvano la traiettoria degli elettroni. Gli elettroni vengono inseriti nell'anello a pacchetti (bunches). La accelerazione viene fornita da un campo elettrico, che non ha una frequenza costante, ma sincronizzata con la massa variabile degli elettroni [1]. Per aumentare l'efficienza di produzione di raggi X, degli opportuni magneti rendono il cammino degli elettroni molto tortuoso in maniera da aumentare l'efficienza di emissione. Si sta studiando la possibilità di costruire sincrotroni compatti per uso industriale. Normalmente i sincrotroni sono delle apparecchiature complesse che si estendono su superfici di centinaia di metri quadrati. I sincrotroni offrono un’intensità e una coerenza di fascio superiori, ma richiedono infrastrutture molto costose.
Maschera
[modifica | modifica sorgente]La maschera per litografia a raggi X è composta da:
- un substrato trasparente ai raggi X (solitamente berillio o silicio),
- un assorbitore (oro, tungsteno o tantalio) che blocca parzialmente il fascio per formare il pattern.
Le maschere devono essere estremamente precise e planari, poiché i raggi X non possono essere focalizzati con lenti tradizionali (l’indice di rifrazione dei materiali per i raggi X è circa 1). Anche piccole deformazioni possono introdurre errori significativi nel pattern.
Resist per raggi X
[modifica | modifica sorgente]I resist usati in questa tecnica devono essere spessi e resistenti alla radiazione ionizzante. Tra i più comuni:
- PMMA (Polymethylmethacrylate) – resist positivo ad alta risoluzione;
- COP (Cyclized Polyisoprene) e PBS (Polybutene-1-sulfone) – resist negativi più stabili;
- Resist avanzati per alte dosi e pattern spessi (fino a diversi µm).
L’interazione dei raggi X con il resist provoca ionizzazione e rottura di legami chimici, rendendo il materiale più o meno solubile a seconda del tipo di resist.
Ottica e collimazione
[modifica | modifica sorgente]Poiché i raggi X penetrano profondamente e non possono essere focalizzati con lenti convenzionali, la collimazione del fascio è ottenuta tramite:
- Specchi multilayer (Bragg reflection)[2];
- Maschere autoallineate[3] ;
- Sistemi di allineamento interferometrici ad alta precisione[4].
L’ottica per raggi X richiede materiali speciali e un vuoto elevato per evitare assorbimento.
Processo di esposizione e sviluppo
[modifica | modifica sorgente]- Deposizione del resist sul substrato mediante spin-coating.
- Allineamento del substrato con la maschera.
- Esposizione con raggi X (energia tipica: 1–10 keV).
- Sviluppo chimico per rimuovere le aree esposte o non esposte, a seconda del resist.
- Trasferimento del pattern nel materiale sottostante tramite incisione o deposizione.
La precisione dell’allineamento è cruciale: le moderne apparecchiature permettono errori inferiori a 20 nm.
Vantaggi
[modifica | modifica sorgente]- Risoluzione teorica < 10 nm, grazie alla bassa lunghezza d’onda;
- Minore effetto di diffrazione rispetto alla litografia ottica;
- Profondità di esposizione elevata: utile per pattern spessi o multistrato;
- Adatta per realizzare microcanali o strutture 3D (es. processo LIGA).
Svantaggi
[modifica | modifica sorgente]- Apparati costosi e complessi (necessità di sorgenti di sincrotrone);
- Maschere costose e difficili da produrre;
- Lentezza nel processo di esposizione;
- Scarsa compatibilità con la produzione di massa.
Applicazioni
[modifica | modifica sorgente]- Fabbricazione di maschere di precisione per litografia ottica ed EUV;
- Microstrutture 3D (tramite processo LIGA);
- MEMS e NEMS[5] ad alta profondità;
- Ricerca in nanofotonica.
Confronto con altre tecniche litografiche
[modifica | modifica sorgente]| Tecnica | Lunghezza d’onda | Risoluzione tipica | Throughput | Applicazioni |
|---|---|---|---|---|
| Litografia ottica (DUV) | 193 nm | 50–90 nm | Alta | Produzione di massa |
| litografia EUV | 13.5 nm | 10–20 nm | Medio–alto | Produzione avanzata |
| Litografia a raggi X | 0.1–1 nm | < 10 nm | Basso | Ricerca, microstrutture 3D |
| Litografia elettronica | – | 2–10 nm | Molto basso | Prototipi, maschere |
Evoluzione e stato dell’arte
[modifica | modifica sorgente]Nonostante le eccellenti prestazioni teoriche, la litografia a raggi X è stata progressivamente sostituita dalla litografia EUV (Extreme Ultraviolet), più compatibile con la produzione industriale di semiconduttori.
Oggi la litografia a raggi X trova applicazioni di nicchia nei laboratori di ricerca, nella produzione di microingranaggi, filtri ottici e microcanali per applicazioni biochimiche.
Note
[modifica | modifica sorgente]- ↑ A causa delle elevate energie cinetiche raggiunte, gli effetti relativistici sulla massa degli elettroni sono molto marcati ed quindi è necessaria una sincronizzazione per avere una elevata efficienza di accelerazione. L'effetto che qui viene sfruttato è il fatto che una particella carica accelerata genera onde elettromagnetiche
- ↑ D. G.Stearns e R. S. RS. P. Vernon, Multilayer mirror technology for soft-x-ray projection lithography, in Applied Optics, vol. 32, 1993, pp. 6952-6960.
- ↑ E. Di Fabrizio e al., A novel X-ray mask concept for mex&match lithography fabrication of MOS devices by synchrotron radiation lithography, in Microelectronic engineering, vol. 35, 1997, pp. 553-556.
- ↑ Abdollah Pil-Ali, Sahar Adnani e Karim S. Karim, Self-aligned multi-layer X-ray absorption grating using large-area fabrication methods for X-ray phase-contrast imaging, in Scientific Reports, vol. 13, 2023, p. 2508.
- ↑ Nano Electro-Mechanical Systems, cioè sistemi analoghi ai MEMS, ma di dimensione nanometrica.
Bibliografia
[modifica | modifica sorgente]- Madou, Marc J. Fundamentals of Microfabrication and Nanotechnology, three-volume set., CRC Press, 4ª ed. (2018)
- V. Saile, LIGA and its Applications, editore Wiley-VCH (2009) isbn=978-3-527-31698-4