Nanolitografía

La nanolitografía ( NL ) es un campo de técnicas en auge dentro de la nanotecnología que se ocupa de la ingeniería (patronización, por ejemplo, grabado, deposición, escritura, impresión, etc.) de estructuras a escala nanométrica en diversos materiales.

El término moderno hace referencia al diseño de estructuras construidas en un rango de 10⁻⁹ ^a 10⁻⁶ ^metros , es decir, a escala nanométrica. En esencia, este campo es una derivación de la litografía , que solo abarca estructuras muy pequeñas. Todos los métodos de litografía nanométrica se pueden clasificar en cuatro grupos: fotolitografía , litografía de escaneo, litografía blanda y otras técnicas diversas. ^{[ 1 ]}

La nanolitografía ha evolucionado a partir de la necesidad de aumentar el número de características submicrométricas (por ejemplo, transistores, condensadores, etc.) en un circuito integrado para cumplir con la Ley de Moore . Si bien las técnicas litográficas existen desde finales del siglo XVIII, ninguna se aplicó a estructuras a nanoescala hasta mediados de la década de 1950. Con la evolución de la industria de los semiconductores, la demanda de técnicas capaces de producir estructuras a micro y nanoescala se disparó. La fotolitografía se aplicó a estas estructuras por primera vez en 1958, dando inicio a la era de la nanolitografía. ^{[ 2 ]}

Desde entonces, la fotolitografía se ha convertido en la técnica de mayor éxito comercial, capaz de producir patrones de menos de 100 nm. ^{[ 3 ]} Existen diversas técnicas asociadas a este campo, cada una diseñada para satisfacer sus múltiples aplicaciones en las industrias médica y de semiconductores. Los avances en este campo contribuyen significativamente al progreso de la nanotecnología y son cada vez más importantes hoy en día, a medida que aumenta la demanda de chips informáticos cada vez más pequeños. Otras áreas de investigación abordan las limitaciones físicas del campo, la recolección de energía y la fotónica . ^{[ 3 ]}

Del griego, la palabra nanolitografía se puede dividir en tres partes: "nano", que significa enano; "lith", que significa piedra; y "graphy", que significa escribir o "escritura diminuta sobre piedra".

En 2021, la fotolitografía era la técnica más utilizada en la producción en masa de dispositivos microelectrónicos y semiconductores . Se caracteriza tanto por su alto rendimiento de producción como por el pequeño tamaño de los patrones.

La litografía óptica (o fotolitografía) es uno de los conjuntos de técnicas más importantes y extendidos en el campo de la nanolitografía. La litografía óptica incluye varias técnicas derivadas importantes, todas ellas empleando longitudes de onda de luz muy cortas para modificar la solubilidad de ciertas moléculas, provocando su disolución y dejando tras de sí la estructura deseada. Varias técnicas de litografía óptica requieren el uso de inmersión en líquido y diversas tecnologías de mejora de la resolución, como máscaras de desplazamiento de fase (PSM) y corrección de proximidad óptica (OPC). Algunas de las técnicas incluidas en este conjunto son la litografía multifotónica , la litografía de rayos X , la nanolitografía de acoplamiento de luz (LCM) y la litografía ultravioleta extrema (EUVL). ^{[ 3 ]} Esta última técnica se considera la técnica de litografía de próxima generación (NGL) más importante debido a su capacidad para producir estructuras con precisión por debajo de los 30 nanómetros a altas tasas de producción, lo que la convierte en una opción viable para fines comerciales.

La litografía óptica cuántica (QOL) es un método sin límite de difracción capaz de escribir con una resolución de 1 nm ^{[ 4 ]} mediante medios ópticos, utilizando un diodo láser rojo (λ = 650 nm). Se obtuvieron patrones complejos como figuras geométricas y letras con una resolución de 3 nm ^{[ 5 ]} sobre un sustrato de fotorresina. El método se aplicó para nanopatronizar grafeno con una resolución de 20 nm ^{[ 6 ] .}

La litografía por haz de electrones (EBL) o litografía de escritura directa por haz de electrones (EBDW) escanea un haz de electrones enfocado sobre una superficie cubierta con una película sensible a los electrones o una resina (por ejemplo , PMMA o HSQ ) para dibujar formas personalizadas. Al cambiar la solubilidad de la resina y la posterior eliminación selectiva de material por inmersión en un disolvente, se han logrado resoluciones inferiores a 10 nm. Esta forma de litografía de escritura directa sin máscara tiene alta resolución y bajo rendimiento, lo que limita los haces de electrones de una sola columna a la fabricación de fotomáscaras , la producción de bajo volumen de dispositivos semiconductores y la investigación y el desarrollo. Los enfoques de haces de electrones múltiples tienen como objetivo aumentar el rendimiento para la producción en masa de semiconductores. La EBL se puede utilizar para el nanopatrón selectivo de proteínas en un sustrato sólido, con el fin de lograr una detección ultrasensible. ^{[ 7 ]} Las resinas para EBL se pueden endurecer utilizando la síntesis de infiltración secuencial (SIS).

La litografía por sonda de barrido (SPL) es otro conjunto de técnicas para la creación de patrones a escala nanométrica, hasta átomos individuales, utilizando sondas de barrido , ya sea mediante el grabado del material no deseado o mediante la escritura directa de nuevo material sobre un sustrato. Algunas de las técnicas importantes en esta categoría incluyen la nanolitografía por pluma de inmersión , la nanolitografía termoquímica , la litografía por sonda de barrido térmica y la nanolitografía por oxidación local . La nanolitografía por pluma de inmersión es la más utilizada de estas técnicas. ^{[ 8 ]}

Esta técnica utiliza un haz enfocado de protones de alta energía (MeV) para modelar material de resistencia a nanoescala y ha demostrado ser capaz de producir patrones de alta resolución muy por debajo de los 100 nm. ^{[ 9 ]}

Este conjunto de técnicas incluye litografías de proyección de iones y electrones. La litografía de haz de iones utiliza un haz enfocado o amplio de iones ligeros y energéticos (como He ⁺ ) para transferir patrones a una superficie. Mediante la litografía de proximidad de haz de iones (IBL) se pueden transferir características a nanoescala en superficies no planas. ^{[ 10 ]}

La litografía blanda utiliza materiales elastoméricos elaborados a partir de diferentes compuestos químicos, como el polidimetilsiloxano . Los elastómeros se emplean para crear un sello, molde o máscara (similar a una fotomáscara ), que a su vez se utiliza para generar micropatrones y microestructuras. ^{[ 11 ]} Las técnicas descritas a continuación se limitan a una sola etapa. La posterior creación de patrones en las mismas superficies resulta difícil debido a problemas de desalineación. La litografía blanda no es adecuada para la producción de dispositivos semiconductores, ya que no es compatible con la deposición y el grabado de metales. Estos métodos se utilizan comúnmente para la creación de patrones químicos. ^{[ 11 ]}

La litografía de nanoimpresión (NIL) y sus variantes, como la litografía de impresión por pasos y destellos y la impresión dirigida asistida por láser (LADI), son tecnologías prometedoras para la replicación de nanopatrones. Estos patrones se crean mediante la deformación mecánica de fotorresistencias, generalmente monómeros o polímeros que se curan con calor o luz ultravioleta durante la impresión. Esta técnica se puede combinar con la impresión por contacto y la soldadura en frío . La litografía de nanoimpresión permite producir patrones a niveles inferiores a 10 nm.

La magnetolitografía (ML) se basa en la aplicación de un campo magnético sobre el sustrato mediante máscaras metálicas paramagnéticas denominadas "máscaras magnéticas". La máscara magnética, análoga a una fotomáscara, define la distribución espacial y la forma del campo magnético aplicado. El segundo componente son las nanopartículas ferromagnéticas (análogas a la fotorresina ) que se depositan sobre el sustrato según el campo inducido por la máscara magnética.

Una sonda de nanofuente es un dispositivo microfluídico similar en concepto a una pluma estilográfica que deposita una estrecha traza de sustancia química desde un depósito sobre el sustrato según el patrón de movimiento programado. ^{[ 12 ]}

La litografía de nanoesferas utiliza monocapas autoensambladas de esferas (generalmente de poliestireno ) como máscaras de evaporación. Este método se ha utilizado para fabricar matrices de nanopuntos de oro con espaciamientos controlados con precisión. ^{[ 13 ]}

La litografía de partículas neutras (NPL) utiliza un haz ancho de partículas neutras energéticas para la transferencia de patrones en una superficie. ^{[ 14 ]}

La litografía plasmónica utiliza excitaciones de plasmones de superficie para generar patrones que superan el límite de difracción, aprovechando las propiedades de confinamiento de campo sublongitud de onda de los polaritones de plasmones de superficie . ^{[ 15 ]}

La litografía con plantilla es un método paralelo y sin fotorresina para fabricar patrones a escala nanométrica utilizando aberturas de tamaño nanométrico como máscaras de sombra .