Litografía de sonda de escaneo térmico

La litografía de sonda de escaneo térmico ( t-SPL ) es una forma de litografía de sonda de escaneo ^{[ 1 ]} (SPL) en la que el material se estructura a nanoescala utilizando sondas de escaneo , principalmente a través de la aplicación de energía térmica .

Los campos relacionados son la SPL termomecánica (véase también la memoria Millipede ), la SPL termoquímica ^{[ 2 ] [ 3 ]} (o nanolitografía termoquímica ) donde el objetivo es influir en la química local, y la litografía de pluma de inmersión térmica ^{[ 4 ]} como técnica aditiva.

Los científicos Daniel Rugar y John Mamin, de los laboratorios de investigación de IBM en Almaden, fueron pioneros en el uso de sondas de AFM (microscopio de fuerza atómica) calentadas para la modificación de superficies. En 1992, utilizaron pulsos láser de microsegundos para calentar las puntas de AFM y escribir hendiduras de tan solo 150  nm en el polímero PMMA a velocidades de 100  kHz. ^{[ 5 ]} En los años siguientes, desarrollaron voladizos con frecuencias de resonancia superiores a 4  MHz e integraron calentadores resistivos y sensores piezorresistivos para la escritura y lectura de datos. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Este concepto de almacenamiento de datos termomecánico constituyó la base del proyecto Millipede , iniciado por Peter Vettiger y Gerd Binnig en los laboratorios de investigación de IBM en Zúrich en 1995. Fue un ejemplo de un dispositivo de almacenamiento de memoria con una gran matriz de sondas paralelas, que, sin embargo, nunca se comercializó debido a la creciente competencia de la memoria no volátil, como la memoria flash . El medio de almacenamiento de la memoria Millipede consistía en polímeros con funcionalidad de memoria de forma, como por ejemplo el poliestireno reticulado , ^{[ 8 ]} para permitir escribir indentaciones de datos mediante deformación plástica y borrar los datos nuevamente mediante calentamiento. Sin embargo, la evaporación en lugar de la deformación plástica era necesaria para las aplicaciones de nanolitografía para poder crear cualquier patrón en la resina . Dicha evaporación local de la resina inducida por una punta calentada se podía lograr para varios materiales como el tetranitrato de pentaeritritol , ^{[ 9 ]} los policarbonatos reticulados , ^{[ 10 ]} y los polímeros de Diels-Alder . ^{[ 11 ]} En 2010 se realizó un progreso significativo en la elección del material de la resina en IBM Research en Zúrich, lo que condujo a la creación de patrones de relieve 3D de alta resolución y precisión ^{[ 12 ]} con el uso del polímero de despolimerización autoamplificada poliftalaldehído (PPA) ^{[ 12 ] [ 13 ]} y vidrios moleculares ^{[14 ]} como fotorresina, donde el polímero se descompone enmonómerosal calentarse con la punta sin la aplicación de fuerza mecánica y sin acumulación ni residuos de la fotorresina.

Los voladizos térmicos se fabrican a partir de obleas de silicio utilizando procesos de micromecanizado de volumen y superficie  . Las sondas tienen un radio de curvatura inferior a 5 nm, lo que permite una resolución inferior a 10  nm en la resina. ^{[ 15 ]} El calentamiento resistivo se lleva a cabo mediante microcalentadores integrados en las patas del voladizo que se crean mediante diferentes niveles de dopaje . La constante de tiempo de los calentadores se encuentra entre 5 μs y 100 μs. ^{[ 16 ] [ 17 ]} La electromigración limita la temperatura sostenible a largo plazo del calentador a 700–800  °C. ^{[ 17 ]} Los calentadores integrados permiten la metrología in situ de los patrones escritos, lo que permite el control de retroalimentación, ^{[ 18 ]} la unión de campos sin el uso de marcadores de alineación ^{[ 19 ]} y el uso de estructuras pre-patronadas como referencia para la superposición inferior a 5 nm . ^{[ 20 ]} Se ha demostrado la transferencia de patrones para la fabricación de dispositivos semiconductores, incluyendo el grabado iónico reactivo y el levantamiento de metal, con una resolución inferior a 20 nm. ^{[ 21 ]}  

Debido a la naturaleza ablativa del proceso de modelado, no se necesita ningún paso de revelado (como en: eliminación selectiva de las regiones expuestas o no expuestas de la resina como en la litografía por haz de electrones y óptica ), ni correcciones de proximidad óptica . Se han demostrado velocidades de escritura lineal máximas de hasta 20 mm/s ^[ 22 ^{] con rendimientos} en el rango de ^10⁴ – ^10⁵ μm² ^{h⁻¹ [ 1 ]} que es comparable al haz de electrones de una sola columna con forma gaussiana usando HSQ como resina. ^{[ 23 ]} La resolución de t-SPL está determinada por la forma de la punta de la sonda y no está limitada por el límite de difracción o por el tamaño del punto focal de los acercamientos del haz, sin embargo, las interacciones punta-muestra durante el proceso de metrología in situ crean desgaste de la punta , ^{[ 24 ]} lo que limita la vida útil de las sondas. Para prolongar la vida útil de las puntas de las sondas, se han demostrado puntas recubiertas de diamante ultrananocristalino (UNCD) ^{[ 25 ]} y de carburo de silicio (SiC) ^{[ 24 ] , así como métodos de imagen de contacto flotante sin desgaste [ 26 ] . Debido a la ausencia de haces de electrones o iones, no se produce daño ni carga electrónica en las superficies modeladas [ 21 ]} . 

• Nanolitografía
• Litografía de sonda de barrido
• nanolitografía termoquímica
• nanolitografía con pluma de inmersión
• Microscopía de fuerza atómica
• Microscopía de sonda de barrido
• Litografía por haz de electrones