Sviluppo della tecnologia di litografia a nanosfera controllata

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3350 (2023) Citare questo articolo

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Questo lavoro è dedicato allo sviluppo della tecnologia della litografia delle nanosfere (NSL), che rappresenta un metodo efficiente ed economico per formare nanostrutture per la nanoelettronica, nonché applicazioni optoelettroniche, plasmoniche e fotovoltaiche. La creazione di una maschera di nanosfera mediante spin-coating è un metodo promettente, ma non sufficientemente studiato, che richiede un'ampia base sperimentale per diverse dimensioni di nanosfere. Quindi, in questo lavoro, abbiamo studiato l'influenza dei parametri tecnologici della NSL mediante rivestimento mediante spin sull'area di copertura del substrato con un monostrato di nanosfere con un diametro di 300 nm. Si è riscontrato che l'area di copertura aumenta con la diminuzione della velocità e del tempo di rotazione, del contenuto di isopropile e glicole propilenico e con l'aumento del contenuto di nanosfere in soluzione. Inoltre, è stato studiato in dettaglio il processo di riduzione controllabile delle dimensioni delle nanosfere nel plasma di ossigeno accoppiato induttivamente. È stato determinato che l'aumento della portata di ossigeno da 9 a 15 sccm non modifica la velocità di attacco del polistirene, mentre la variazione della potenza ad alta frequenza da 250 a 500 W aumenta la velocità di attacco e ci consente di controllare la diminuzione del diametro con elevata precisione. Sulla base dei dati sperimentali, sono stati selezionati i parametri tecnologici ottimali dell'NSL ed è stata creata la maschera della nanosfera su substrato di Si con un'area di copertura del 97,8% e una riproducibilità del processo del 98,6%. Successivamente riducendo il diametro della nanosfera si ottengono nanoaghi di varie dimensioni, utilizzabili nei catodi ad emissione di campo. In questo lavoro, la riduzione delle dimensioni delle nanosfere, l'attacco del silicio e la rimozione dei residui di polistirene sono avvenuti in un processo continuo unificato di attacco al plasma senza scarico del campione nell'atmosfera.

La creazione di array ordinati di nanostrutture di silicio è di grande interesse per i ricercatori a causa delle loro proprietà uniche e delle potenziali applicazioni in vari componenti di dispositivi elettronici1,2, plasmonici3,4, fotonici5, fotovoltaici6,7, nonché nella spettroscopia Raman potenziata dalla superficie ( SERS)8. Ad esempio, gli autori di9 hanno creato un prototipo di transistor a effetto di campo a nanofili integrati verticalmente (SiNW-FET) basati su strutture di silicio orientate verticalmente. Inoltre, i SiNW-FET sono promettenti per i biosensori grazie alla loro ultrasensibilità, selettività e capacità di rilevamento senza etichetta e in tempo reale10. È noto anche che le celle solari realizzate sulla base di nanostrutture di silicio orientate verticalmente sono promettenti nel settore dell'energia solare. Ciò è dovuto a vantaggi quali una maggiore efficienza nell'intrappolamento della luce dovuta alla sua diffusione multipla all'interno della struttura, con massa e spessore della cella molto inferiori rispetto alle celle planari11. Un'altra applicazione promettente delle nanostrutture di silicio orientate verticalmente, vale a dire i nanoaghi, è il loro utilizzo come catodi a emissione di campo (freddi) nei dispositivi elettrovuoto. A differenza dei catodi termoionici, in questo caso gli elettroni non necessitano di essere preeccitati per la loro emissione sotto l'azione del campo elettrico12,13.

Tuttavia, uno dei principali problemi dello sviluppo tecnologico in questa direzione è la mancanza di metodi semplici per formare un motivo sulla superficie del substrato per ottenere la topologia richiesta. In genere, le tecniche litografiche tradizionali come la litografia ultravioletta estrema (EUV) e la litografia a fascio di elettroni (EBL) combinate con un processo di incisione al plasma secco vengono utilizzate per creare nanostrutture con dimensioni e forma controllabili. Ad esempio, in14 gli autori dimostrano il loro sensore dell'indice di rifrazione basato su una serie di nanodischi di silicio risonanti con diametro di 330 nm, che sono stati fabbricati utilizzando EBL e attacco con ioni reattivi. In un altro articolo15, gli autori presentano un processo per fabbricare una serie di nanofili metallici di diametro inferiore a 100 nm utilizzando EUV e attacco al plasma in ossigeno. Nonostante il fatto che l'uso della radiazione a lunghezza d'onda corta e di un metodo alternativo di esposizione abbia permesso di ridurre le dimensioni delle strutture ottenute, questi metodi sono caratterizzati da notevoli spese finanziarie e di tempo, nonché da complessità tecnica nella loro realizzazione16. A questo proposito, la ricerca e lo studio di approcci più semplici, economici e più produttivi alla formazione di nanostrutture con determinati parametri è diventata di primaria importanza e significato pratico.