Projeto de Pesquisa em Nanolitografia

Durante o período de 2000/2001 o aluno de iniciação científica Eduardo Antonio Augusto da Costa trabalhou no projeto de desenvolvimento de um processo de miniaturização de padrões por microscopia de força atômica (AFM). Esta técnica, denominada de nanolitografia, consiste na manipulação de uma superfície com altíssima resolução, isto é, manipulação a nível atômico de uma superfície através de forças repulsivas e atrativas existentes entre átomos da ponteira do AFM e da superfície do material utilizado na litografia. Devido ao controle preciso destas forças entre os átomos, o microscópio pode ser utilizado para manipulação de átomos e moléculas em uma superfície permitindo assim que um determinado padrão possa ser "escrito" nesta superfície.

Tendo em vista o grande interesse industrial na miniaturização de circuitos eletro-mecânicos, foi desenvolvido, neste projeto, um processo de baixo custo, automatizado e principalmente de grande precisão, se comparado aos processos convencionais de litografia óptica, que serve para a fabricação de estruturas eletro-mecânicas de dimensões nanométricas. Neste processo, a aplicação de uma máscara e a exposição à luz ultra violeta do fotoresiste, etapas presentes na litografia óptica convencional (limitada por difração), são substituídas pela manipulação direta de átomos e moléculas da superfície do material pela ponta do AFM.

O referido projeto constou das seguintes etapas:

Caracterização triblógica e escolha do material utilizado.

A caracterização tribológica e a escolha dos materiais candidatos a serem utilizados como máscara do processo de litografia foi feito com o uso do próprio AFM. Nesta etapa, as propriedades tribológicas dos materiais candidatos a serem utilizados como máscara no processo de litografia foram medidas em função dos parâmetros de controle do microscópio de força atômica tais como: velocidade de varredura da ponta na superfície, força aplicada pela ponta, geometria da ponta e etc. Esta caracterização foi feita com o intuito de se escolher o melhor material para ser usado no processo litografia por microscopia de força atômica. Um exemplo de teste das propriedades tribológicas é apresentado abaixo.

Figura1.

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Nesta figura, apresentamos um teste típico do estudo da influência da força normal aplicada entre os átomos da ponta do AFM e de um filme fino de alumínio, usado como camada de sacrifício, que recobre um filme fino de sulfeto de arsênio As₂S₃. Da esquerda para a direita os três traços marcados com os triângulos preto, verde, e vermelho foram executados com forças normais diferentes. Note que tanto a profundidade do buraco desenhado quanto a sua largura são dependentes da força aplicada.

Processamento do padrão.

Desenvolvimento de um programa de computador, usando a linguagem C, para a automação do processo de transferência de padrão para escala micrométrica por AFM. Nesta etapa do projeto um programa em C foi desenvolvido com o intuito de se desenhar automaticamente um determinado padrão, como mostra a figura 2, para a superfície do material escolhido. Este programa gerência todos os parâmetros necessários para a transferencia do padrão para a superfície. Ele controla, a intensidade da força de interação entre ponteira do AFM e a superfície, controla a velocidade com a qual o padrão é transferido para a superfície assim como ele contem todas as informações (coordenadas) dos pontos do padrão que se deseja transferir para a superfície.



Figura 2. O processo de preparação do padrão envolve as etapas de processamento do padrão a ser transferido, preparação do arquivo de transferencia em C, e a transferencia do padrão para a superfície desejada. Abaixo a esquerda a figura de uma roda dentada, que foi litografada por AFM, como se vê abaixo a direita, usando o processo descrito acima.

Transferência do Padrão.

Nesta ultima etapa desenvolveu-se um método de transferência do padrão desenhado por AFM na superfície de alumínio para uma superfície de silício. O padrão desenhado no alumínio foi transferido, i. e. replicado, para uma segunda superfície. No nosso caso, utilizamos um processo de ataque químico seletivo, necessário para a transferência do padrão. Este processo envolve a sensibilização do As₂S₃exposta pelo AFM a luz, o ataque químico desta superfície, a metalização da região atacada quimicamente, a remoção do restante do filme de As₂S₃ e a inspeção da estrutura usando o AFM. Abaixo apresentamos uma imagem de AFM de um padrão simples litografado por AFM e transferido para a superfície do Si pelo processo acima.

Figura3.

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A esquerda apresentamos o perfil de uma estrutura desenhada por AFM e a imagem de AFM do respectivo padrão. Este padrão feito de ouro foi primeiramente litografado na superfície de alumínio e depois transferido para o substrato de Si pelo método apresentado acima.

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