Micrographie électronique à balayage (SEM) montrant une vue de dessus avec un MEB (en médaillon) montrant une vue en coupe transversale de structures en niveaux de gris fabriquées à l'aide d'une combinaison de lithographie par faisceau électronique, photolithographie, et résister au revêtement par pulvérisation. Le schéma superposé illustre l'écriture directe par faisceau électronique d'escaliers verticaux à l'échelle nanométrique (encart SEM) sur un substrat avec une topographie en niveaux de gris microscopique. Les motifs initiaux en niveaux de gris ont été générés sur un graveur laser. Après gravure par faisceau d'ions réactifs, les motifs ont été écrits simultanément en 2 µm, 0,5 µm, et des caractéristiques de 30 µm de profondeur.
Les ingénieurs du NIST Center for Nanoscale Science and Technology (CNST) ont développé une nouvelle technique pour fabriquer des nanostructures tridimensionnelles (3D) à rapport d'aspect élevé sur de grandes zones de dispositif en utilisant une combinaison de lithographie par faisceau d'électrons (e-beam), photolithographie, et résister au revêtement par pulvérisation. Bien qu'il soit depuis longtemps possible de créer des structures 3D compliquées avec de nombreuses couches de masques ou des masques en niveaux de gris coûteux, la nouvelle technique permet aux chercheurs de graver des tranchées et d'autres structures à rapport d'aspect élevé avec des caractéristiques à l'échelle nanométrique sans utiliser de masques et en seulement deux étapes de processus.
La fabrication de structures semi-conductrices et diélectriques 3D qui sont modelées en exposant une réserve avec des gradients de niveaux de gris d'intensité variable a été essentielle pour une large gamme d'applications telles que les lentilles numériques, systèmes micro-électromécaniques, et les dispositifs médicaux fluidiques.
Contrairement aux appareils qui reposent sur des masques conventionnels, qui ont des zones qui transmettent ou bloquent simplement la lumière pour former un motif, la fabrication de ces dispositifs s'est généralement appuyée sur des masques en niveaux de gris 3D qui ont différents niveaux de transparence et dépendent de l'utilisation de matériaux exclusifs. Parce que la chimie est exclusive et parce que les masques sont préparés à l'aide de procédés compliqués mieux adaptés aux petites surfaces, ils sont souvent prohibitifs. La prochaine génération de ces appareils nécessite des coûts inférieurs, de plus grandes surfaces, et des tailles de fonctionnalités toujours plus petites.
La nouvelle approche des chercheurs tire parti de la capacité à haut débit de la photolithographie pour générer des structures en niveaux de gris de grande surface avec une grande flexibilité de traitement et la capacité de la lithographie par faisceau électronique à ajouter des caractéristiques en niveaux de gris inférieures à 200 nm. La première phase de cette approche mix-and-match consiste à modeler une couche de résine photosensible en l'exposant avec un faisceau laser focalisé. En modulant localement l'intensité de la lumière pour former un dégradé en niveaux de gris, différents niveaux de photoréaction dans la résine photosensible sont générés. Une fois l'échantillon immergé dans la solution de développement, le matériau est dissous dans des zones correspondant au degré de photoréaction induite, laisser la couche de résine photosensible avec des épaisseurs variables correspondant au motif d'exposition initial. L'échantillon est exposé à une gravure ionique réactive profonde (DRIE) qui enlève le matériau du substrat à des profondeurs variables qui dépendent de l'épaisseur de la résine photosensible, transférer le motif photorésistant 3D verticalement dans le substrat pour former des microstructures en niveaux de gris profonds. La deuxième phase applique des étapes de traitement similaires mais avec des tailles de caractéristiques dix fois plus petites. D'abord, un revêtement par pulvérisation résistant à un faisceau électronique à haute pression est appliqué pour obtenir une couverture conforme de la topographie à rapport d'aspect élevé produite dans la première phase. Puis, en manipulant un faisceau électronique à haute énergie avec une résolution à l'échelle nanométrique, les hauteurs de pas en niveaux de gris à motifs sont directement écrites dans le résist e-beam à différents endroits. Finalement, la réserve est développée et l'échantillon est exposé à DRIE comme il l'était dans la première étape.
Le processus en deux étapes donne des tailles de caractéristiques verticales de 45 ± 6 nm dans une structure de substrat qui varie de 2 ?m à 30 ?m de profondeur et avec des tailles de caractéristiques horizontales de 100 nm à 200 nm et une taille de motif globale potentiellement aussi grande que une tranche entière. Liya Yu, ingénieure de procédés CNST NanoFab, prévoit que la capacité de fabriquer des nanostructures en niveaux de gris à rapport d'aspect élevé élargira les applications pratiques de la lithographie en niveaux de gris et élargira considérablement la gamme de structures de dispositifs disponibles pour les concepteurs de dispositifs.
