Imagine reducir una maquinaria compleja al tamaño de un virus. Las técnicas de nanofabricación, como la litografía óptica y la microscopía de efecto túnel, lo están haciendo realidad. Estos métodos manipulan materiales a nivel atómico y prometen avances revolucionarios en tecnología y medicina. En este artículo descubrirá cuatro técnicas de nanofabricación de vanguardia que están ampliando los límites de lo posible. Descubra cómo estas innovaciones podrían transformar las industrias y acercarnos a un futuro en el que los dispositivos en miniatura realicen tareas extraordinarias.
Al igual que la tecnología de fabricación desempeña hoy un papel crucial en diversos campos, la tecnología de nanofabricación ocupa una posición clave en el ámbito de la nanotecnología. La tecnología de nanofabricación engloba numerosos métodos, como el procesamiento mecánico, el grabado químico, el mecanizado por haces de energía y la ingeniería de campos eléctricos en superficies de aluminio mediante microscopía de barrido en túnel (STM).
Aún no existe una definición unificada de tecnología de nanofabricación; en general, se denomina nanofabricación al procesamiento de materiales con dimensiones inferiores a 100 nm, así como al procesamiento con rugosidad superficial a nivel nanométrico. La nanofabricación se refiere al procesamiento de piezas en el que la precisión del tamaño, la precisión de la forma y la rugosidad de la superficie se sitúan en el nivel nanométrico.
Las siguientes tecnologías de mecanizado pueden lograr un procesamiento a nanoescala:
Los métodos de procesamiento mecánico a nanoescala incluyen el corte de ultraprecisión con herramientas monopunto fabricadas con diamante monocristalino y CBN, el procesamiento abrasivo multipunto de ultraprecisión con herramientas de rectificado fabricadas con abrasivos de diamante y CBN, y el procesamiento abrasivo libre o el procesamiento compuesto mecánico-químico, como el rectificado, el pulido y el mecanizado por emisión elástica.
En la actualidad, el corte de ultraprecisión con herramientas de diamante de una sola punta ha producido virutas de hasta 3 nm de grosor en los laboratorios, y se ha logrado el rectificado a nanoescala utilizando tecnología de rectificado dúctil. La eliminación a subnanoescala puede lograrse mediante procesos como el mecanizado por emisión elástica, que da lugar a una rugosidad superficial a nivel de Angstrom.
El mecanizado por haces de energía es un método de mecanizado especial que utiliza haces de energía de alta densidad, como haces láser, haces de electrones o haces de iones, para eliminar los materiales de la pieza. Incluye principalmente el mecanizado por haz de iones, el mecanizado por haz de electrones y el mecanizado por haz de luz.
El mecanizado por chorro electrolítico, el mecanizado por descarga eléctrica, el mecanizado electroquímico, la epitaxia de haces moleculares y la deposición física y química de vapor también entran dentro del tratamiento por haces de energía. La eliminación por pulverización catódica, la precipitación y el tratamiento de superficies con haces de iones, así como el grabado asistido por haces de iones, son también líneas de investigación y desarrollo para el mecanizado a nanoescala.
En comparación con el corte con herramienta sólida, la posición y la velocidad de mecanizado del mecanizado por haz de iones son difíciles de determinar. Para lograr una precisión de mecanizado a nanoescala, se necesita un sistema de detección a subnanoescala y un sistema de ajuste de bucle cerrado para la posición de mecanizado.
El mecanizado por haz de electrones elimina átomos de la superficie de la capa de penetración en forma de energía térmica, que puede utilizarse para el grabado, la exposición fotolitográfica, la soldadura, el micromecanizado y el taladrado y fresado a nanoescala.
A principios de 1999 se lanzaron sucesivamente máquinas de litografía ultravioleta profunda (DUV) para procesos de 0,18μm. Las denominadas tecnologías de litografía de próxima generación (NGL) utilizadas para sustituir a la litografía óptica después de 0,1μm incluyen principalmente la litografía ultravioleta extrema, de rayos X, de haz de electrones y de haz de iones. A continuación se ofrece una breve introducción a los avances de las distintas tecnologías litográficas.
La litografía óptica proyecta los diagramas estructurales de dispositivos de circuitos integrados a gran escala en la máscara sobre una oblea de silicio recubierta de fotorresistencia a través de un sistema óptico. El tamaño mínimo de las características que puede conseguir la litografía óptica está directamente relacionado con la resolución que puede alcanzar el sistema de litografía óptica, y reducir la longitud de onda de la fuente de luz es la forma más eficaz de mejorar la resolución.
Por ello, el desarrollo de nuevas máquinas litográficas con fuentes de luz de longitud de onda corta siempre ha sido un tema de investigación candente a nivel internacional.
En la actualidad, la longitud de onda de la fuente de luz de las máquinas litográficas comerciales ha pasado de la banda ultravioleta de las fuentes de luz de lámparas de mercurio en el pasado a la banda ultravioleta profunda (DUV), como el láser excimer KrF (longitud de onda 248 nm) utilizado para la tecnología de 0,25μm y el láser excimer ArF (longitud de onda 193 nm) utilizado para la tecnología de 0,18μm.
Además, utilizar las características de interferencia de la luz y optimizar los parámetros del proceso con diversas tecnologías de frente de onda es también una forma importante de mejorar la resolución litográfica. Estas tecnologías son avances logrados gracias a un profundo análisis de las imágenes de exposición basado en la teoría electromagnética y la práctica litográfica, incluidas las máscaras de cambio de fase, la tecnología de iluminación fuera del eje y la corrección del efecto de proximidad.
Con estas tecnologías se pueden conseguir patrones litográficos de mayor resolución al nivel tecnológico actual. Por ejemplo, a principios de 1999, Canon lanzó el escáner paso a paso FPA-1000ASI, que utiliza una fuente de luz ArF de 193 nm.
Con la tecnología de frente de onda, puede lograr un ancho de línea litográfico de 0,13μm en una oblea de silicio de 300 mm. La tecnología de litografía óptica incluye máquinas litográficas, máscaras, fotorresistencias y una serie de tecnologías en las que intervienen la óptica, la mecánica, la electricidad, la física, la química, los materiales y otros campos de investigación.
Actualmente, los científicos están explorando la litografía con láser F2 (longitud de onda 157 nm) con una longitud de onda más corta. Debido al alto nivel de absorción de la luz, la obtención de nuevos materiales ópticos y de sustrato de máscara para los sistemas litográficos es la principal dificultad de esta tecnología de longitud de onda.
La litografía ultravioleta extrema (EUVL) emplea luz ultravioleta extrema con una longitud de onda de 10-14 nm como fuente de luz. Aunque inicialmente se denominó litografía de rayos X blandos, es más parecida a la litografía óptica. La diferencia es que, debido a la fuerte absorción en el material, su sistema óptico debe ser reflectante.
La litografía por rayos X (XRL) se caracteriza por una longitud de onda de la fuente de luz de aproximadamente 1 nm. Dado que proporciona una exposición de alta resolución, la XRL ha sido ampliamente reconocida desde su invención en la década de 1970. Los países que disponen de dispositivos de radiación sincrotrón, como los de Europa, Estados Unidos, Japón y China, han realizado sucesivamente investigaciones relacionadas.
La XRL es la más madura de todas las tecnologías litográficas de nueva generación. La principal dificultad de la XRL reside en obtener un sustrato de máscara con buenas propiedades mecánicas y físicas. En los últimos años se han realizado importantes avances en la tecnología de máscaras. El carburo de silicio (SiC) es el material de sustrato más adecuado.
Aunque el XRL ya no es el único candidato para futuras tecnologías debido a la investigación en profundidad sobre temas relacionados con el XRL, el desarrollo de la litografía óptica y los nuevos avances en otras tecnologías litográficas, Estados Unidos ha reducido recientemente su inversión en XRL. No obstante, el XRL sigue siendo una de las tecnologías candidatas indispensables.
La litografía por haz de electrones (EBL) utiliza un haz de electrones de alta energía para exponer la fotorresistencia y obtener gráficos estructurales. Con su longitud de onda de Broglie en torno a 0,004 nm, la EBL no se ve afectada por los límites de difracción, con lo que consigue una resolución a escala casi atómica. La EBL puede alcanzar una resolución extremadamente alta y generar gráficos directamente.
No sólo es una herramienta indispensable para la preparación de máscaras en la producción de circuitos integrados a muy gran escala (VLSI), sino también el método principal para procesar dispositivos y estructuras con fines especiales. La resolución de las actuales máquinas de exposición por haz de electrones es inferior a 0,1µm. La principal desventaja de la EBL es su baja productividad, de sólo 5-10 obleas por hora, muy inferior al nivel actual de litografía óptica de 50-100 obleas por hora.
Cabe destacar la tecnología SCALPEL desarrollada por Lucent Technologies en Estados Unidos. Esta tecnología encoge los gráficos de las máscaras como la litografía óptica y utiliza técnicas especiales de filtrado para eliminar los electrones dispersos generados por los absorbentes de las máscaras, con lo que se mejora la eficacia de la producción al tiempo que se garantiza la resolución.
Cabe señalar que, independientemente de la tecnología litográfica que se utilice en el futuro, la EBL será una infraestructura indispensable para la investigación y producción de circuitos integrados.
La litografía por haz de iones (IBL) utiliza iones formados por la ionización de átomos líquidos o sólidos, acelerados y enfocados o colimados por un campo electromagnético, para exponer el fotorresistente. El principio es similar al de la EBL, pero la longitud de onda de Broglie es más corta (menos de 0,0001 nm), y presenta ventajas como un pequeño efecto de proximidad y un gran campo de exposición. La IBL incluye principalmente la litografía por haz de iones focalizados (FIBL) y la litografía por proyección de iones (IPL).
La FIBL fue la primera en desarrollarse, y recientes investigaciones experimentales han logrado una resolución de 10 nm. Debido a su baja eficiencia, es difícil aplicarla como herramienta de exposición en la producción y actualmente se utiliza principalmente como herramienta de reparación de máscaras y recorte de dispositivos especiales en VLSI. Para subsanar las deficiencias de la FIBL, se ha desarrollado la tecnología IPL con una mayor eficacia de exposición, y se han logrado avances considerables.
El proceso Lithography Galvanoformung Abformung (LIGA) es una tecnología integral compuesta por litografía de rayos X de radiación sincrotrón profunda, electroformado y moldeo de plásticos. El proceso más básico y fundamental es la litografía profunda por radiación sincrotrón, mientras que el electroconformado y el moldeo de plásticos son fundamentales para la aplicación práctica de los productos LIGA.
En comparación con los procesos semiconductores tradicionales, la tecnología LIGA tiene muchas ventajas únicas, como una amplia gama de materiales que pueden utilizarse, incluidos metales y sus aleaciones, cerámica, polímeros y vidrio; puede producir microestructuras tridimensionales con una altura de varios cientos de micrómetros a un milímetro y relaciones de aspecto superiores a 200; las dimensiones laterales pueden ser tan pequeñas como 0,5μm, y la precisión de mecanizado puede alcanzar 0,1μm; puede realizar la replicación y producción en masa a bajo coste.
Con la tecnología LIGA pueden fabricarse diversos microdispositivos y micromecanismos. Entre los productos LIGA de éxito o en curso figuran microsensores, micromotores, piezas micromecánicas, componentes ópticos y microópticos integrados, componentes de microondas, componentes electrónicos de vacío, instrumentos médicos en miniatura, componentes y sistemas nanotecnológicos, etc.
La aplicación de los productos LIGA abarca un amplio abanico, como la tecnología de mecanizado, la tecnología de medición, la tecnología de automatización, la tecnología de automoción y transporte, la tecnología de energía y potencia, la tecnología de aviación y aeroespacial, la tecnología textil, la ingeniería de precisión y óptica, la microelectrónica, la biomedicina, la ciencia medioambiental y la ingeniería química, etc.
El microscopio de efecto túnel (STM), inventado por Binning y Bobrer, no sólo permite observar la estructura superficial de los objetos con la resolución de un solo átomo, sino que también ofrece una vía ideal para el mecanizado a nanoescala sobre la base de unidades atómicas. Con la tecnología STM se pueden realizar operaciones, ensamblajes y remodelaciones a nivel atómico.
El STM acerca una aguja metálica muy afilada (sonda) a la superficie de la muestra hasta aproximadamente 1 nm. Cuando se aplica tensión, se genera una corriente de efecto túnel. La corriente de tunelización cambia un orden de magnitud cada 0,1nm. Manteniendo la corriente constante y escaneando la superficie de la muestra, se puede discernir la estructura de la superficie.
La corriente de tunelización suele atravesar un único átomo en la punta de la sonda, por lo que su resolución lateral es de nivel atómico. La tecnología de micromecanizado por efecto túnel no sólo puede eliminar, añadir y mover átomos individuales, sino que también puede realizar litografía STM, precipitación y grabado inducidos por haces de electrones en la punta de la sonda, etc.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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