Tout comme la technologie de fabrication joue un rôle crucial dans divers domaines aujourd'hui, la technologie de nanofabrication occupe une position clé dans les domaines de la nanotechnologie. La technologie de nanofabrication englobe de nombreuses méthodes, notamment le traitement mécanique, la gravure chimique, l'usinage par faisceau d'énergie et l'ingénierie des champs électriques sur les surfaces d'aluminium à l'aide de la microscopie à effet tunnel (STM). Il n'existe pas de définition unifiée de la nanofabrication [...]
Tout comme la technologie de fabrication joue un rôle crucial dans divers domaines aujourd'hui, la technologie de nanofabrication occupe une position clé dans les domaines de la nanotechnologie. La technologie de nanofabrication englobe de nombreuses méthodes, notamment le traitement mécanique, la gravure chimique, l'usinage par faisceau d'énergie et l'ingénierie des champs électriques sur les surfaces d'aluminium à l'aide de la microscopie à effet tunnel (STM).
Il n'existe pas encore de définition unifiée de la technologie de nanofabrication ; en général, le traitement des matériaux dont les dimensions sont inférieures à 100 nm est appelé nanofabrication, de même que le traitement avec une rugosité de surface de l'ordre du nanomètre. La nanofabrication fait référence au traitement de pièces dont la précision de la taille, la précision de la forme et la rugosité de la surface sont toutes de l'ordre du nanomètre.
Les technologies d'usinage suivantes permettent de réaliser des traitements à l'échelle nanométrique :
Les méthodes de traitement mécanique à l'échelle nanométrique comprennent la coupe ultra-précise avec des outils à pointe unique en diamant monocristallin et en CBN, le traitement abrasif multipoint ultra-précis avec des outils de meulage en diamant et en CBN, et le traitement abrasif libre ou le traitement composite mécanique-chimique tel que le meulage, le polissage et l'usinage par émission d'élasticité.
Actuellement, la coupe ultra-précise avec des outils diamantés à pointe unique a permis de produire des copeaux d'une épaisseur de 3 nm en laboratoire, et le broyage à l'échelle nanométrique a été réalisé à l'aide de la technologie de broyage ductile. Des procédés tels que l'usinage par émission élastique permettent d'obtenir une rugosité de surface de l'ordre de l'angström.
Le traitement par faisceau d'énergie est une méthode d'usinage spéciale qui utilise des faisceaux d'énergie à haute densité, tels que des faisceaux laser, des faisceaux d'électrons ou des faisceaux d'ions, pour enlever les matériaux de la pièce. Il comprend principalement le traitement par faisceau d'ions, le traitement par faisceau d'électrons et le traitement par faisceau de lumière.
L'usinage par jet électrolytique, l'usinage par décharge électrique, l'usinage électrochimique, l'épitaxie par faisceau moléculaire et le dépôt physique et chimique en phase vapeur relèvent également du traitement par faisceau d'énergie. L'élimination par pulvérisation cathodique, la précipitation et le traitement de surface par faisceau d'ions, ainsi que la gravure assistée par faisceau d'ions, sont également des axes de recherche et de développement pour l'usinage à l'échelle nanométrique.
Par rapport à l'usinage à l'aide d'outils solides, la position et la vitesse d'usinage du faisceau d'ions sont difficiles à déterminer. Pour obtenir une précision d'usinage à l'échelle nanométrique, il faut un système de détection à l'échelle sub-nanométrique et un système d'ajustement en boucle fermée pour la position d'usinage.
L'usinage par faisceau d'électrons élimine les atomes de la surface de la couche de pénétration sous forme d'énergie thermique, qui peut être utilisée pour la gravure, l'exposition à la photolithographie, le soudage, le micro-usinage, le perçage et le fraisage à l'échelle nanométrique.
Au début de 1999, des machines de lithographie dans l'ultraviolet profond (DUV) pour les processus de 0,18μm ont été lancées successivement. Les technologies dites de lithographie de prochaine génération (NGL) utilisées pour remplacer la lithographie optique après 0,1μm comprennent principalement la lithographie dans l'ultraviolet extrême, les rayons X, le faisceau d'électrons et le faisceau d'ions. Une brève introduction aux progrès des différentes technologies de lithographie est présentée ci-dessous.
La lithographie optique projette les schémas structurels des circuits intégrés à grande échelle sur le masque d'une plaquette de silicium recouverte d'une résine photosensible par l'intermédiaire d'un système optique. La taille minimale des caractéristiques que la lithographie optique peut atteindre est directement liée à la résolution que le système de lithographie optique peut atteindre, et la réduction de la longueur d'onde de la source lumineuse est le moyen le plus efficace d'améliorer la résolution.
C'est pourquoi le développement de nouvelles machines de lithographie à source lumineuse de courte longueur d'onde a toujours été un sujet de recherche brûlant au niveau international.
Actuellement, la longueur d'onde de la source lumineuse des machines de lithographie commerciales est passée de la bande ultraviolette des sources lumineuses à lampe à mercure du passé à la bande de l'ultraviolet profond (DUV), comme le laser excimer KrF (longueur d'onde 248nm) utilisé pour la technologie 0,25μm et le laser excimer ArF (longueur d'onde 193nm) utilisé pour la technologie 0,18μm.
En outre, l'utilisation des caractéristiques d'interférence de la lumière et l'optimisation des paramètres du processus avec diverses technologies de front d'onde constituent également un moyen important d'améliorer la résolution de la lithographie. Ces technologies sont le fruit d'une analyse approfondie de l'imagerie d'exposition basée sur la théorie électromagnétique et la pratique de la lithographie, y compris les masques à déphasage, la technologie d'éclairage hors axe et la correction de l'effet de proximité.
Grâce à ces technologies, il est possible d'obtenir des motifs lithographiques de plus haute résolution au niveau technologique actuel. Par exemple, au début de 1999, Canon a lancé le stepper à balayage FPA-1000ASI, qui utilise une source de lumière ArF de 193 nm.
Grâce à la technologie du front d'onde, elle peut atteindre une largeur de ligne lithographique de 0,13μm sur une plaquette de silicium de 300 mm. La technologie de la lithographie optique comprend les machines de lithographie, les masques, les résines photosensibles et une série de technologies impliquant l'optique, la mécanique, l'électricité, la physique, la chimie, les matériaux et d'autres domaines de recherche.
Actuellement, les scientifiques explorent la lithographie par laser F2 (longueur d'onde 157 nm) avec une longueur d'onde plus courte. En raison du niveau élevé d'absorption de la lumière, l'obtention de nouveaux matériaux optiques et de substrats de masque pour les systèmes de lithographie constitue la principale difficulté de cette technologie de longueur d'onde.
La lithographie dans l'ultraviolet extrême (EUVL) utilise une lumière ultraviolette extrême d'une longueur d'onde de 10 à 14 nm comme source lumineuse. Bien qu'initialement appelée lithographie à rayons X doux, elle s'apparente davantage à la lithographie optique. La différence réside dans le fait qu'en raison de la forte absorption du matériau, son système optique doit être réfléchissant.
La lithographie par rayons X (XRL) se caractérise par une longueur d'onde de la source lumineuse d'environ 1 nm. Comme elle permet une exposition à haute résolution, la XRL a été largement reconnue depuis son invention dans les années 1970. Les pays disposant de dispositifs de rayonnement synchrotron, tels que l'Europe, les États-Unis, le Japon et la Chine, ont successivement mené des recherches dans ce domaine.
La technologie XRL est la plus mature de toutes les technologies de lithographie de la prochaine génération. La principale difficulté de la XRL réside dans l'obtention d'un substrat de masque présentant de bonnes propriétés mécaniques et physiques. Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans la technologie des masques. Le carbure de silicium (SiC) est le matériau de substrat le plus approprié.
Bien que le XRL ne soit plus le seul candidat pour les technologies futures en raison des recherches approfondies sur les questions liées au XRL, du développement de la lithographie optique et des nouvelles percées dans d'autres technologies de lithographie, les États-Unis ont récemment réduit leurs investissements dans le XRL. Néanmoins, le XRL reste l'une des technologies candidates indispensables.
La lithographie par faisceau d'électrons (EBL) utilise un faisceau d'électrons à haute énergie pour exposer la résine photosensible afin d'obtenir des graphiques structurels. Avec sa longueur d'onde de Broglie d'environ 0,004 nm, la lithographie par faisceau d'électrons n'est pas affectée par les limites de diffraction, ce qui permet d'obtenir une résolution proche de l'échelle atomique. L'EBL peut atteindre une résolution extrêmement élevée et générer directement des graphiques.
Il s'agit non seulement d'un outil de préparation des masques indispensable à la production de circuits intégrés à très grande échelle (VLSI), mais aussi de la principale méthode de traitement des dispositifs et des structures à des fins spéciales. La résolution des machines actuelles d'exposition au faisceau d'électrons est inférieure à 0,1 µm. Le principal inconvénient de l'EBL est sa faible productivité, qui n'est que de 5 à 10 plaquettes par heure, ce qui est bien inférieur au niveau actuel de la lithographie optique, qui est de 50 à 100 plaquettes par heure.
La technologie SCALPEL mise au point par Lucent Technologies aux États-Unis est remarquable. Cette technologie rétrécit les masques graphiques comme la lithographie optique et utilise des techniques de filtrage spéciales pour éliminer les électrons diffusés générés par les absorbeurs de masques, améliorant ainsi l'efficacité de la production tout en garantissant la résolution.
Il convient de noter que, quelle que soit la technologie de lithographie utilisée à l'avenir, l'EBL sera une infrastructure indispensable pour la recherche et la production de circuits intégrés.
La lithographie par faisceau d'ions (IBL) utilise des ions formés par l'ionisation d'atomes liquides ou solides, accélérés et focalisés ou collimatés par un champ électromagnétique, pour exposer la résine photosensible. Le principe est similaire à celui de l'EBL, mais la longueur d'onde de Broglie est plus courte (moins de 0,0001nm) et présente des avantages tels qu'un faible effet de proximité et un grand champ d'exposition. L'IBL comprend principalement la lithographie par faisceau d'ions focalisés (FIBL) et la lithographie par projection d'ions (IPL).
Le FIBL a été développé le plus tôt, et des recherches expérimentales récentes ont permis d'atteindre une résolution de 10 nm. En raison de sa faible efficacité, il est difficile de l'utiliser comme outil d'exposition dans la production et il est actuellement principalement utilisé comme outil de réparation de masque et de découpage de dispositifs spéciaux dans le VLSI. Pour pallier les insuffisances de la FIBL, des personnes ont développé la technologie IPL avec une efficacité d'exposition plus élevée, et des progrès considérables ont été réalisés.
Le procédé Lithography Galvanoformung Abformung (LIGA) est une technologie globale composée de la lithographie à rayons X par rayonnement synchrotron profond, de l'électroformage et du moulage de plastique. Le processus le plus fondamental est la lithographie par rayonnement synchrotron profond, tandis que l'électroformage et le moulage de plastique sont essentiels à l'application pratique des produits LIGA.
Par rapport aux procédés traditionnels de fabrication de semi-conducteurs, la technologie LIGA présente de nombreux avantages uniques, tels qu'une large gamme de matériaux pouvant être utilisés, notamment les métaux et leurs alliages, les céramiques, les polymères et le verre ; elle peut produire des microstructures tridimensionnelles d'une hauteur de plusieurs centaines de micromètres à un millimètre et des rapports d'aspect supérieurs à 200 ; les dimensions latérales peuvent être aussi petites que 0,5μm, et la précision d'usinage peut atteindre 0,1μm ; elle peut réaliser une réplication et une production de masse à faible coût.
La technologie LIGA permet de produire divers micro-dispositifs et micro-pièces. Les produits LIGA réussis ou en cours de réalisation comprennent des microcapteurs, des micromoteurs, des pièces micromécaniques, des composants optiques et micro-optiques intégrés, des composants micro-ondes, des composants électroniques sous vide, des instruments médicaux miniatures, des composants et des systèmes de nanotechnologie, etc.
Les applications des produits LIGA couvrent un large éventail, comme la technologie d'usinage, la technologie de mesure, la technologie d'automatisation, la technologie automobile et de transport, la technologie de l'énergie, la technologie aéronautique et aérospatiale, la technologie textile, l'ingénierie de précision et l'optique, la microélectronique, la biomédecine, la science de l'environnement et l'ingénierie chimique, etc.
Le microscope à effet tunnel (STM), inventé par Binning et Bobrer, permet non seulement d'observer la structure de la surface des objets avec la résolution d'un seul atome, mais offre également une voie idéale pour l'usinage à l'échelle nanométrique sur la base d'une unité atomique. La technologie STM permet d'effectuer des opérations, des assemblages et des remodelages au niveau atomique.
Le STM rapproche une aiguille métallique très pointue (sonde) de la surface de l'échantillon à une distance d'environ 1 nm. Lorsqu'une tension est appliquée, un courant d'effet tunnel est généré. Le courant de tunnel change d'un ordre de grandeur tous les 0,1 nm. En maintenant le courant constant et en balayant la surface de l'échantillon, la structure de la surface peut être discernée.
Le courant de tunnel traverse généralement un seul atome à la pointe de la sonde, d'où sa résolution latérale au niveau atomique. La technologie du micro-usinage à effet tunnel permet non seulement d'enlever, d'ajouter et de déplacer des atomes uniques, mais aussi de réaliser la lithographie STM, la précipitation et la gravure induites par le faisceau d'électrons de la pointe de la sonde, et bien d'autres choses encore.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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