Tal como a tecnologia de fabrico desempenha atualmente um papel crucial em vários domínios, a tecnologia de nanofabrico ocupa uma posição-chave nos domínios da nanotecnologia. A tecnologia de nanofabricação engloba numerosos métodos, incluindo o processamento mecânico, a gravação química, a maquinagem por feixe de energia e a engenharia de campo elétrico em superfícies de alumínio utilizando a microscopia de túnel de varrimento (STM). Não existe uma definição unificada de nanofabricação [...]
Tal como a tecnologia de fabrico desempenha atualmente um papel crucial em vários domínios, a tecnologia de nanofabrico ocupa uma posição-chave nos domínios da nanotecnologia. A tecnologia de nanofabricação engloba numerosos métodos, incluindo o processamento mecânico, o ataque químico, a maquinagem por feixe de energia e a engenharia de campo elétrico em superfícies de alumínio utilizando a microscopia de tunelamento de varrimento (STM).
Ainda não existe uma definição unificada para a tecnologia de nanofabrico; geralmente, o processamento de materiais com dimensões inferiores a 100 nm é designado por nanofabrico, tal como o processamento com rugosidade superficial ao nível do nanómetro. A nanofabricação refere-se ao processamento de peças em que a precisão do tamanho, a precisão da forma e a rugosidade da superfície estão todas ao nível nanométrico.
As seguintes tecnologias de maquinagem podem permitir o processamento à nanoescala:
Os métodos de processamento mecânico à escala nanométrica incluem o corte de ultra-precisão com ferramentas de ponta única feitas de diamante monocristalino e CBN, o processamento abrasivo multiponto de ultra-precisão com ferramentas de retificação feitas de abrasivos de diamante e CBN e o processamento abrasivo livre ou o processamento mecânico-químico composto, como a retificação, o polimento e a maquinagem por emissão elástica.
Atualmente, o corte de ultraprecisão com ferramentas diamantadas de ponta única produziu limalhas tão finas como 3 nm em laboratórios, e a trituração à nanoescala foi conseguida utilizando a tecnologia de trituração dúctil. A remoção à sub-nanoescala pode ser conseguida através de processos como a maquinagem por emissão elástica, resultando numa rugosidade da superfície ao nível de Angstrom.
O processamento por feixe de energia é um método de maquinação especial que utiliza feixes de energia de alta densidade, como feixes de laser, feixes de electrões ou feixes de iões, para remover materiais da peça de trabalho. Inclui principalmente o processamento de feixes de iões, o processamento de feixes de electrões e o processamento de feixes de luz.
A maquinagem por jato eletrolítico, a maquinagem por descargas eléctricas, a maquinagem eletroquímica, a epitaxia por feixe molecular e a deposição física e química de vapor são também abrangidas pelo processamento por feixe de energia. A remoção por pulverização catódica, a precipitação e o tratamento de superfícies com processamento por feixe de iões, bem como a gravação assistida por feixe de iões, são também direcções de investigação e desenvolvimento para a maquinagem à nanoescala.
Em comparação com o corte com ferramenta sólida, a posição e a taxa de maquinação da maquinação com feixe de iões são difíceis de determinar. Para obter uma precisão de maquinação à nanoescala, é necessário um sistema de deteção à sub-nanoescala e um sistema de ajuste em circuito fechado para a posição de maquinação.
A maquinagem por feixe de electrões remove átomos da superfície da camada de penetração sob a forma de energia térmica, que pode ser utilizada para gravação, exposição fotolitográfica, soldadura, microusinagem e perfuração e fresagem à nanoescala.
No início de 1999, foram lançadas sucessivamente máquinas de litografia ultravioleta profunda (DUV) para processos de 0,18μm. As chamadas tecnologias de litografia da próxima geração (NGL) utilizadas para substituir a litografia ótica após 0,1 μm incluem principalmente a litografia por ultravioleta extremo, raios X, feixe de electrões e feixe de iões. Apresenta-se de seguida uma breve introdução ao progresso das várias tecnologias de litografia.
A litografia ótica projecta, através de um sistema ótico, os diagramas estruturais de dispositivos de circuitos integrados de grande escala na máscara sobre uma bolacha de silício revestida de fotorresiste. A dimensão mínima das características que a litografia ótica pode atingir está diretamente relacionada com a resolução que o sistema de litografia ótica pode alcançar, e a redução do comprimento de onda da fonte de luz é a forma mais eficaz de melhorar a resolução.
Por conseguinte, o desenvolvimento de novas máquinas de litografia com fonte de luz de comprimento de onda curto tem sido sempre um tema de investigação importante a nível internacional.
Atualmente, o comprimento de onda da fonte de luz das máquinas de litografia comerciais passou da banda ultravioleta das fontes de luz de lâmpadas de mercúrio no passado para a banda ultravioleta profunda (DUV), como o laser de excímero KrF (comprimento de onda 248nm) utilizado para a tecnologia de 0,25μm e o laser de excímero ArF (comprimento de onda 193nm) utilizado para a tecnologia de 0,18μm.
Além disso, a utilização das características de interferência da luz e a otimização dos parâmetros do processo com várias tecnologias de frente de onda é também uma forma importante de melhorar a resolução litográfica. Estas tecnologias são avanços conseguidos através de uma análise profunda da imagem de exposição baseada na teoria electromagnética e na prática da litografia, incluindo máscaras de mudança de fase, tecnologia de iluminação fora do eixo e correção do efeito de proximidade.
Utilizando estas tecnologias, é possível obter padrões litográficos de maior resolução com o atual nível de tecnologia. Por exemplo, no início de 1999, a Canon lançou o motor de passo de varrimento FPA-1000ASI, que utiliza uma fonte de luz ArF de 193 nm.
Com a tecnologia de frente de onda, pode atingir uma largura de linha litográfica de 0,13 μm numa bolacha de silício de 300 mm. A tecnologia de litografia ótica inclui máquinas de litografia, máscaras, fotorresistências e uma série de tecnologias que envolvem a ótica, a mecânica, a eletricidade, a física, a química, os materiais e outros domínios de investigação.
Atualmente, os cientistas estão a explorar a litografia com laser F2 (comprimento de onda de 157 nm) com um comprimento de onda mais curto. Devido ao elevado nível de absorção da luz, a obtenção de novos materiais ópticos e de substrato de máscara para sistemas de litografia é a principal dificuldade desta tecnologia de comprimento de onda.
A litografia ultravioleta extrema (EUVL) utiliza luz ultravioleta extrema com um comprimento de onda de 10-14 nm como fonte de luz. Embora inicialmente referida como litografia suave de raios X, é mais parecida com a litografia ótica. A diferença é que, devido à forte absorção no material, o seu sistema ótico tem de ser refletor.
A litografia de raios X (XRL) apresenta um comprimento de onda da fonte de luz de aproximadamente 1nm. Uma vez que permite uma exposição de alta resolução, a XRL tem sido amplamente reconhecida desde a sua invenção na década de 1970. Os países que dispõem de dispositivos de radiação de sincrotrão, como os da Europa, Estados Unidos, Japão e China, realizaram sucessivamente investigação relacionada.
A XRL é a mais madura de todas as tecnologias de litografia da próxima geração. A principal dificuldade da XRL reside na obtenção de um substrato de máscara com boas propriedades mecânicas e físicas. Nos últimos anos, registaram-se progressos significativos na tecnologia de máscaras. O carboneto de silício (SiC) é o material de substrato mais adequado.
Embora a XRL já não seja a única candidata a tecnologias futuras devido à investigação aprofundada sobre questões relacionadas com a XRL, ao desenvolvimento da litografia ótica e a novos avanços noutras tecnologias litográficas, os Estados Unidos reduziram recentemente o seu investimento na XRL. No entanto, a XRL continua a ser uma das tecnologias candidatas indispensáveis.
A litografia por feixe de electrões (EBL) utiliza um feixe de electrões de alta energia para expor o material fotorresistente e obter gráficos estruturais. Com o seu comprimento de onda de Broglie de cerca de 0,004 nm, a EBL não é afetada pelos limites de difração, alcançando uma resolução à escala quase atómica. A EBL pode atingir uma resolução extremamente elevada e gerar gráficos diretamente.
Não só é uma ferramenta de preparação de máscaras indispensável na produção de circuitos integrados de muito grande escala (VLSI), como também é o principal método de processamento de dispositivos e estruturas para fins especiais. A resolução das actuais máquinas de exposição por feixe de electrões é inferior a 0,1µm. A principal desvantagem da EBL é a sua baixa produtividade, apenas 5-10 wafers por hora, muito inferior ao atual nível de litografia ótica de 50-100 wafers por hora.
É de salientar a tecnologia SCALPEL desenvolvida pela Lucent Technologies nos Estados Unidos. Esta tecnologia encolhe os gráficos da máscara como a litografia ótica e utiliza técnicas especiais de filtragem para remover os electrões dispersos gerados pelos absorventes da máscara, melhorando assim a eficiência da produção e garantindo a resolução.
É de salientar que, independentemente da tecnologia litográfica utilizada no futuro, a EBL será uma infraestrutura indispensável para a investigação e produção de circuitos integrados.
A litografia por feixe de iões (IBL) utiliza iões formados pela ionização de átomos líquidos ou sólidos, acelerados e focados ou colimados por um campo eletromagnético, para expor o material fotorresistente. O princípio é semelhante ao da EBL, mas o comprimento de onda de Broglie é mais curto (inferior a 0,0001 nm), e tem vantagens como um pequeno efeito de proximidade e um grande campo de exposição. A IBL inclui principalmente a litografia por feixe de iões focalizados (FIBL) e a litografia por projeção de iões (IPL).
A FIBL foi a primeira a ser desenvolvida, e a investigação experimental recente alcançou uma resolução de 10 nm. Devido à sua baixa eficiência, é difícil aplicá-la como ferramenta de exposição na produção, sendo atualmente utilizada sobretudo como ferramenta de reparação de máscaras e de corte de dispositivos especiais em VLSI. Para colmatar as deficiências da FIBL, desenvolveu-se a tecnologia IPL com maior eficiência de exposição, tendo-se registado progressos consideráveis.
O processo Lithography Galvanoformung Abformung (LIGA) é uma tecnologia abrangente composta por litografia de raios X por radiação sincrotrónica profunda, eletrodeposição e moldagem de plástico. O processo mais básico e central é a litografia por radiação sincrotrão profunda, enquanto a eletrodeposição e a moldagem de plástico são fundamentais para a aplicação prática dos produtos LIGA.
Em comparação com os processos tradicionais de semicondutores, a tecnologia LIGA tem muitas vantagens únicas, tais como uma vasta gama de materiais que podem ser utilizados, incluindo metais e suas ligas, cerâmicas, polímeros e vidro; pode produzir microestruturas tridimensionais com uma altura de várias centenas de micrómetros a um milímetro e rácios de aspeto superiores a 200; as dimensões laterais podem ser tão pequenas como 0,5 μm e a precisão de maquinagem pode atingir 0,1 μm; pode realizar a replicação e produção em massa a baixo custo.
Vários microdispositivos e microaparelhos podem ser produzidos com a tecnologia LIGA. Os produtos LIGA bem sucedidos ou em curso incluem micro-sensores, micro-motores, peças micromecânicas, componentes ópticos e micro-ópticos integrados, componentes de micro-ondas, componentes electrónicos de vácuo, instrumentos médicos em miniatura, componentes e sistemas nanotecnológicos, etc.
A aplicação dos produtos LIGA abrange uma vasta gama, como a tecnologia de maquinagem, a tecnologia de medição, a tecnologia de automação, a tecnologia automóvel e de transportes, a tecnologia de potência e energia, a tecnologia aeronáutica e aeroespacial, a tecnologia têxtil, a engenharia de precisão e ótica, a microeletrónica, a biomedicina, a ciência ambiental e a engenharia química, etc.
O microscópio de túnel de varrimento (STM), inventado por Binning e Bobrer, não só permite observar a estrutura da superfície dos objectos com a resolução de um único átomo, como também proporciona uma via ideal para a maquinagem à escala nanométrica com base em unidades atómicas. A operação, montagem e remodelação a nível atómico podem ser realizadas utilizando a tecnologia STM.
A STM aproxima uma agulha metálica muito afiada (sonda) da superfície da amostra até cerca de 1 nm. Quando é aplicada tensão, é gerada uma corrente de tunelamento. A corrente de tunelamento muda uma ordem de grandeza a cada 0,1 nm. Mantendo a corrente constante e varrendo a superfície da amostra, a estrutura da superfície pode ser discernida.
A corrente de tunelamento passa geralmente através de um único átomo na ponta da sonda, pelo que a sua resolução lateral é ao nível atómico. A tecnologia de micro-usinagem por tunelamento de varrimento pode não só remover, adicionar e mover átomos individuais, mas também realizar litografia STM, precipitação e gravação induzidas por feixe de electrões na ponta da sonda, etc.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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