Ingenieurs van het NIST Center for Nanoscale Science and Technology (CNST) hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het fabriceren van driedimensionale (3D) nanostructuren met een hoge aspectverhouding over grote apparaatgebieden met behulp van een combinatie van elektronenstraal (e-beam) lithografie, fotolithografie, en weerstaan ​​spray coating. Hoewel het al lang mogelijk is om gecompliceerde 3D-structuren te maken met veel maskerlagen of dure grijswaardenmaskers, de nieuwe techniek stelt onderzoekers in staat sleuven en andere structuren met een hoge aspectverhouding te etsen met kenmerken op nanometerschaal zonder maskers te gebruiken en in slechts twee procesfasen.

De fabricage van 3D-halfgeleider- en diëlektrische structuren die van een patroon zijn voorzien door het belichten van resist met grijsschaalgradiënten van verschillende intensiteit, is essentieel geweest voor een breed scala aan toepassingen zoals digitale lenzen, micro-elektromechanische systemen, en vloeibare medische hulpmiddelen.

In tegenstelling tot apparaten die afhankelijk zijn van conventionele maskers, die gebieden hebben die eenvoudig licht doorlaten of blokkeren om een ​​patroon te vormen, de fabricage van deze apparaten is meestal gebaseerd op 3D-grijswaardenmaskers die verschillende niveaus van transparantie hebben en afhankelijk zijn van het gebruik van gepatenteerde materialen. Omdat de chemie gepatenteerd is en omdat de maskers worden bereid met behulp van gecompliceerde processen die het meest geschikt zijn voor kleine oppervlakten, ze zijn vaak onbetaalbaar. De volgende generatie van deze apparaten vereist lagere kosten, grotere oppervlakten, en steeds kleinere functiegroottes.

De nieuwe aanpak van de onderzoekers maakt gebruik van de hoge doorvoercapaciteit van fotolithografie om grijsschaalstructuren met een groot oppervlak te genereren met een grote verwerkingsflexibiliteit en het vermogen van e-beam-lithografie om grijsschaalkenmerken toe te voegen die kleiner zijn dan 200 nm. De eerste fase van deze mix-and-match-aanpak is om een ​​laag fotoresist van een patroon te voorzien door deze te belichten met een gefocusseerde laserstraal. Door de intensiteit van het licht lokaal te moduleren om een ​​grijsschaalgradiënt te vormen, variërende niveaus van fotoreactie in de fotoresist worden gegenereerd. Nadat het monster is ondergedompeld in de ontwikkelaaroplossing, materiaal wordt opgelost in gebieden die overeenkomen met de mate van geïnduceerde fotoreactie, de fotoresistlaag met variërende diktes achterlatend die overeenkomen met het initiële belichtingspatroon. Het monster wordt blootgesteld aan een diepe reactieve ionenets (DRIE) die substraatmateriaal verwijdert op verschillende diepten die afhankelijk zijn van de dikte van de fotoresist, het 3D-fotoresistpatroon verticaal in het substraat overbrengen om diepe grijswaardenmicrostructuren te vormen. De tweede fase past vergelijkbare verwerkingsstappen toe, maar met een tien keer kleinere functiegrootte. Eerst, een hogedruk e-beam resist spray coating wordt aangebracht om een ​​conforme dekking te verkrijgen van de topografie met hoge aspectverhouding geproduceerd in de eerste fase. Vervolgens, door een hoogenergetische e-straal te manipuleren met een resolutie op nanometerschaal, staphoogten in grijstinten met patronen worden op verschillende locaties direct in de e-beam resist geschreven. Eindelijk, de resist wordt ontwikkeld en het monster wordt blootgesteld aan DRIE zoals het was in de eerste stap.

Het proces in twee fasen resulteert in verticale kenmerkafmetingen van 45 ± 6 nm binnen een substraatstructuur die varieert van 2 m tot 30 ?m diep en met horizontale kenmerkafmetingen van 100 nm tot 200 nm en een totale patroonafmeting die mogelijk zo groot is als een hele wafel. CNST NanoFab Process Engineer Liya Yu verwacht dat het vermogen om grijsschaal nanostructuren met een hoge aspectverhouding te fabriceren de praktische toepassingen van grijsschaallithografie zal uitbreiden en het scala aan apparaatstructuren dat beschikbaar is voor apparaatontwerpers drastisch zal vergroten.