Introducción a la litografía

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Introducción a la litografía. 
Nanolitografía. Manipulación de átomos 
aislados. 
 
1 Introducción a la litografía. Nanolitografía. 
Manipulación de átomos aislados. 
La nanolitografía es la rama de la nanotecnología que estudia la aplicación o 
fabricación de materiales de escala nanométrica con por lo menos una dimensión 
de tamaños que van desde un átomo individual a los 100 nm y constituye el 
principal método de fabricación para circuitos integrados y sistemas 
nanoelectromecánicos (NEMS). 
Dentro de las diferentes formas de nanolitografía se destaca la fotonanolitografía, 
un proceso que supone la impresión de patrones en películas finas sobre un 
sustrato. La nanolitografía óptica usa luz para transferir un patrón geométrico 
usando una máscara e iluminando un sustrato fotosensible. 
Esta tecnología utiliza máscaras ópticas para definir patrones, la máscara se 
interpone entre el generador de luz y el sustrato, de esta forma, parte del sustrato 
es afectado por el paso de la luz a través de la máscara y otras partes del sustrato 
son protegidas. Las máscaras ópticas se fabrican en vidrio al que se le aplica una 
capa de Cr, se verifica el espesor e integridad de esta capa, luego se coloca una 
capa de resina fotosensible, con un laser se dibujan los patrones sobre la resina, 
luego esta es revelada y finalmente se realiza un ataque ácido, la resina protege 
algunas áreas de la máscara y otras quedan expuestas, de esta forma la solución 
de ataque come el cromo donde no es protegido por la resina, quedando 
definida la máscara óptica. 
La litografía óptica ha sido la técnica patrón predominante en la fabricación de 
semiconductores, es capaz de producir patrones nanométricos con el uso de 
longitudes de onda muy cortas. Esta técnica requerirá el uso en inmersión en 
líquido y una serie de tecnologías de mejora de resolución. La mayoría de los 
expertos cree que las técnicas de litografía óptica tradicional no será rentable por 
debajo de 22 nanometros. En ese punto, puede ser sustituida por una técnica de 
la litografía de próxima generación. Por ejemplo, “Quantum optical litography” 
que anunció una resolución de 2 nanometros de línea. 
De esta manera, combinando una serie de tratamientos químicos se logra imprimir 
un patrón de dimensiones de nanoescala. 
La fotolitografía comparte ciertos aspectos fundamentales de la fotografía, donde 
un patrón es creado exponiendo a la luz una superficie fotosensible. Este proceso 
es sumamente preciso pero tiene como desventaja requerir que los procesos sean 
llevados a cabo en salas limpias. 
El proceso básico de la fotonanolitografía incluye varios pasos secuenciales 
( Figura 1): 
 
Figura 1 
1. Limpieza: donde cualquier contaminación orgánica o inorgánica que 
pudiera encontrarse sobre el sustrato se remueve usando soluciones con 
peróxido de hidrógeno. 
2. Preparación: El sustrato se calienta a una temperatura tal que elimine 
cualquier rastro de humedad y se lo expone a un promotor de la adhesión 
(suele usarse bis (trimetilsilil)l amina - (CH3)3Si]2NH). 
3. Aplicación de material fotosensible: Se aplica en láminas de 0.5 a 2.5 
micrómetros de grosor y una uniformidad de entre 5 y 10 nm. 
4. Mascara: Se aplica la máscara que va a proteger y generar el patrón a 
imprimir. 
5. Luz: Se expone el material fotosensible a la luz, generando que las zonas no 
protegidas por la máscara reaccionen con la misma (existen sustancias que 
son exactamente al revés y la zona iluminada es la que se fija, pero el 
principio es exactamente el mismo). 
6. Revelado: Se utiliza una solución reveladora para limpiar el material que 
gracias a la incidencia de la luz ahora es soluble y puede ser removida con 
precisión. 
7. Etching: El material fotosensible puede ahora actuar como protección para 
trabajar sobre el sustrato de haciendo que un líquido (wet etching) o un 
plasma (dry etching) remuevan la primer capa del sustrato (normalmente un 
óxido) con extrema precisión. 
8. Limpieza: Se limpia la capa de material fotosensible, dejando el patrón 
impreso en el sustrato. 
Este proceso básico de nanolitografía posee múltiples técnicas derivadas que 
poseen características particulares, entre las cuelas vale la pena mencionar: 
Litografía de rayos X: Esta técnica puede extender la resolución óptica a 15 
nanometros mediante el uso de las longitudes de onda corta de 1 nanometro 
para la iluminación. La técnica se desarrolló para el procesamiento de pequeñas 
series. La extensión del método se basa en “Near Field rayos X” (Rayos X de campo 
cercano) de difracción de Fresnel. El método es simple ya que no requiere lentes. 
Doble patrón: Se utiliza imprimiendo por segunda vez sobre patrones ya trabajados 
y es utilizada masivamente en la producción de los microprocesadores de 32 nm. 
Nanolitografía de fuerza atómica: Utiliza un microscopio de fuerza atómica ya no 
como un elemento de observación sino como generador del patrón a imprimir 
gracias a la posibilidad de oxidar localmente un área determinada. 
 
Técnicas de escritura directa o técnicas sin máscara 
 
Figura 2: Nanolitografía del número pi escrito con 20 decimales en código binario 
gracias a la nanolitografía de fuerza atómica. 
Garcia, R; Martinez, RV; Martinez, J (2005). "Nano-chemistry and scanning probe 
nanolithographies". Chem. Soc. Rev. 35 (1): 29–
38. doi: 10.1039/b501599p. PMID16365640. 
Estas formas de fabricación utilizadas en nanotecnología no necesitan máscaras 
ópticas para definir los patrones sobre los sustratos, reciben el nombre de 
“maskless”. Se utiliza una matriz digital de microespejo para manipular 
directamente la luz reflejada sin la necesidad de una máscara. Su rendimiento es 
bajo, pero mejora con cada nueva generación de la tecnología, su costo es 
menor y podría ser más efectiva en casos de pequeñas series o para el uso en 
laboratorios de investigación, donde el rendimiento de la herramienta no es una 
preocupación. La técnica más común es la litografía de haz de electrones de 
escritura directa, un haz de electrones usado como un “lápiz” produce el patrón, y 
el “papel” más utilizado es el polímero PMMA. Litografía por partículas cargadas, 
tales como iones o litografías de electrones de proyección, también se utilizan 
para generar patrones de muy alta resolución. La litografía por haz de iones utiliza 
un haz enfocado para la transferencia de un patrón a una superficie. Litografía de 
partícula neutra utiliza un haz de partículas neutras energéticas para la 
transferencia de patrón sobre una superficie. 
Litografía de haz de electrones. 
 
Nano imprinting, litografía de réplicas o copias 
Litografía por nanoimpresión (Nanoimprint Lithography) son técnicas para realizar 
replicas y copias de estructuras nanométricas. Se parte de una muestra que se 
desea copiar, la misma puede ser biológica o no, se fija la estructura a replicar al 
sustrato, se aplica una resina sobre el sustrato, luego se produce el curado de la 
resina, en hormo, uno de los polímeros mas usados es el PMMA. Luego se 
desprende el sustrato del polímero y queda sobre este la geometría replicada. 
Nanoimprinting