Ingenjörer vid NIST Center for Nanoscale Science and Technology (CNST) har utvecklat en ny teknik för att tillverka tredimensionella (3D) nanostrukturer med stora bildförhållanden över stora enhetsområden med hjälp av en kombination av elektronstråle (e-beam) litografi, fotolitografi, och motstå spraybeläggning. Även om det länge har varit möjligt att göra komplicerade 3D -strukturer med många maskskikt eller dyra gråskala -masker, den nya tekniken gör det möjligt för forskare att etsa skyttegravar och andra strukturer med hög bildförhållande med nanometerskalfunktioner utan att använda masker och i endast två processsteg.

Tillverkningen av 3D halvledare och dielektriska strukturer som mönstras genom att exponera resist med varierande intensitet gråskala gradienter har varit avgörande för ett brett spektrum av applikationer som digitala linser, mikroelektromekaniska system, och flytande medicinsk utrustning.

Till skillnad från enheter som är beroende av konventionella masker, som har områden som helt enkelt sänder eller blockerar ljus för att bilda ett mönster, tillverkningen av dessa enheter har vanligtvis förlitat sig på 3D gråskala -masker som har olika grad av transparens och är beroende av användningen av egna material. Eftersom kemin är proprietär och eftersom maskerna förbereds med komplicerade processer som är bäst lämpade för små ytor, de är ofta oerhört dyra. Nästa generation av dessa enheter kräver lägre kostnader, större ytor, och allt mindre funktionsstorlekar.

Forskarnas nya tillvägagångssätt drar nytta av fotolitografins höga genomströmningskapacitet för att generera gråskalestrukturer med stor yta med stor bearbetningsflexibilitet och e-stråle litografis förmåga att lägga till gråskalefunktioner mindre än 200 nm. Den första fasen av detta mix-and-match-tillvägagångssätt är att mönstra ett lager av fotoresist genom att exponera det med en fokuserad laserstråle. Genom att lokalt modulera ljusets intensitet för att bilda en gråtoningsgradient, varierande nivåer av fotoreaktion i fotoresist genereras. När provet är nedsänkt i utvecklarlösningen, material löses i områden som motsvarar graden av inducerad fotoreaktion, lämnar fotoresistskiktet med olika tjocklekar som matchar det ursprungliga exponeringsmönstret. Provet exponeras för en djup reaktiv jonetsning (DRIE) som avlägsnar substratmaterial på olika djup som beror på fotoresistens tjocklek, överföra 3D-fotoresistmönstret vertikalt till substratet för att bilda djupa gråskala mikrostrukturer. Den andra fasen tillämpar liknande bearbetningssteg men med funktionsstorlekar tio gånger mindre. Först, en högtrycks-e-beam resist spray-beläggning appliceras för att erhålla överensstämmande täckning av högbildsförhållandet topografi som producerades i den första fasen. Sedan, genom att manipulera en hög-energi e-beam med nanometer-skala upplösning, mönstrade gråskala steghöjder skrivs direkt i e-beam resist på olika platser. Till sist, resisten utvecklas och provet exponeras för DRIE som det var i det första steget.

Tvåstegsprocessen resulterar i en vertikal storleksstorlek på 45 ± 6 nm inom en substratstruktur som varierar från 2 m till 30 m djup och med horisontella dragstorlekar på 100 nm till 200 nm och en övergripande mönsterstorlek som kan vara så stor som en hel skiva. CNST NanoFab Process Engineer Liya Yu räknar med att förmågan att tillverka gråskala nanostrukturer med hög bildförhållande kommer att utöka de praktiska tillämpningarna av gråtonlitografi och dramatiskt utöka sortimentet av enhetsstrukturer som är tillgängliga för enhetsdesigners.