ITTO20080358A1 - Procedimento e sistema per la fabbricazione di nanostrutture e nanodispositivi tramite proiezione di materiale in forma atomica o molecolare da sorgente sagomata attraverso un diaframma con aperture di dimensioni nanometriche - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Procedimento e sistema per la fabbricazione di nanostrutture e nanodisposìtivi tramite proiezione di materiale in forma atomica o molecolare da sorgente sagomata attraverso un diaframma con aperture di dimensioni nanometriche "

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda la fabbricazione di nano strutture e nanodispositivi, specificamente un procedimento ed un sistema per la fabbricazione di nano strutture e nanodispositivi bidimensionali o tridimensionali.

Si stanno diffondendo in applicazioni industriali dispositivi che presentano nuove o migliorate funzionalità raggiunte attraverso lo sfruttamento dei fenomeni fìsici e chimici che hanno luogo a scale nanometriche.

Il campo della microelettronica integrata non è il solo settore tecnologico che vede un forte sviluppo delle tecnologie di miniaturizzazione di dispositivi a scale nanometriche. Altri settori di interesse industriale e di ricerca riguardano le tecnologie di immagazzinamento dati, la fotonica, la plasmonica, 1<[>elettronica molecolare, le applicazioni per rilevamenti biochimici e la diagnostica medica, per citare alcuni esempi che sì giovano dello sviluppo di metodologie di nanofabbricazione efficaci ed accurate.

La litografia da fascio elettronico (EBL) è universalmente considerata la tecnica di nanostrutturazione (nanopatternìng) più versatile, anche se non compatibile con alti volumi di produzione e benché altre tecniche risultino competitive sotto singoli aspetti.

Ad esempio, le tecnologie a scansione di sonda in modalità litografica, che consentono di ossidare strati sottili superficiali di materiali semiconduttori secondo pattern nanometrici o assemblare atomo per atomo o molecola per molecola le strutture di interesse su superfici, risultano avere prestazioni superiori a quelle della litografia elettronica in termini di risoluzione, ma sono drammaticamente più lente tanto da prevenirne il loro impiego in ambito industriale.

La tecnologia a fascio ionico focalizzato (FIB) è preferibile nella definizione di un pattern tridimensionale a schema libero, ma anch'essa risulta ordini di grandezza più lenta rispetto a quella elettronica.

La tecnica nota come nanoimprinting lithography è più efficiente in termini di rendimento e costi, ma generalmente richiede comunque il ricorso alla tecnica della litografia elettronica, dato che essa non è in grado di originare, ma solo di replicare pattern ottenuti tramite altra tecnica.

La litografia elettronica risulta la principale sorgente diretta di pattern per tecnologie di replica di pattern ad alta risoluzione, in primis la fotolitografia proiettiva in uso nell'industria dell'elettronica integrata, oltre che la litografia a raggi X e il caso sopra menzionato della tecnica del nanoimprinting.

Mediante litografia da fascio elettronico caratteristiche strutturali di dimensioni inferiori a 10 nanometri possono essere ottenute in modo riproducibile su pellicole sottili di resist con un'accuratezza di posizionamento, allo stato dell'arte, dì circa 10-20 nanometri su aree complessive di diversi centimetri quadrati.

Tuttavia, svantaggiosamente, è difficile realizzare nanostrutture ravvicinate a causa degli effetti di cross-talk, noti anche come effetti di prossimità, che insorgono quando si intende realizzare elementi strutturali disposti a distanze reciproche inferiori ai 30-40 nanometri. Gli elettroni del fascio incidente (elettroni primari) subiscono processi di scattering nel resist generando una cascata di elettroni secondari. La zona di esposizione del resist risulta pertanto allargata dal fatto che gli elettroni secondari ridistribuiscono l'energia e gli effetti chimico fisici ad essa associati su un volume più ampio rispetto a quello intercettato direttamente dal fascio incidente. Ad esempio, due punti vicini determinano tra loro una zona di elevata esposizione del resist per effetto di prossimità, per cui, se la loro distanza reciproca è troppo piccola, durante lo sviluppo si ottiene un unico foro comprendente entrambi i punti direttamente esposti al fascio senza più possibilità di risolverli.

Questo aspetto chiave nella fabbricazione a scale nanometriche è tuttora in attesa di soluzioni tecniche migliorative.

Un altro problema fondamentale è rappresentato dalla registrazione (allineamento) di differenti strutture costituenti un singolo nanodispositivo comprendente più materiali. L'accuratezza di allineamento desiderabile è generalmente dell'ordine di una frazione della dimensione dell'elemento dal quale dipendono le prestazioni dell'interno dispositivo, ossia dell'ordine di pochi nanometri. La possibilità di ottenere nella fabbricazione di nanodispositivi un così accurato allineamento delle differenti strutture, in modo affidabile e riproducibile su grandi aree, è un obiettivo imprescindibile per l'ulteriore sviluppo di svariate applicazioni e tecnologie, ed un problema comune per tutte le attuali tecnologie di nanopatterning di interesse industriale.

Oltre alle tecniche di litografia da fascio elettronico, di fascio ionico focalizzato e di nanoimprinting, è nota una tecnica di evaporazione e deposizione diretta di atomi o molecole su un substrato secondo uno o più angoli di incidenza attraverso aperture sagomate ricavate in una membrana di mascheratura sospesa a distanza controllata micrometrica o sub-micrometrica dal substrato, recante la configurazione voluta, ad esempio per ottenere nanostrutture e nanocontattì a gap controllati. La membrana di mascheratura è generalmente formata da un sistema a due strati di resist, in cui il primo in ordine di deposizione funge da strato spaziatore tra il substrato e il secondo strato di resist su cui viene definita litograficamente un'apertura sagomata. La deposizione dei materiali può essere ottenuta da più sorgenti di evaporazione o sublimazione, posizionate in punti diversi di una camera a vuoto ultraspinto, o per tramite della stessa sorgente spostando o inclinando il substrato tra deposizioni successive. In tal modo, è possibile produrre una pluralità di proiezioni della stessa geometria, definita dal pattern rappresentato sulla membrana di mascheratura, sfalsate una rispetto all’altra a seconda della posizione ed orientazione relativa di sorgente e substrato. Le sorgenti sono idealmente puntiformi e la definizione del pattern a scala nanometrica della deposizione di materiale è unicamente determinata dalla geometria dell‘apertura definita sulla membrana di mascheratura mantenuta a distanza micrometrica o sub-micrometrica dal substrato. L'estensione finita non infinitesima della sorgente introduce un effetto di "penombra" con conseguente perdita di definizione e nettezza dei bordi del pattern depositato a scala nanometrica rispetto al pattern di configurazione della membrana.

Sono noti anche processi di nanostencil, il cui concetto di base è la proiezione di una configurazione a scala micrometrica o nanometrica per mezzo di una unica maschera, in prossimità (a distanze controllate di 10-100 micrometri), ma separata fisicamente dal substrato su cui si intende produrre un deposito configurato di materiale, e recante la configurazione voluta sul substrato. In tale tecnica la membrana forata (tipicamente di nitruro di silicio e supportata da una cornice di silicio), viene posizionata in prossimità del substrato, ed eventualmente allineata ad un struttura definita precedentemente. Il fatto che la maschera sia separata fisicamente dal substrato di destinazione della litografia, ha il vantaggio di permettere un riutilizzo della maschera, previa eventuale rimozione del materiale depositato su di essa. Di contro, la separazione fisica, riduce la precisione di posizionamento della membrana, sia in termini di distanza e di parallelismo con il substrato, sia in termini di accuratezza laterale nel posizionamento delle strutture traforate della membrana rispetto a strutture preesistenti. Questo comporta il fatto che nella tecnologia del nanostencil sia difficile raggiungere accuratezze di posizionamento migliori di qualche centinaio di nanometri.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire una tecnica di fabbricazione di nanostrutture e nanodispositivi di tipo litografico, che permetta di realizzare strutture bidimensionali e tridimensionali compatte, finissime, ad altissima risoluzione, con accuratezza di allineamento dell'ordine del nanometro, evitando gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad un procedimento di fabbricazione di nanostrutture e nanodispositivi avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.

Modi particolari di realizzazione sono definiti nelle rivendicazioni dipendenti, che formano parte integrale ed integrante della presente descrizione.

Forma ulteriore oggetto dell'invenzione un sistema di fabbricazione di nanostrutture e nanodispositivi avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 11.

In sintesi, la presente invenzione si fonda sul principio della fotografia tradizionale, noto anche come camera oscura o camera ottica, in cui la formazione di una immagine avviene per proiezione dell'immagine oggetto attraverso un foro stenopeico, per cui - adottandosi una terminologia propria dell<'>ottica geometrica - ciascun punto di immagine su uno schermo di sintesi è formato con il contributo dei soli raggi emessi dal corrispondente punto oggetto, che passano senza deflessioni attraverso il foro.

In luogo dell<'>utilizzo di una sorgente luminosa, il procedimento secondo 1'invenzione si basa sull'impiego di una sorgente di atomi o molecole a configurazione predeterminata, atta ad emettere un materiale da depositare su un substrato di bersaglio per la definizione della nanostruttura. Tra sorgente e substrato di bersaglio è interposto un diaframma recante almeno un foro stenopeico, e più in generale almeno una pupilla a foro sagomato di dimensioni nanometriche, equivalente al diaframma a iride fotografico, atta ad essere attraversata dal flusso atomico o molecolare emergente dalla sorgente (in uno spazio-oggetto), per la formazione di una immagine invertita sul substrato (in uno spazio-immagine). Nella configurazione del predetto sistema le traiettorie degli atomi o molecole sono rettilinee e, vantaggiosamente, è verificata con rigore la validità dei principi dell'ottica geometrica, dal momento che gli effetti di diffrazione sono del tutto trascurabili.

Specificamente, la sorgente atomica/molecolare macroscopica disposta nello spazio-oggetto, la cui immagine sotto forma di deposito di materiale deve essere formata in scala nanometrica sul substrato, può essere realizzata da un crogiuolo di una sorgente termica, una cella Knudsen o altri tipi di sorgenti emettitrici di atomi/molecole disposte in una camera di evaporazione a vuoto ultraspinto, di fronte alla quale è disposta una maschera, ad esempio una piastra forata, avente una o più aperture di configurazione recanti nell'insieme un predeterminato motivo di sagomatura della sorgente.

Il diaframma a iride può essere realizzato da un'apertura ad elevata risoluzione, dell'ordine di grandezza del nanometro o della decina di nanometri, ottenuta - ad esempio - per via litografica, in una sottile membrana dì resist sospesa ad una distanza fissa predeterminata rispetto alla superficie di un substrato di formazione della nanostruttura. La membrana sospesa può essere ottenuta, ad esempio per deposizione del resist su uno strato polimerico sacrificale cresciuto sul substrato ed atto a essere successivamente dissolto, sfruttando le aperture medesime della membrana così configurata per l'accesso del solvente.

Nel seguito della presente descrizione tale membrana sospesa sarà più generalmente indicata come diaframma, comprendente uno o più pupille o aperture di dimensioni nanometriche (equivalenti di un foro stenopeico), preferibilmente di forma circolare. Forme differenti del foro permettono una generalizzazione delle possibilità di fabbricazione ad una classe di nanostrutture più ampia, comprendente per esempio quelle a sviluppo tridimensionale, come sarà evidente da quanto esposto qui di seguito .

Lo strato polimerico di fondo agisce come distanziatore a spessore controllato tra la posizione della pupilla ed il substrato.

I fattori di riduzione in scala delle dimensioni delle strutture che possono essere raggiunti sono assai elevati. Si assuma, ad esempio, che una sorgente atomica/molecolare sagomata secondo una predeterminata configurazione planare ed un substrato di crescita della nanostruttura siano separati da una distanza di 50cm, e il diaframma recante la pupilla di concentrazione degli atomi/molecole emessi sia posta sospesa ad una distanza di 0,5pm dalla superficie del substrato di crescita della nanostruttura. Si ottiene così un'immagine "atomica" (rispettivamente, "molecolare") le cui dimensioni sono ridotte in scala di un fattore pari a

Vantaggiosamente, una conseguenza del principio di riduzione in scala per proiezione ortoscopica attraverso un'apertura a foro stenopeico è che risulta possibile "comporre " sul substrato di destinazione due "immagini" di differenti oggetti emettitori di atomi/molecole, ottenendo una sovrapposizione delle due nanostrutture immagine con accuratezza di registrazione a scala nanometrica a fronte di un'accuratezza di registrazione delle strutture degli oggetti sorgente dell'ordine del millimetro, impiegandosi un fattore di riduzione di scala dell'ordine di 10<+s>.

Ulteriore vantaggio è rappresentato dal fatto che risulta possibile un'applicazione parallela di questa tecnica alla fabbricazione contemporanea di una pluralità di nanostrutture, essendo possibile produrre una pluralità di corrispondenti aperture, eventualmente sagomate, sul diaframma sospeso attraverso una comune tecnica di litografia (ad esempio elettronica o per nanoimprint), ottenendosi una pluralità di corrispondenti nanodispositivi identici al termine del processo di deposizione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 è una rappresentazione schematica del sistema oggetto dell’invenzione in una vista in sezione trasversale,

la figura 2 è una rappresentazione schematica del sistema oggetto dell'invenzione secondo una vista prospettica;

le figure 3A e 3B mostrano una rappresentazione schematica di una variante di realizzazione del sistema oggetto dell’invenzione ed una relativa immagine di un campione sperimentale; e

la figura 4 è una rappresentazione schematica di una ulteriore variante di realizzazione dell'invenzione.

In figura 1 è mostrata schematicamente, secondo una vista in sezione trasversale, una disposizione di un sistema per la fabbricazione di nanostrutture secondo il principio dell'invenzione. Con il riferimento numerico 10 è indicata una sorgente di atomi o molecole di qualsivoglia natura, forma ed orientamento. Una maschera di configurazione della sorgente è indicata con 12 e comprende una parete opaca 14 atta ad intercettare gli atomi/molecole emergenti dalla sorgente 12 ed un'apertura o più aperture sagomate 16 atte a consentire la trasmissione degli atomi/molecole emessi dalla sorgente nel semispazio posteriore rispetto alla direzione di provenienza. Il piano di giacitura della maschera 12 è contrassegnato nel complesso con ∑.

La disposizione atta a generare un fascio atomico/molecolare secondo una predeterminata configurazione che si intende riprodurre a scala nanometrica può dunque essere indicata con il termine generale di Oggetto emettitore, per analogia con l'accezione ottica, indipendentemente dalla modalità reaiizzativa con cui tale configurazione è ottenuta.

Con il riferimento numerico 20 è indicato un substrato avente funzione di sopporto per la realizzazione di una o più nanostrutture 22 su una superficie identificata da un piano Λ. Ad esso è associato, ad una distanza predeterminata da uno strato distanziale 24, un diaframma 26 comprendente una membrana 28 provvista di almeno un'apertura o pupilla del tipo a foro stenopeico 30. Nel complesso, il piano di giacitura del diaframma 26, sostanzialmente parallelo al piano di giacitura della maschera di configurazione della sorgente 12 e al piano di formazione della nanostruttura, è identificato con H.

Una rappresentazione tridimensionale, naturalmente schematica, del sistema oggetto dell'invenzione è fornita in figura 2, ove elementi e componenti identici o funzionalmente equivalenti a quelli illustrati nella figura 1 sono stati indicati con gli stessi riferimenti.

In figura 2 è rappresentata una sorgente strutturata S dì atomi o molecole avente una configurazione spiraliforme. Tale sorgente può essere realizzata direttamente conformando un'apparecchiatura di emissione di atomi o molecole o essere una sorgente "virtuale” ottenuta da un'apparecchiatura di emissione libera e configurando l'emissione di atomi o molecole nel semispazio comprendente il substrato di destinazione della nanostruttura secondo una configurazione predeterminata dalla maschera 12.

Ad esempio, la sorgente S può essere formata da una piastra di tungsteno o molibdeno o altro materiale metallico refrattario che, all'interno di una scanalatura prodotta sulla superficie o direttamente in superficie, rechi un deposito sagomato di materiale suscettibile di essere emesso in forma atomica/molecolare per evaporazione o sublimazione quando la piastra venga riscaldata per effetto Joule.

Una possibile variante della suddetta sorgente sagomata può essere anche realizzata con una piastra ceramica non conduttiva, riscaldata indirettamente per effetto Joule, e recante un deposito sagomato di materiale suscettibile di essere evaporato o sublimato da una scanalatura prodotta alla sua superficie.

Con riferimento sempre alla figura 1 di rappresentazione schematica del sistema, si fornisce di seguito una descrizione matematica generale del principio di fabbricazione oggetto dell'invenzione.

Si adotterà un linguaggio tipico dell'ottica geometrica, dal momento che le relazioni si applicano in questo contesto con accuratezza. Infatti, la diffrazione dì atomi, possibile ed evidenziata per esempio in studi recenti di olografia impiegando atomi di Neon, richiederebbe energie cinetiche medie di emissione degli atomi estremamente basse, corrispondenti a "grandi" lunghezze d'onda di de Broglie (dell'ordine dei nanometri o maggiori). Tali regimi sono ottenìbili solo grazie a tecnologie speciali che, come il "laser cooling", permettono di abbassare l'energia cinetica media di un gas ovvero la sua la temperatura a valori di molti ordini di grandezza inferiori a quelli del gas prodotto dalle comuni sorgenti termiche. Altri effetti potenzialmente distorcenti l'immagine secondo l'ottica geometrica, ovvero la presenza di campi magnetici e elettrici statici o disturbi elettromagnetici, possono facilmente essere neutralizzati con opportuni sistemi di schermatura della camera dì deposizione.

Gli atomi emessi dai punti della sorgente strutturata, sul piano ∑, con coordinate , incidono sul piano Λ del substrato in un punto di coordinate Jr, passando attraverso un punto dì coordinate J/ nel piano di diaframma Π recante l'apertura 30.

La condizione geometrica secondo la quale * .α e Jc sono co-lineari, può essere riportata matematicamente come

in cui d rappresenta la distanza tra la maschera di definizione della sorgente 12 e il diaframma 26, e h rappresenta la distanza tra il diaframma 26 ed il substrato di formazione della nanostruttura (piano Λ) .

Definendo il fattore di riduzione di scala M

M-J-

h

è possibile riscrivere la relazione 1 come

Il flusso di materiale incidente sul substrato, indicato con Φ (Jc), è calcolabile per integrazione sui piani ∑ e Π secondo la relazione seguente

in cui S{X) rappresenta l'intensità locale della sorgente molecolare e p(f) rappresenta la "trasparenza” del diaframma, che nel caso di una membrana con foro stenopeico può assumere soltanto i valori binari 0 o 1.

La funzione di Dirac <5(£+ )(!M -j?(l+1iM)) restringe il dominio di integrazione per Xey ad un sottodominio per cui sono co-lineari con il punto % .

Adottando 1’approssimazione

-<M>SS 11

M 1

non necessaria dal punto di vista delle conclusioni, ma utile a semplificare le notazioni e giustificata in condizioni sperimentali in cui M è dell'ordine di 10<4>-10<6>, l’espressione del flusso è data dalla relazione

Chiaramente, quando l'argomento della funzione P$+ £) varia per una lunghezza 1, l'argomento della funzione S(p M) varia per una lunghezza M-1, pertanto la configurazione della sorgente S($M) appare ridotta in scala di un fattore M sul substrato 20.

Con riferimento a questa espressione si danno due casi limite, in funzione del fatto che la configurazione di formazione della nanostruttura rappresentata dal flusso Φ {Jc) sia determinata essenzialmente dalla configurazione dell'apertura del diaframma p{j>) o dalla configurazione della sor-

gente S($ ). E<1>facile notare che se la dimensione caratteristica R della sorgente S(ìc), scalata di un fattore M, è inferiore alla dimensione caratteristica r dell'apertura p(Jc), ossia è vera la relazione R/M<<r, la sorgente SÌJ^) può essere approssimata da una sorgente puntuale, ossia Si# )=5{Jc). Secondo questa approssimazione, il flusso incidente sul substrato 20 è quindi riconducibile a

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ossia esso rappresenta il noto processo di lift-off utilizzato tradizionalmente per formare un deposito metallico o di altro materiale su un substrato che riproduca essenzialmente la stessa configurazione dell'apertura ottenuta in uno strato di resist sacrificale.

Nel caso limite opposto, in cui l'apertuta del diaframma è di dimensione r<<R/M, è vera l'approssimazione p{£)=δ(£) per cui il flusso di materiale incidente sul substrato 20 è dato dalla relazione seguente

Questa situazione corrisponde al caso omologo alla camera oscura con foro stenopeico, in cui l'immagine della configurazione della sorgente viene invertita e scalata di un fattore M sul substrato di destinazione.

Naturalmente, nel caso di un diaframma circolare di raggio finito r il flusso è dato dalla relazione

ed in questo caso la configurazione del flusso corrisponde ad un’immagine invertita, scalata e sfocata della sorgente.

Quanto precede mostra anche la possibilità di fabbricare nanostrutture tridimensionali nel caso di apertura del diaframma sagomata.

Ad esempio, con una sorgente di intensità uniforme ed apertura della maschera di configurazione della sorgente di lunghezza L secondo l'asse Xi e larghezza variabile W(Xi) misurata in direzione X2, ovvero,

ed utilizzando un'apertura nel diaframma 26 dì forma lineare orientata parallelamente alla direzione 3⁄4, ossia in cui p(xltX2)=δ(χι), il flusso risultante, risulterà dato dalla relazione

In termini più intuitivi, nell'esempio appena fornito, la presenza di un'apertura di forma lineare nella membrana sacrificale, crea un deposito di materiale come sovrapposizione continua di immagini traslate una rispetto l'altra secondo la direzione dell'apertura lineare nella membrana di definizione del diaframma. Pertanto è evidente che lo spessore del deposito in un dato punto della superficie di destinazione risulta essere proporzionale al “numero di immagini" traslate della sorgente che contengono tale punto, ovvero proporzionale alla larghezza dell'immagine della sorgente nella direzione della apertura lineare nel resist.

In caso di una pluralità di aperture nella membrana sacrificale rappresentate da linee parallele equidistanziate, questo metodo permette la fabbricazione di reticoli a periodicità a scala nanometrica 1-dimensionale {all'interno di un singolo periodo) e a profilo verticale di forma libera.

Nelle figure 3A e 3B sono mostrati rispettivamente una disposizione del sistema oggetto dell'invenzione e il risultato di fabbricazione di una nanostruttura tridimensionale in cui la configurazione della nanostruttura è funzione della convoluzione della configurazione a scala millimetrica della sorgente atomica/molecolare e della configurazione a scala nanometrica dell'apertura del diaframma.

Un evaporatore termico capace di raggiungere pressioni di base dell'ordine di circa IO<”6>millibar è stato impiegato per evaporare atomi di nichel da una sorgente termica di tungsteno con un crogiolo ceramico. Su un substrato 20 di silicio è stato depositato uno strato inferiore di resist LOR B dello spessore di 1 micron ed uno strato superiore di PMMA dello spessore di 0,1 micron, quest'ultimo configurato attraverso litografia da fascio elettronico con caratteristiche (punti, linee, ecc.) ad alta risoluzione. Il pattern litografico latente nel PMMA è stato sviluppato in una soluzione 1:3 di metilisobutilchetone e alcol isopropilico, per ottenere una membrana 28 di diaframma configurata, che è risultata sospesa sul substrato dopo lo sviluppo dello strato di LOR B attraverso le aperture 30 nella membrana di PMMA in un bagno di sviluppo MF319.

Il substrato e relativo diaframma sono stati disposti nell'evaporatore termico ad una distanza di 35cm dalla sorgente di tungsteno. Una maschera di configurazione della sorgente, ottenuta con una piastra di rame perforata secondo una configurazione predefinita, con una risoluzione a scala millimetrica, è stata interposta tra la sorgente e il substrato ad una distanza di circa 1 cm dalla sorgente. Grazie a questa disposizione il fattore di riduzione di scala è risultato essere di 3x10<s>. Pertanto, alla distanza di 1 mm sul piano della maschera di configurazione della sorgente corrisponde una distanza immagine di 3,3 nm sul substrato di silicio.

La figura 3B mostra una presentazione SEM di una configurazione di nanostruttura ad alta risoluzione ottenuta per deposizione degli atomi di nichel secondo una configurazione mostrata in figura 3A, determinata dalla maschera 12 con tre fori 16' del diametro di 1 mm, separati da una distanza di 8 mm e dalla membrana di resist 28 (diaframma 26} sospesa ad una distanza di 1 μπι dalla superficie del substrato di silicio, avente una configurazione di apertura o pupilla ad alta risoluzione comprendente un punto centrale 30' della dimensione dì 12 nm, compreso tra due linee interrotte 30 . Schematicamente in figura 3A e sperimentalmente in figura 3B il deposito metallico della nanostruttura 22 mostra tre isole 22' risolte ad una distanza centro-centro di 27 nm come atteso dal rapporto di riduzione di scala e dalla geometria della configurazione macroscopica nella maschera di configurazione della sorgente. In corrispondenza delle regioni delle aperture 30’ è possibile vedere rispettive nanostrutture tridimensionali 22 multilivello ottenute dalla sovrapposizione di tre immagini tra loro sfalsate. Nell'inserto dell'immagine di figura 3B l'intensità misurata lungo la linea di misura tracciata attraverso i punti 22' mostra tre picchi ben risolti, distinguìbili sopra un segnale di sfondo. La presenza del segnale di fondo (direttamente visibile anche in figura) può essere interpretata come indicazione di una diffusione di atomi alla superficie e/o di atomi incidenti sul campione in seguito a deflessione per scattering, indicando la necessità di un'ulteriore riduzione della temperatura del campione e di ulteriore miglioramento del livello di vuoto ottenuto per la fabbricazione della nanostruttura.

Convenientemente, è possibile realizzare un sistema atto ad ottenere una pressione di base dell'ordine di IO<"9>millibar impiegando differenti stadi di pompaggio e sorgenti di evaporazione termica indipendenti con una schermatura a pannello criogenico. Celle di Knudsen possono essere vantaggiosamente utilizzate per la deposizione di materiali organici, mentre può essere prevista una deposizione di materiali anche per ablazione laser. In questo modo il sistema potrebbe garantire una deposizione in sequenza di una ampia classe di materiali secondo una predeterminata configurazione, con l'accuratezza di registrazione a scala nanometrica tra livelli successivi di deposizione, nonché la formazione di configurazioni arbitrarie grazie a al movimento relativo sincronizzato tra substrati e sorgenti durante la deposizione.

E' inoltre possibile ridurre effetti potenzialmente dannosi alla definizione delle nanostrutture dovute alla diffusione superficiale di atomi o molecole incidenti sul substrato mediante raffreddamento dei campioni a temperature criogeniche durante la deposizione.

Per la fabbricazione di membrane di resist configurate, sospese, è preferibilmente utilizzabile una tecnica di litografia da fascio elettronico, nanoimprinting per guanto riguarda la definizione delle aperture ad alta risoluzione nelle membrane sospese, mentre per la definizione delle aree formanti la cavità sottostante nello strato in funzione di spaziatore può risultare conveniente, anche se non strettamente necessario, il ricorso alla litografia ottica o a raggi X.

Nella analisi dei limiti fisici del processo è stato studiato l'effetto di otturazione delle aperture del diaframma. Esso determina in primo luogo una limitazione allo spessore massimo depositabile attraverso pupille ad elevata risoluzione, ma al contempo una vantaggiosa opportunità, se convenientemente controllato, poiché la restrizione progressiva dell'apertura del foro consente di raggiungere risoluzioni ancora migliori di quelle iniziali, dipendenti dalla risoluzione della struttura litografica originaria.

Applicazioni della tecnologia di formazione di nanostrutture oggetto dell<1>invenzione includono, ad esempio, la fabbricazione di dispositivi di memoria, dispositivi elettronici a pochi elettroni, reticoli con passo inferiore a 100 nanometri e profilo tridimensionale arbitrario, strutture plasmoniche risonanti per tecniche di spettroscopia "surface enhanced raman scattering”, fabbricazione di stampi per tecniche litografiche di nanoimprinting, fabbricazione di sagome ad elevata risoluzione di catalizzatori per la crescita di nanofìli e l'autoassemblaggio di nanopartìcelle, nanosensori chimici e biochimici.

In fig. 4 è rappresentato un ulteriore esempio di formazione di nanostrutture in parallelo con registrazione a scala nanometrica su nanodispositivi multimateriale.

L'esempio mostra la possibilità di ottenere una pluralità di dispositivi a partire da un unico oggetto emettitore di atomi, per interposizione di un diaframma comprendente una pluralità di pupille. L'esempio mostra inoltre la possibilità di sovrapposizione di formazioni nanostrutturate per esposizione del medesimo substrato ad una sequenza di sorgenti atomiche/molecolari configurate di differente tipo, allineate a scala millimetrica, in modo tale da ottenere un allineamento a scala nanometrica della immagine sul substrato.

Nel dettaglio, una prima pluralità di formazioni in parallelo 50 a doppio arco semicircolare è formata a partire da una prima sorgente atomica/molecolare (non illustrata} configurata per interposizione di una maschera I2a recante un motivo a doppio arco semicircolare 16a. In un secondo passo di fabbricazione le formazioni 50 sono arricchite di elementi funzionali 52, ottenuti per proiezione del fascio atomico/molecolare di una differente sorgente, configurata per interposizione di una maschera I2b recante un motivo a coppia di aperture circolari affiancate 16b, disposta con allineamento registrato rispetto alla maschera 12a in modo tale da presentare le aperture I6b in corrispondenza delle interruzioni tra gli archi semicircolari 16a.

Una ulteriore variante di attuazione del procedimento oggetto dell'invenzione è data dalla possibilità di operare una sorta di configurazione temporale della sorgente, determinata dall'evoluzione temporale della posizione spaziale di una sorgente puntuale, in luogo di una configurazione spaziale quale ottenibile attraverso una maschera di configurazione di una sorgente atomica o molecolare estesa. Secondo tale variante la disposizione della sorgente puntuale rispetto al substrato è variata in modo sequenziale attraverso un movimento relativo, puramente traslativo, tra sorgente e substrato (in cui la sorgente è movimentata rispetto al substrato o viceversa), così da descrivere un motivo predeterminato. Tale movimento può essere vantaggiosamente controllato via elaboratore in base ad un disegno CAD, in cui la legge oraria di percorrenza del motivo è controllata in retroazione dalla misura di una microbilancia o simile dispositivo rivelatore della crescita della nanostruttura in corso di formazione, in modo tale che si traduca in un controllo locale (punto per punto) dello spessore della nanostruttura lungo il percorso di formazione sul substrato.

Vantaggiosamente, il procedimento ed il sistema oggetto dell'invenzione sono applicabili sia (i) per la crescita di nanostrutture e nanodispositivi per deposizione di materiale, sia (ii) per la formazione di nanostrutture e nanodispositivi in seguito a deposizione di materiale e reazione chimica del suddetto materiale con il substrato o un materiale precedentemente depositato, che dia luogo a composti delle specie chimiche già presenti sul substrato e di quelle depositate, sia ancora (iii) per la formazione di nanostrutture e nanodispositivi in seguito a deposizione di materiale e reazione chimica del suddetto materiale con il substrato o un materiale precedentemente depositato, che dia luogo a composti volatili, producendo in tal modo un effetto di rimozione o etching alla superficie del substrato.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a guanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (20)

1. RIVENDICAZIONI l. Procedimento per la fabbricazione di nanostrutture e nanodispositivi bidimensionali e tridimensionali, caratterizzato dal fatto che comprende: - la predisposizione di (i) un substrato di bersaglio, atto a sostenere la formazione della nanostruttura (del nanodispositivo) per deposizione di materiale, e di (ii) almeno un diaframma di proiezione associato al substrato ad una prima distanza da esso, recante almeno una pupilla a foro sagomato di dimensioni nanometriche; l'emissione, ad una seconda distanza dal substrato di bersaglio, di un fascio atomico/molecolare destinato a formare la nanostruttura (il nanodispositivo), avente una configurazione predeterminata corrispondente, a scala ingrandita, alla configurazione di nanostruttura (nanodispositivo) desiderata; e - la proiezione di detto fascio configurato attraverso la pupilla del diaframma per la formazione sul substrato di una immagine invertita a scala ridotta della configurazione di emissione, in cui detta prima distanza è di dimensioni micrometriche o sub-micrometriche e detta seconda distanza è di dimensioni millimetriche o supermil limetriche .
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, comprendente la configurazione spaziale del fascio atomico/molecolare mediante predisposizione di una sorgente di emissione diffusa ed associata maschera di configurazione interposta tra detta sorgente e il diaframma.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, comprendente la configurazione spaziale del fascio atomico/molecolare mediante predisposizione di una sorgente di emissione estesa secondo un predeterminato motivo di emissione.
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 1, comprendente la configurazione temporale del fascio atomico/molecolare mediante: (i) predisposizione di una sorgente di emissione puntuale; e (iì) variazione nel tempo della disposizione reciproca di sorgente di emissione e del substrato di bersaglio.
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, comprendente una traslazione controllata di detta sorgente di emissione e/o del substrato di bersaglio secondo un motivo predeterminato.
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 4 o 5, comprendente la rivelazione della crescita locale della nanostruttura (del nanodispositivo) sul substrato di bersaglio ed il controllo in retroazione della legge oraria di percorrenza di detto motivo predeterminato .
7. 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui la predisposizione del diaframma di proiezione include: - la deposizione di uno strato distanziatore sacrificale su detto substrato di bersaglio; - la deposizione di uno strato di resist su detto strato distanziatore; - la definizione per via litografica della pupilla del diaframma; e - lo sviluppo e la successiva rimozione di una porzione estesa di detto strato distanziatore sacrificale in una regione di intorno della pupilla, per azione di una sostanza solvente di detto strato suscettibile di penetrare attraverso la pupilla, per cui detto strato di resist è reso una membrana sospesa ad una distanza dal substrato predeterminata dallo spessore di detto strato sacrificale.
8. 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente l'emissione di un fascio atomico/molecolare atto a formare la nanostruttura (il nanodispositivo) per deposizione di materiale.
9. 9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente l<'>emissione di un fascio atomico/molecolare atto a formare la nanostruttura (il nanodispositivo) per deposizione di materiale e reazione chimica del suddetto materiale con il substrato o un materiale precedentemente depositato, così da dar luogo a composti delle specie chimiche presenti sul substrato e depositate.
10. 10. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente 1'emissione di un fascio atomico/molecolare atto a formare la nanostruttura (il nanodispositivo) per deposizione di materiale e reazione chimica del suddetto materiale con il substrato o un materiale precedentemente depositato, cosi da dar luogo a composti volatili suscettibili di essere rimossi da detto substrato.
11. 11. Sistema per la fabbricazione di nanostrutture bidimensionali e tridimensionali, caratterizzato dal fatto che comprende: - un substrato di bersaglio, atto a sostenere la formazione della nanostruttura per deposizione di materiale; - almeno un diaframma di proiezione associato al substrato ad una prima distanza da esso, recante almeno una pupilla a foro sagomato di dimensioni nanometriche; ed - una sorgente di emissione di un fascio atomico/molecolare destinato a formare la nanostruttura, avente una configurazione predeterminata corrispondente, a scala ingrandita, alla configurazione di nanostruttura desiderata e disposta ad una seconda distanza dal substrato di bersaglio; in cui detta prima distanza è di dimensioni micrometriche o sub-micrometriche e detta seconda distanza è di dimensioni millimetriche o supermillimetriche, per cui una quantità di materiale emessa da detta sorgente in uno spazio-oggetto incidente sul diaframma è suscettibile di essere depositata sul substrato di bersaglio in uno spazio-immagine mediante proiezione attraverso la pupilla del diaframma per la formazione di una immagine invertita a scala ridotta della configurazione di emissione.
12. 12. Sistema secondo la rivendicazione 11, in cui la sorgente di emissione configurata comprende una sorgente di emissione diffusa ed una associata maschera di configurazione interposta tra la sorgente diffusa e il diaframma, la quale presenta una o più aperture di configurazione formanti nell'insieme un predeterminato motivo di emissione.
13. 13. Sistema secondo la rivendicazione 11, in cui la sorgente di emissione configurata comprende una sorgente di emissione estesa secondo un predeterminato motivo di emissione.
14. 14. Sistema secondo la rivendicazione il, in cui la sorgente di emissione configurata comprende una sorgente di emissione puntuale la cui disposizione rispetto al substrato di bersaglio è variabile nel tempo.
15. 15. Sistema secondo la rivendicazione 14, comprendente mezzi di movimentazione di detta sorgente di emissione puntuale o del substrato, atti ad attuare una traslazione controllata di detta sorgente e/o del substrato di bersaglio secondo un motivo predeterminato.
16. 16. Sistema secondo la rivendicazione 15, comprendente mezzi rivelatori della crescita locale della nanostuttura sul substrato di bersaglio, accoppiati a detti mezzi di movimentazione per il controllo in retroazione della legge oraria di percorrenza di detto motivo predeterminato.
17. 17. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni Il a 16, in cui il diaframma di proiezione comprende un foro stenopeico di forma circolare .
18. 18. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni il a 16, in cui il diaframma di proiezione comprende un<1>apertura sagomata atta a proiettare un deposito di materiale sul substrato di bersaglio determinato come sovrapposizione di un numero discreto o continuo di immagini della sorgente di emissione reciprocamente sfalsate secondo estensione della sagoma dell'apertura.
19. 19 . Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni il a 16, in cui il diaframma di proiezione comprende una pluralità aperture atte a definire una corrispondente pluralità di nanostrutture affiancate .
20. 20. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni il a 19, in cui il diaframma di proiezione comprende una membrana di resist sospesa rispetto al substrato di bersaglio ad un distanza predeterminata dallo spessore di formazioni distanziatrici, in cui la pupilla del diaframma è ottenibile per via litografica e dette formazioni distanziatrici sono ottenibili attraverso la deposizione su detto substrato di uno strato sacrificale, e lo sviluppo e la successiva rimozione di una porzione estesa di detto strato scarificale in una regione di intorno della pupilla, per azione di una sostanza solvente di detto strato suscettibile di penetrare attraverso la pupilla.