ナノリソグラフィー

ナノリソグラフィー( NL ) は、さまざまな材料上にナノメートル規模の構造を設計 (エッチング、堆積、書き込み、印刷などのパターン化) するナノテクノロジー内の技術の成長分野です。

^{現代の用語は、10 −9}から 10 ⁻⁶メートルの範囲、つまりナノメートルスケールで構築される構造の設計を反映しています。本質的に、この分野はリソグラフィの派生であり、非常に小さな構造のみをカバーしています。すべての NL 方法は、フォトリソグラフィ、スキャニングリソグラフィ、ソフトリソグラフィ、およびその他のさまざまな技術の 4 つのグループに分類できます。 ^[1]

NLは、ムーアの法則に追いつくために集積回路内のサブマイクロメートル機能（トランジスタ、コンデンサなど）の数を増やす必要性から発展しました。リソグラフィー技術は18世紀後半から存在していましたが、1950年代半ばまでナノスケール構造に適用されたものはありませんでした。半導体産業の発展に伴い、マイクロおよびナノスケール構造を製造できる技術の需要が急増しました。1958年に初めてフォトリソグラフィーがこれらの構造に適用され、ナノリソグラフィーの時代が始まりました。^[2]

それ以来、フォトリソグラフィーは100nm以下のパターンを生成できる最も商業的に成功した技術となった。^[3]この分野にはいくつかの技術があり、それぞれが医療業界や半導体業界での多くの用途に対応するように設計されている。この分野のブレークスルーはナノテクノロジーの進歩に大きく貢献しており、ますます小型のコンピュータチップの需要が高まる今日、ますます重要になっている。さらなる研究分野は、この分野の物理的限界、エネルギーハーベスティング、フォトニクスを扱っている。^[3]

ギリシャ語の「ナノリソグラフィー」という言葉は、3 つの部分に分けられます。「ナノ」は小人、「リス」は石、「グラフィー」は書く、つまり「石に書く小さな文字」を意味します。

2021年現在、フォトリソグラフィーは、マイクロエレクトロニクスおよび半導体デバイスの大量生産で最も頻繁に使用されている技術です。高い生産スループットとパターンの小さなサイズの両方を特徴としています。

光リソグラフィー（またはフォトリソグラフィー）は、ナノリソグラフィー分野で最も重要かつ普及している技術セットの 1 つです。光リソグラフィーにはいくつかの重要な派生技術が含まれており、いずれも非常に短い光の波長を使用して特定の分子の溶解度を変え、それらを溶液中で洗い流して、目的の構造を残します。いくつかの光リソグラフィー技術では、液体浸漬と、位相シフトマスク（PSM）や光近接効果補正（OPC）などの多くの解像度向上技術を使用する必要があります。このセットに含まれる技術には、多光子リソグラフィー、X 線リソグラフィー、光結合ナノリソグラフィー（LCM）、極端紫外線リソグラフィー（EUVL）などがあります。^{[3]この最後の技術は、30 ナノメートル未満の構造を高いスループットで正確に生成できるため、最も重要な}次世代リソグラフィー（NGL）技術と見なされており、商業目的で実行可能なオプションとなっています。

量子光リソグラフィー（QOL）は、赤色レーザーダイオード（λ = 650 nm）を使用して光学的に1nmの解像度^{[4]で書き込むことができる回折無制限の方法である。幾何学的図形や文字などの複雑なパターンは、レジスト基板上に3nmの解像度[5]}で得られた。この方法は、20nmの解像度でナノパターングラフェンに適用された。^[6]

電子ビームリソグラフィー（EBL）または電子ビーム直接描画リソグラフィー（EBDW）は、電子感応膜またはレジスト（PMMAやHSQなど）で覆われた表面上に集中した電子ビームをスキャンして、カスタム形状を描画します。レジストの溶解度を変え、続いて溶媒に浸して材料を選択的に除去することで、10 nm未満の解像度が達成されています。この形式の直接描画マスクレスリソグラフィーは解像度が高くスループットが低いため、シングルカラム電子ビームはフォトマスクの製造、半導体デバイスの少量生産、および研究開発に限定されています。マルチ電子ビームアプローチの目標は、半導体の大量生産のスループットの向上です。EBLは、超高感度センシングを目的とした固体基板上の選択的なタンパク質ナノパターニングに利用できます。^{[7] EBL用のレジストは、}逐次浸透合成（SIS） を使用して硬化できます。

走査プローブリソグラフィー（SPL）は、走査プローブを使用して、不要な材料をエッチングするか、新しい材料を基板上に直接書き込むことによって、ナノメートルスケールで個々の原子に至るまでパターンを形成するための別の一連の技術です。このカテゴリの重要な技術には、ディップペンナノリソグラフィー、熱化学ナノリソグラフィー、熱走査プローブリソグラフィー、および局所酸化ナノリソグラフィーが含まれます。ディップペンナノリソグラフィーは、これらの技術の中で最も広く使用されています。^[8]

この技術は、高エネルギー（MeV）陽子の集束ビームを使用してナノ寸法でレジスト材料をパターン化し、100nmをはるかに下回る高解像度のパターンを生成できることが実証されています。^[9]

この一連の技術には、イオンおよび電子投影リソグラフィーが含まれます。イオンビームリソグラフィーは、高エネルギーの軽量イオン（He ^{+など）の}集束ビームまたは幅広いビームを使用して、パターンを表面に転写します。イオンビーム近接リソグラフィー（IBL）を使用すると、ナノスケールの特徴を非平面表面に転写できます。^[10]

ソフトリソグラフィーでは、ポリジメチルシロキサンなどのさまざまな化合物から作られたエラストマー材料を使用します。エラストマーは、スタンプ、モールド、またはマスク（フォトマスクに類似）の作成に使用され、マイクロパターンとマイクロ構造を生成するために使用されます。^[11]以下に説明する技術は1段階に限定されています。同じ表面でのパターン形成は、位置ずれの問題により困難です。ソフトリソグラフィーは、金属堆積とエッチングを補完しないため、半導体ベースのデバイスの製造には適していません。これらの方法は、化学パターン形成によく使用されます。^[11]

ナノインプリントリソグラフィー（NIL）とその変種であるステップアンドフラッシュインプリントリソグラフィーやレーザーアシストダイレクトインプリント（LADI）は、インプリントレジスト（通常はインプリント中に熱または紫外線で硬化するモノマーまたはポリマー形成物）の機械的変形によってパターンを作成する有望なナノパターン複製技術です。 ^{[引用が必要]この技術は}、接触印刷や冷間溶接と組み合わせることができます。ナノインプリントリソグラフィーは、10 nm未満のレベルでパターンを生成できます。^{[引用が必要]}

磁気リソグラフィー (ML) は、「磁気マスク」と呼ばれる常磁性金属マスクを使用して基板に磁場をかけることに基づいています。フォトマスクに類似した磁気マスクは、適用された磁場の空間分布と形状を定義します。2 番目のコンポーネントは、磁気マスクによって誘導された磁場に従って基板上に組み立てられる 強磁性ナノ粒子 (フォトレジストに類似) です。

ナノファウンテンプローブは、プログラムされた動作パターンに従ってリザーバーから基板上に化学物質の狭い軌跡を堆積させる万年筆に似た概念を持つマイクロ流体デバイスです。 ^[12]

ナノスフィアリソグラフィーは、自己組織化単分子膜球（典型的にはポリスチレン製）を蒸着マスクとして使用する。この方法は、正確に制御された間隔で金ナノドットのアレイを製造するために使用されている。^[13]

中性粒子リソグラフィー（NPL）は、表面へのパターン転写に高エネルギー中性粒子の幅広いビームを使用する。^[14]

プラズモニックリソグラフィーは表面プラズモン励起を利用して回折限界を超えたパターンを生成し、表面プラズモンポラリトンの波長以下の場の閉じ込め特性を活用します。^[15]

ステンシルリソグラフィーは、ナノメートルサイズの開口部をシャドウマスクとして使用して、ナノメートル規模のパターンを製造するレジストレスの並列方法です。