Фотолитографический интерференционный способ создания наноразмерных двумерно-периодических структур на светочувствительном образце произвольной площади



Фотолитографический интерференционный способ создания наноразмерных двумерно-периодических структур на светочувствительном образце произвольной площади
Фотолитографический интерференционный способ создания наноразмерных двумерно-периодических структур на светочувствительном образце произвольной площади
Фотолитографический интерференционный способ создания наноразмерных двумерно-периодических структур на светочувствительном образце произвольной площади
Фотолитографический интерференционный способ создания наноразмерных двумерно-периодических структур на светочувствительном образце произвольной площади

 


Владельцы патента RU 2548943:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики РАН (RU)

Использование: для изготовления рельефных поверхностей. Сущность изобретения заключается в том, что фотолитографический интерференционный способ включает в себя формирование трех когерентных пучков света и получение их двумерно-периодической картины интерференции, первые два когерентных пучка формируют в одной плоскости падения, а третий пучок формируют в плоскости, перпендикулярной первой, интенсивность первых двух пучков одинаковая, а интенсивность третьего пучка в два раза больше, чем интенсивность первого пучка. Технический результат: обеспечение возможности получения бездефектных наноразмерных двумерно-периодических структур. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к способам экспонирования при фотолитографическом изготовлении рельефных поверхностей и может быть использовано для создания хорошо позиционированных элементов для полупроводниковой техники, образцовых структур для нанометрологии, фильтрации, кодирования и преобразования оптических сигналов, текстурирования материалов для солнечных элементов, повышения эффективности фотокаталитических процессов и др.

В последние годы наблюдается увеличение интереса к фотолитографическим интерференционным технологиям создания наноразмерных периодических структур на большой площади [1-4]. Это связано с различными областями применений таких структур в дисплеях, гибких электронных устройствах, солнечных батареях, спектроскопии астрономических объектов и др. Надо отметить, что в большинстве исследований в этом направлении не уделяется внимания возможному появлению дефектов, например нарушению периодичности изготовленных рельефных структур. Наличие дефектов особенно нежелательно при производстве хорошо позиционированных наноразмерных элементов для электронных устройств.

Известны интерференционные фотолитографические способы создания наноразмерных периодических структур на большой поверхности (см., например, заявка на патент США US 2010/0216075 A1, публ. 26.08.2010 и патенты США US 6556280, публ. 29.04.2003, US 5759744, публ. 02.06.1998). Для решения этой задачи в техническом решении по заявке US 2010/0216075 МПК G03F 7/20 (2006.01) используют особое перемещение образца, на котором требуется получить наноразмерную периодическую структуру, с высокой точностью, а для создания двумерных структур используют две экспозиции с прецизионным поворотом подложки на угол 90°.

В технических решениях по патентам US 6556280 и US 5759744 для решения той же задачи используют интерференцию четырех или трех расходящихся когерентных лазерных пучков. Использование расходящихся пучков приводит к изменению периода изготавливаемой структуры в пространстве, что совсем не обсуждают авторы. Во всех упомянутых способах аналогах для экспозиции используют излучение непрерывных лазеров, что приводит к большим временам экспозиции и необходимости сложной вибро- и термостабилизации. При использовании интерференции четырех пучков в этих патентах не обсуждаются вопросы необходимой точности настройки углов падения для создания структур без дефектов, как это показано в работах [5-7].

При использовании для интерференции четырех пучков стоячая волна излучения описывается шестью пространственными частотами, которые получаются из всех возможных вариантов разницы волновых векторов k n k m . В общем случае шесть пространственных частот дают сложную картину биений. (Типичная картина биений в поле стоячей волны при интерференции четырех пучков показана на фиг.4). Для того чтобы картина интерференции стала строго пространственно периодической, необходимо обеспечить равенство углов падения для лучей, расположенных в одной плоскости падения. Это равенство необходимо обеспечить с точностью ~λ/d. При выполнении условия равенства углов падения остаются только три пространственных частоты.

Теоретические и экспериментальные исследования, приведенные в работах [5-7], показывают, что при интерференции четырех пучков возникают дефекты в периодической структуре в виде биений нескольких близких пространственных частот. Для того чтобы этих дефектов не было, на всем поперечном размере d интерферирующих пучков необходимо выполнить равенство углов падения с точностью ~λ/d. Обеспечить такую точность для d>1 см практически невозможно [7].

При использовании для интерференции трех когерентных пучков дефекты, вызванные биениями нескольких близких пространственных частот, отсутствуют. Три интерферирующих пучка обычно располагают симметрично относительно нормали к поверхности регистрации (под углом 120° друг к другу), как в техническом решении по патенту США US 6556280 (фиг.4a), МПК G03F 7/20, который выбран в качестве прототипа. В прототипе, как один из вариантов, рассматривается способ получения наноразмерных двумерно-периодических структур на светочувствительном материале на основе интерференции трех когерентных пучков, формируемых с использованием одномодовых оптических волокон (см. фиг.7b в том же патенте). Использование оптических волокон для организации условий интерференции позволяет в прототипе упростить процесс автоматической настройки оптической схемы.

Недостатком способа прототипа является то, что использование симметричной схемы падения трех когерентных пучков на поверхность образца не при всех возможных углах падения позволяет выбрать требуемые плоскости поляризации пучков и это обуславливает уменьшение контраста в стоячей волне [9], что приводит к искажениям в создаваемых наноразмерных двумерно-периодических структурах. Это неприемлемо при изготовлении высокоразрешающих спектральных устройств и точно позиционированных наноразмерных элементов для полупроводниковой электроники.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является получение бездефектных наноразмерных двумерно-периодических структур на светочувствительном материале произвольной (большой) площади при интерференции трех когерентных пучков света.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что в разработанном способе, так же как в известном фотолитографическом интерференционном способе создания наноразмерных двумерно-периодических структур на светочувствительном образце произвольной площади, выбранном в качестве прототипа, формируют три когерентных пучка света, направляют их на выбранный участок светочувствительного образца и получают их двумерно-периодическую картину интерференции в поле стоячей волны на светочувствительном образце.

Новым в предлагаемом изобретении является то, что первые два когерентных пучка света формируют в одной плоскости падения, а третий пучок формируют в плоскости, перпендикулярной первой, при этом интенсивности первых двух пучков выбирают одинаковыми, а интенсивность третьего пучка выбирают в два раза больше, чем интенсивность первого пучка.

Как установлено автором, такое формирование интерферирующих пучков обеспечивает близкие направления поляризации всех трех пучков, и как следствие, максимальный контраст интерференционной картины в поле стоячей волны, что позволяет получить на светочувствительном образце двумерно-периодическую структуру без дефектов.

В первом частном случае реализации предлагаемого способа для создания двумерно-периодической картины интерференции с высокой стабильностью периодов целесообразно использовать интерференцию трех когерентных пучков с плоскими волновыми фронтами.

Во втором частном случае реализации предлагаемого способа целесообразно при разделении исходного лазерного излучения на три когерентных пучка использовать четное количество отражений для каждого из когерентных пучков, например два отражения или четыре.

В третьем частном случае реализации предлагаемого способа целесообразно поляризации пучков выбирать в зависимости от их углов падения на плоскость светочувствительного материала.

В четвертом частном случае реализации предлагаемого способа целесообразно для создания двумерно-периодической картины интерференции использовать одну экспозицию.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена предложенная схема несимметричного расположения трех пучков света относительно нормали к образцу со светочувствительным материалом.

На фиг.2 представлена упрощенная схема осуществления предлагаемого способа, а именно схема разделения исходного лазерного излучения на три когерентных пучка и сведения их для интерференции на светочувствительном образце, позволяющая производить наилучший выбор поляризации когерентных пучков.

На фиг.3 представлено изображение с атомно-силового микроскопа участка на поверхности образца арсенида галлия GaAs после воздействия трех когерентных пучков УФ излучения при несимметричном расположении пучков относительно нормали к упомянутому образцу.

На фиг.4 представлено изображение с атомно-силового микроскопа участка на поверхности образца GaAs после воздействия четырех когерентных пучков УФ излучения при недостаточно точной настройке углов падения пучков.

При использовании для интерференции трех когерентных пучков стоячая волна изначально описывается тремя пространственными частотами, которые в пространстве определяются тремя комбинациями волновых векторов k 1 k 2 , k 2 k 3 , k 3 k 1 . Теоретически эти комбинации возникают при расчете совместной интенсивности трех интерферирующих когерентных пучков ( E 1 + E 2 + E 3 ) ( E 1 + E 2 + E 3 ) * (знак * означает комплексное сопряжение).

Для того чтобы обеспечить наилучшие условия для интерференции трех когерентных пучков и прямоугольную симметрию картины интерференции автором предложено использовать несимметричную схему расположения трех пучков относительно нормали к светочувствительному образцу, как показано на фиг.1. В плоскости (x-y) установлен образец 4 из светочувствительного материала, на котором необходимо изготовить двумерно-периодическую наноструктуру. Оси пучков 1 и 2 располагаются в плоскости z-y, а ось пучка 3 находится в плоскости z-x. Плоскости поляризации пучков выбираются в зависимости от углов падения. Если углы падения менее 60°, то пучки 1 и 2 поляризованы перпендикулярно плоскости z-y, пучок 3 поляризован в плоскости z-x. При углах падения более 60° все лучи поляризованы в своих плоскостях падения.

На фиг.2 представлена упрощенная схема осуществления предлагаемого способа, а именно показан вариант разделения исходного лазерного пучка на три когерентных пучка 1, 2, 3 и сведения их для интерференции на светочувствительном образце 4.

Диэлектрические зеркала 5 и 10 имеют коэффициент отражения ~50%, зеркала 6-9 и 11-13 имеют коэффициент отражения ~99%. Использование зеркал 6, 7 позволяет выбрать оптимальную плоскость поляризации третьего пучка 3.

С помощью устройства, представленного на фиг.2, разработанный способ реализуют следующим образом.

Для получения трех когерентных пучков света исходный лазерный пучок направляют на систему из девяти зеркал, представленную на фиг.2. Первые два 1-й и 2-й когерентные пучки формируют в одной плоскости падения, например z-y (см. фиг.1), при этом поляризации этих пучков параллельны плоскости z-x. Третий пучок формируют в плоскости, перпендикулярной первой, то есть в z-x, при этом поляризация этого пучка зеркалами 6 и 7 также выбирается в плоскости z-x, что позволяет, в отличие от способа прототипа, избавиться от присутствия компоненты бегущей волны и получить устойчивую контрастную структуру стоячей волны на светочувствительном образце 4. Как установлено автором, для получения высокого контраста в двумерной стоячей волне по данной схеме необходимо сделать интенсивности первого и второго лучей одинаковыми, а интенсивность третьего луча выбрать в два раза больше. Таким образом, использование предложенной схемы интерференции обеспечивает создание хорошо позиционированных двумерно-периодических структур (см. фиг.3), то есть позволяет решить поставленную задачу.

В первом частном случае реализации предлагаемого способа для создания двумерно-периодической картины интерференции с высокой стабильностью периодов используют интерференцию трех когерентных пучков с плоскими волновыми фронтами, то есть пучки с дифракционным качеством расходимости Δψ~λ/d. При использовании, как в прототипе, расходящихся пучков происходит линейное и квадратичное изменение (см. фиг.4) в пространстве периодов стоячей волны, то есть появляются дефекты в периодичности изготовленных рельефных структур [8].

Во втором частном случае реализации предлагаемого способа для дополнительной компенсации возможных фазовых искажений в пучке используют четное количество отражений для каждого из трех когерентных пучков, например два или четыре отражения от плоских зеркал.

В третьем частном случае реализации предлагаемого способа для повышения эффективности интерференции выбирают поляризации пучков в зависимости от их углов падения на плоскость светочувствительного образца.

В четвертом частном случае для создания на большой площади двумерно-периодической структуры в виде наноразмерных бугорков или ямок на фоне плоской поверхности образца используют одну экспозицию.

Таким образом, в разработанном фотолитографическом интерференционном способе для создания наноразмерных двумерно-периодических структур без дефектов предлагается использовать интерференцию трех несимметрично расположенных пучков когерентного излучения с плоскими волновыми фронтами и с соотношением между интенсивностями пучков: 1:1:2.

Литература

1. Design and analysis of a scanning beam interference lithography system for patterning gratings with nanometer-level distortions. Paul Thomas Konkola. MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY, June 2003.

2. Some application cases and related manufacturing technigues for optical functional micro-structures on large areas. A. Gombert and others, Opt. Eng. 43(11), 2525-2533, 2004.

3. METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING PERIODIC PATTERNS BY STEP-AND-ALIGN INTERFERENCE LITHOGRAPHY, United States Patent Application 20100216075, August 26, 2010.

4. Methods and apparatus for lithography of sparse arrays of sub-micrometer features United States Patent 5759744, June 2, 1998.

5. Line defects in two-dimensional four-beam interference patters. C. Tan, C.S. Peng, V.N. Petryakov, Yu.K. Verevkin. J. Zhang, Z. Wang, S.M. Olaizola, T. Berthou, S. Tisserand, M. Pessa, New Journal of Physics, 10, 2008, 023023.

6. Когерентное воздействие на поверхность четырех пучков излучения XeCl-лазера. В.И. Бредихин, Ю.К. Веревкин, Э.Я. Дауме, С.П. Кузнецов, О.А. Мальшакова, В.Н. Петряков, Н.В. Востоков, Н.И. Полушкин, Квантовая электроника, том 30(4), с.333-336, 2000.

7. Effects of phase shifts on four-beam interference patterns. Andres Fernandez, Don W. Pfillion, Appl. Opt. vol.37, No.3, pp.473-478. 1998.

8. Analysis and creation of chirped gratings with interference of two laser beams, Yu.K. Verevkin, E.Ya. Daume, V.N. Petryakov, A.Yu. Klimov, B.A. Gribkov, Yu.Yu. Gushchina, J. Opt. A. Pure Appl. Opt.9 (7), pp.568-572, (2007).

9. Three-beam-interference lithography: Contrast and crystallography. Stay, J.L.; Gaylord, Т.К. Appl. Opt. 2008, 47, 3221-3230.

1. Фотолитографический интерференционный способ создания наноразмерных двумерно-периодических структур на светочувствительном образце произвольной площади, включающий в себя формирование трех когерентных пучков света и получение их двумерно-периодической картины интерференции в поле стоячей волны на светочувствительном образце, отличающийся тем, что первые два когерентных пучка формируют в одной плоскости падения, а третий пучок формируют в плоскости, перпендикулярной первой, при этом интенсивности первых двух пучков выбирают одинаковыми, а интенсивность третьего пучка выбирают в два раза больше, чем интенсивность первого пучка.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания двумерно-периодической картины интерференции с высокой стабильностью периодов и без дефектов используют интерференцию трех когерентных пучков с плоскими волновыми фронтами.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при разделении исходного лазерного излучения на три когерентных пучка используют четное количество отражений для каждого из пучков, например два.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что поляризации пучков выбирают в зависимости от их углов падения на поверхность светочувствительного образца.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что для создания двумерно-периодической картины интерференции используют одну экспозицию.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области микролитографии. Рисунок преобразуют в растр в цифровой форме и записывают информацию об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и касается способа формирования канала для передачи оптического сигнала между электронными модулями на одной печатной плате.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа записи изображений. Способ включает в себя формирование на подложке светочувствительного слоя из наноалмазной пленки и облучение наноалмазной пленки сфокусированным излучением лазера по заданной программе с целью получения нужного изображения.

Изобретение относится к носителям информации. Предложен носитель информации, последовательно включающий в себя подложку, выбранную из покрытой полимером бумаги, синтетической бумаги и пластмассовых пленок, первый краскоприемный слой и второй краскоприемный слой, причем первый краскоприемный слой содержит по меньшей мере одно вещество, выбранное из оксида алюминия, гидрата оксида алюминия и высокодисперсного диоксида кремния, поливиниловый спирт и борную кислоту, причем массовое соотношение содержания борной кислоты и поливинилового спирта в первом краскоприемном слое составляет 2,0% масс.

Изобретение относится к светочувствительным негативным полимерным композициям, подходящим для образования тонкой структуры фотолитографическим способом. Предложена светочувствительная негативная полимерная композиция, содержащая (a) содержащее эпоксидные группы соединение, (b) первую ониевую соль, содержащую структуру катионной части, представленную формулой (b1), и структуру анионной части, представленную формулой (b2), и (c) вторую ониевую соль, содержащую структуру катионной части, представленную формулой (c1), и структуру анионной части, представленную формулой (c2).

Настоящее изобретение относится к полиуретановому составу для получения голографических сред, включающему: (A) полиизоцианатную компоненту, содержащую по крайней мере один полиуретановый форполимер с концевой изоцианатной группой с функциональностью по изоцианатным группам от 1,9 до 5,0, у которого изоцианатная группа связана с первичным алифатическим остатком и который основан на соединениях с гидроксильными функциональными группами с функциональностью по гидроксильным группам от 1,6 до 2,05, (Б) реагирующие с изоцианатами простые полиэфирные полиолы, (B) уретановые акрилаты и/или уретановые метакрилаты с по меньшей мере одной ароматической структурной единицей и с коэффициентом преломления более 1,50 при 405 нм, которые свободны от изоцианатных групп и гидроксильных групп, (Г) радикальные стабилизаторы, (Д) фотоинициаторы на основе сочетаний боратных солей и одного или нескольких красителей с полосами поглощения, которые по крайней мере частично покрывают область спектра от 400 до 800 нм, (Е) в случае необходимости катализаторы и (Ж) в случае необходимости вспомогательные вещества и добавки.

Изобретение относится к области нанотехнологии, описывает способ электрохимического структурирования поверхности материалов и может быть использовано при изготовлении элементов микроэлектроники, однослойных и многослойных печатных плат, оптических элементов, а также других тонкопленочных структур.

Изобретение относится к светочувствительной полимерной композиции, пригодной для получения различных микроустройств для микроэлектромеханических систем и других систем, а также к способу получения структуры и к головке для подачи жидкости.

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и предназначено для нанесения фотолитографического рисунка на рабочую поверхность цилиндрических диафрагм оптико-механического блока в сканирующем устройстве для выработки кодового сигнала управления ориентацией по Солнцу космических аппаратов.

Настоящее изобретение относится к полиуретановому составу для получения голографических сред. Данный состав включает: A) полиизоцианатный компонент; B) изоцианат-реакционно-способный компонент, включающий, по меньшей мере, 50 вес.% в расчете на общую смесь B) полиэфирполиолов В1) со среднечисленными молекулярными весами больше 1000 г/моль, которые имеют показатель преломления nD 20<1,55 и содержат одно или несколько оксиалкильных звеньев формул (I)-(III): -СН2-СН2-О- (I) -CH2-CH(R)-O- (II) -СН2-СН2-СН2О- (III), при этом R является алкильным или арильным остатком, который может быть замещен или прерван гетероатомами; C) соединения, которые имеют показатель преломления nD 20>1,55 и содержат группы, реагирующие при действии актиничного излучения с этилен-ненасыщенными соединениями с полимеризацией (отверждаемые излучением группы), и сами не содержат NCO-групп; D) стабилизаторы радикалов; E) фотоинициаторы; F) при необходимости катализаторы; G) при необходимости вспомогательные вещества и добавки.

Использование: для рентгеноспектрального определения размеров наночастиц в образце. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют последовательное облучение в режиме прохождения и в режиме отражения исследуемой области образца пучками монохроматизированных рентгеновских лучей с энергией, соответствующей их минимальному и максимальному поглощению вблизи К-краев поглощения рентгеновского излучения атомами элементов, входящих в состав исследуемой области образца, регистрацию кривых малоуглового рассеяния рентгеновских лучей в режиме прохождения при первом и втором взаимно перпендикулярных положениях образца и в режиме отражения от исследуемой области образца при вращении образца в плоскости регистрации и при неподвижном кристалле-монохроматоре и определение размеров наночастиц по форме кривых малоуглового рассеяния рентгеновских лучей.

Изобретение относится к измерительной технике. С его помощью представляется возможным расширить температурный диапазон работы датчика на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы, повысить воспроизводимость таких параметров тензорезисторов, как электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления, снизить температурную чувствительность датчиков.
Изобретение может быть использовано для изготовления супермногослойных листовых полуфабрикатов на основе разнородных материалов. В качестве исходных заготовок используют листы из сплавов разнородных металлов, взаимно растворимых друг в друге в интервале температуры нагрева при горячей обработке давлением.
Изобретение относится к способам удаления формальдегида путем каталитического окисления кислородом и может быть использовано для очистки сточных вод в нефтехимической, медицинской, химической и фармацевтической промышленности.
Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при получении стабильных дисперсий в органических растворителях и изготовлении полимерных композитов.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для получения интенсивной пластической деформации (ИПД) заготовки. Способ включает осадку и последующее кручение заготовки с обеспечением деформации сдвига.

Изобретение относится к области получения наноразмерных частиц серебра и может быть использовано в технологиях, связанных с применением ультрадисперсных порошков серебра.

Изобретение относится к области химии, а именно к полимерным порошковым композициям для супергидрофобного покрытия и способам получения супергидрофобных покрытий.

Изобретение относится к области химии высокомолекулярных соединений, конкретно к нано- и гибридным функциональным материалам. Мембрана получена из полимерного материала с преобладающей проницаемостью для метанола.

Изобретение относится к технологии изготовления слоев пористого кремния, выполненных на поверхности монокристаллического кремния, которые могут быть использованы в оптике и оптоэлектронике.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности, косметике и медицине при изготовлении косметических средств, лекарств, антиоксидантов, антимикробных средств, радиопротекторов, соединений для доставки генного материала. Водную нанодисперсию фуллерена получают растворением кристаллов фуллерита C60 в N-метилпирролидоне. Полученный раствор смешивают с водой и стабилизатором, в качестве которого используют аминокислоту, моносахарид, пептид, поливинилпирролидон или глицерин. Затем проводят диализ полученной смеси. После диализа раствор можно концентрировать, например, путем упаривания в вакууме. Упрощается процесс за счёт исключения предварительного измельчения кристаллов фуллерена, ультразвуковой обработки, нагревания. Процесс безопасен за счёт исключения токсичных растворителей. 1 з.п. ф-лы, 26 ил., 4 пр.
Наверх