CC BY
42
УДК 535.217: 535.417: 621.793.164
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СУБМИКРОННЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР МЕТОДОМ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО ЛПФХО
Максим Викторович Кузнецов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Разработана методика одностадийного формирования дифракционных решеток с периодом и характерными размерами менее микрона. Экспериментально исследованы процессы формирования субмикронных периодических структур методом интерференционного ла-зерно-индуцированного парофазного химического осаждения (ЛПФХО), в котором на поверхности подложки формируется световая (тепловая) картина в результате двухлучевой интерференции.
Ключевые слова: двухлучевая интерференция, ЛПФХО, дифракционная решетка, субмикронные периодические структуры.
THE PILOT STUDIES PROCESSES OF FORMATION SUBMICRONIC PERIODICAL STRUCTURES BY THE INTERFERENCE LCVD TECHNIQUE
Maxim V. Kuznetsov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., engineer of department of physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
The technique of single-stage formation of the diffraction gratings with the period and the reference sizes less than a micron is developed. Processes of formation of submicron periodic structures are experimentally investigated by the method of interference laser-induced chemical vapor deposition (LCVD), in which on a surface of a substrate the light (hot) pattern is formed as result of a two-beam interference.
Key words: two-beam interference, LCVD, the diffraction grating, submicron periodic structures.
В современной технике, при получении и тиражировании устройств, имеющих размер менее микрона, возникает проблема воспроизведения отдельных элементов как в заданном месте подложки, так и с высокой степенью точности позиционирования относительно друг друга, до единиц и десятков ангстрем.
В настоящее время для решения такого рода задач применяют методы оптической, электронной и ионно-лучевой литографии. Этим методам характерна многостадийность; при оптическом экспонировании в связи с дифракцией света на объективах для получения малых размеров необходимы излучения с малой длиной волны, прибегают к использованию излучений ультрафиолетового или мягкого рентгеновского диапазонов спектра, что требует создания уникальных излучателей и элементов оптических систем.
Одним из способов преодоления дифракционных ограничений при формировании рисунков с минимальными размерами меньше длины волны является использование оптической интерференционной фотолитографии. При двухлу-чевой интерференционной оптической фотолитографии интерференционная картина, экспонирующая слой фоторезиста, формируется без использования фокусирующих объективов при наложении на подложке двух когерентных пучков излучений, получаемых делением пучка излучения одного излучателя. В работах середины 70-х [1-3] представлены результаты теоретического анализа и экспериментов по разработке методов двухлучевой интерференционной фотолитографии с получением одно- и двумерных периодических структур типа решёток.
В настоящем сообщении рассматриваются методы получения топологических рисунков на подложках, также основанные на интерференционном формировании световой картины двумя лазерными пучками, однако субмикронные периодические металлические структуры образуются на подложке в результате лазерно-индуцированного парофазного химического осаждения (ЛПФХО) с на-носекундной длительностью лазерных импульсов. Формирование металлических пленок методом ЛПФХО из летучих металлоорганических соединений рассмотрено в монографии [5]. Актуальность исследований по двулучевому интерференционному пиролизу заключается в возможности создания простой одностадийной технологии получения металлических периодических структур на подложках с микро - и наноразрешением [6].
Функциональная схема экспериментального стенда показана на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема экспериментального стенда двухлучевого интерференционного получения структур дифракционных решеток:
1 - твердотельный импульсный лазер (к = 532 нм); 2 - прозрачные стеклянные
призмы; 3 - вакуумная камера; 4 - капсула с карбонилом рения; 5 - входное прозрачное окно камеры, внутренняя поверхность окна является поверхностью
осаждения металлической плёнки
В качестве основы экспериментального стенда применена оптическая плита, на которую установлен Nd:YAG лазер «Brilliant», работающий в режиме формирования второй гармоники на длине волны 532 нм; частота повторения импульсов 50 Гц, длительность импульса 6 нс.
Четыре стеклянные призмы расположены на плите, как показано на рис. 1. При помощи первых по ходу луча двух призм лазерный луч делился по фронту на две части, а затем сводился в одну точку второй парой призм; использовались призмы из стекла К8, прозрачные на длине волны лазерного излучения. Пройдя систему из четырех призм, свет попадает в вакуумную камеру с давлением около 100 Па. Давление в камере измерялось при помощи термопарной лампы ПМТ-2 и вакуумметра ВИТ-2. Во внутренний объем камеры помещалась капсула, изготовленная из перфорированной металлической фольги, содержащая порошок декакарбонила дирения (химическая формула Re2(CO)10),
-5
объемом 2 мм . При нагревании камеры внешним нагревателем порошок кар-бонила испаряется, парциальное давление паров в рабочем диапазоне температур (50-70) °С достигает 10 Па. Фронтальная часть камеры закрывалась стеклянной пластиной, которая выполняла функции «окна» камеры и подложки одновременно. В результате пересечения двух когерентных лучей формируется объемная область с набором интерференционных максимумов и минимумов, т.к. данную область пересекает тыльная плоскость подложки, то на ней будет формироваться плоский интерференционный рисунок световых максимумов и минимумов.
Период двухлучевой интерференционной картины можно определить с помощью выражения [1]:
Л = —-—, (1)
2 п sin Э
где Л - период двухлучевой интерференционной картины; X - длина волны излучения в вакууме; n - показатель преломления среды; 0 - угол падения излучения на подложку.
При формировании интерференционной картины на поверхности плоской стеклянной пластины показателем преломления в формуле считается показатель воздуха.
В результате фотолитического и пиролитического разложения карбонила в областях интерференционных максимумов на подложке на её второй по ходу луча стороне, обращенной в вакуумную камеру с парами летучего реагента, удалось получить периодический рисунок из полосок рения. (рис. 2, 3). Результат получен при использовании излучения с длиной волны 532 нм, значении 0 = 22°; длительность цикла облучения подложки составила 180 с.
Из рис. 2, 3 видно, что ширина полоски металла составляет примерно половину периода интерференционной картины, толщина слоя металла приблизительно 100 нм; следовательно, в результате эксперимента удалось получить то-
пологическую структуру в виде системы полос металла рения, с шириной одной полосы 350 нм, в одностадийном технологическом процессе.
В отраженном свете полученные образцы демонстрируют оптические дифракционные эффекты, подобно дифракционным решеткам.
Рис. 2. Оптическая фотография периодической структуры металлических полосок, полученных методом двухлучевого интерференционного пиролиза,
период полос 700 нм
- 4 w f A 9 J . 9 4f f . | I ilf'< '
F» ШИН ж MfllJT 1 лЖаП iiffiIf If j'ftl IIiI ¿fit . ^ | flit It /у я Я ■ Ж л ж 7 1 I J f 2 v V 1 | ■ Iff » : J I f t f 4 9' ш ш Я Я Л Ш ff i I II 1 f j 1 III * f ■ 1 f 11 ¿9 Li W x Ж 9 - 1 lisili .in/ T в vf - M А Щ J i J i ф-g if -. LJl ä 4 T ' f ' ! 1 »# 4 f ' • ib 1 Шли Ii IMvI 11 ff 1 j
1 0 *м1 0.3 kU 4.02E3 0201/-01
Рис. 3. Электронный снимок периодической структуры металлических полосок, полученных методом двухлучевого интерференционного ЛПФХО, период полос 700 нм (сканирующий электронный микроскоп Philips SEM 505)
Представленные результаты имеют предварительный характер, исследования продолжаются в направлении получения структур с меньшим периодом, за счёт использования излучения с меньшей длиной волны и увеличения угла падения излучения на подложку.
Таким образом, впервые удалось сформировать структуру металлического рисунка типа дифракционной решетки на подложке при облучении её сквозь подложку, причём в одностадийном технологическом процессе, без применения фотолитографических методов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Won-Tien Tsang, Shyh Wang. Simultaneous exposure and development technique for making grating on positive photoresist // Applied Physics Letters, Vol.24, №4, 1974.
2. Won-Tien Tsang, Shyh Wang. Grating masks suitable for ion-beam machining and chemical etching // Applied Physics Letters, Vol.25, №7, 1974.
3. Won-Tien Tsang, Shyh Wang. Microfabrication of two-dimensional periodic arrays by laser beam interferometric technique // Applied Physics Letters, Vol.27, №2, 1975.
4. Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. - М.: МГУ, 1998. - 656 с.
5. Чесноков В. В., Чесноков Д. В., Резникова Е. Ф. Лазерные наносекундные микротехнологии. - Новосибирск: СГГА, 2003. - 300 с.
6. Чесноков В. В., Чесноков Д. В. Лазерный интерференционный метод термохимического формирования регулярных наноструктур на подложках // Российская конференция и школа по актуальным проблемам полупроводниковой нанофотоэлектроники «Фотоника-2011» (Россия, Новосибирск, 22-26 августа 2011 г.): тез. докл. - Новосибирск: ИФП СО РАН, 2011. - С.80.
© М. В. Кузнецов, 2015
