Научная статья на тему 'Исследование режима динамической силовой литографии в системе «Металл-полимер»'

Исследование режима динамической силовой литографии в системе «Металл-полимер» Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
149
38
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ / SCANNING FORCE MICROSCOPE / ЛИТОГРАФИЯ / LITHOGRAPHY

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Пинаев Александр Леонидович, Стовпяга Александр Владимирович

Предлагается простая и недорогая технология создания проводящих структур с пониженной размерностью на основе применения метода динамической силовой литографии (ДСЛ) к системе «металл полимер». Приводятся результаты локальной ДСЛ-модификации поверхности поликарбоната и поликарбоната, покрытого алюминиевой пленкой, с использованием вольфрамового нанозондов с радиусом порядка 100 нм. Результаты модификации анализируются с помощью сканирующего зондового и растрового электронного микроскопов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Пинаев Александр Леонидович, Стовпяга Александр Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Research of dynamic force lithography mode in system "metal-polymer"

The simple and inexpensive technology of conducting structures creation with the lowered dimension on the basis of dynamic force lithograph (DFL) method application to system «metal polymer» is offered. Results of local DFL modifications of polycarbonate surface and polycarbonate covered with aluminum film (Al) with tungsten nanoprobes and radius about 100 nanometers are given. Modification results are analyzed by means of scanning probe and raster electronic microscopes.

Текст научной работы на тему «Исследование режима динамической силовой литографии в системе «Металл-полимер»»

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА ДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ ЛИТОГРАФИИ ...

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

УДК 53.084.2

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА ДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ ЛИТОГРАФИИ В СИСТЕМЕ «МЕТАЛЛ - ПОЛИМЕР»

А.Л. Пинаев, А.В. Стовпяга

Предлагается простая и недорогая технология создания проводящих структур с пониженной размерностью на основе применения метода динамической силовой литографии (ДСЛ) к системе «металл - полимер». Приводятся результаты локальной ДСЛ-модификации поверхности поликарбоната и поликарбоната, покрытого алюминиевой пленкой, с использованием вольфрамового нанозондов с радиусом порядка 100 нм. Результаты модификации анализируются с помощью сканирующего зондового и растрового электронного микроскопов.

Ключевые слова: сканирующая зондовая микроскопия, литография.

Введение

Методы микро- и наномодификации материалов вызывают большой интерес, поскольку они во многом определяют развитие нанотехнологий. Известны методы ультрафиолетовой, рентгеновской, электронной или ионной литографии, основанные на взаимодействии фотонов, электронов или ионов с веществом. Существуют также методы сканирующей зондовой литографии (СЗЛ), использующие взаимодействие твердотельного нанозонда с поверхностью модифицируемого объекта. В основе СЗЛ лежит возможность концентрации в области наноконтакта токов большой плотности, высоких электрических полей и механических давлений. В этих условиях активизируется целый ряд явлений, таких как локальный разогрев, пластическая деформация, поляризация, полевое испарение, массоперенос за счет ионных токов в электролите и электрохимические реакции, в том числе реакции окисления. Раздельное или совместное действие этих факторов используется для наномодификации материалов в различных режимах СЗЛ.

Целью работы было исследование режима динамической силовой литографии (ДСЛ) на поверхности полимеров с металлическим покрытием. Метод ДСЛ легко реализуется на основе недорогих и доступных сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) с пьезорезонансными датчиками силового взаимодействия [1]. В некоторых приложениях он успешно конкурирует с дорогостоящими методами электронной или ионной литографии, позволяя создавать рисунок на поверхности образца с характерными размерами в несколько десятков нанометров. Известно, что ДСЛ с использованием вольфрамовых нанозондов хорошо работает на поверхности полимеров, таких, например, как поликарбонат [2]. Представляется весьма интересным распространить этот метод на тонкие металлические пленки с целью создания проводящих структур с пониженной размерностью. Мы выбрали систему «металл - полимер», чтобы исключить разрушение вольфрамового зонда в процессе ДСЛ.

Методика проведения эксперимента

Исследование метода ДСЛ в системе «металл - полимер» проводилось в СЗМ «КапоЕёиса1»г». Суть метода ДСЛ состоит в следующем. Создается цифровой шаблон, в котором зафиксированы координаты X, У и величина модифицирующего воздействия. В полуконтактном силовом режиме осуществляется сканирование зондом. На прямом

5

ходе сканирования в заданных точках производится локальное силовое воздействие на поверхность объекта путем подачи на пьезосканер импульса напряжения, приводящего к перемещению образца вдоль координаты 2 по направлению к зонду (рис. 1).

Рис. 1. Схема процесса ДСЛ: У - усилитель сигнала с датчика; Г - генератор раскачивания пьезотрубки датчика; СД - синхродетектор; ДУ - дифференциальный усилитель; Р - регулятор; К - контроллер; X - сумматор (суммирует сигнал обратной связи и импульсы перемещения образца вверх по оси Т, значение амплитуды и частоты которых таково, что система обратной связи не успевает отрабатывать вертикальное перемещение); У(х), У(у), У (г) - усилители перемещения сканера

Величина силового воздействия определяется амплитудой импульса напряжения. Длительность импульса воздействия * выбирается из условия * > 1/1,

где / - резонансная частота колебаний сканера вдоль координаты 2. В противном случае сканер не успеет произвести заданное перемещение. На обратном ходе сканирования производится визуализация результатов модификации. Величину механического давления т в точке касания нанозонда с поверхностью объекта модификации можно оценить как

Ыё/2

т = ■

2 Я2

где М - масса перемещающейся части сканера с образцом, ё - амплитуда смещения сканера, Я - радиус зонда. Смещение сканера можно получить из выражения

ё=аи,

где а - чувствительность сканера по координате 2, и - амплитуда импульса напряжения воздействия. Тогда условие оптимальной реализации режима ДСЛ будет иметь вид

Тр > т > Ts ,

где тр - напряжение пластической деформации зонда, т - напряжение пластической деформации образца. Исходя из этой модели, подбирались оптимальные параметры для ДСЛ и выполнялась модификация поверхности поликарбоната. В качестве объекта модификации выбирался фрагмент лазерного диска размером 5x5 мм, который размещался на рабочем столике СЗМ «NanoEducator».

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА ДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ ЛИТОГРАФИИ

Результаты эксперимента

На рис. 2 представлен результат модификации поверхности лазерного диска методом ДСЛ при с1 = 100 нм, I = 100 мкс и шаге сканирования 40 нм. Использовался зонд из вольфрама с радиусом Я порядка 100 нм. Из рис. 2 видно, что глубина каналов на поверхности поликарбоната, полученных методом ДСЛ, составляет 40 нм.

Рис. 2. Результат модификации поверхности лазерного диска методом ДСЛ: а - шаблон, б - СЗМ изображение поверхности после модификации, в - анализируемая канавка, г - сечение канавки

Для исследования метода ДСЛ в системе «металл - полимер» использовался фрагмент от металлизированного участка того же лазерного диска. Известно, что на металлизированном участке диска поликарбонат покрыт алюминиевой пленкой толщиной порядка 100 нм. Из рис. 3 видно, что метод ДСЛ может работать в системе «металл - полимер». Получены достаточно ровные края каналов с глубиной порядка 250 нм. Вместе с тем полного воспроизведения шаблона методом ДСЛ в системе «металл - полимер» получено не было.

Модифицированная поверхность образца металлизированного поликарбоната была исследована в растровом электронном микроскопе (РЭМ) (рис. 4)

Отметим, что РЭМ-изображения металлизированной поверхности поликарбоната до ДСЛ-модификации имели устойчивый характер и представляли собой гладкие поверхности с однородным контрастом. В то же время РЭМ-изображения модифициро-

ванных образцов были неустойчивыми во времени (расплывались и искажались). Контраст изображения был неоднородным, наблюдались отдельные яркие линии.

¿¡Г мкм

а б

Рис. 3. Результат модификации металлизированной поверхности лазерного диска: а - СЗМ-изображение поверхности после модификации, б - сечение канавки (1 - расстояние между точками: по оси х = 511 нм, по оси г=24 нм; 2 - расстояние между точками: по оси х = 190 нм, по оси г=250 нм)

Рис. 4. РЭМ-изображение металлизированной поверхности поликарбоната, модифицированной методом ДСЛ

Подобное поведение РЭМ-изображений можно объяснить тем, что в процессе модификации с поверхности поликарбоната был удален металлизированный слой. В результате вскрытые участки поликарбоната заряжались электронным пучком, что приводило к неустойчивости РЭМ-изображений и неоднородности их контраста. На некоторых участках РЭМ-изображений наблюдались яркие линии, повторяющие фрагменты шаблона, используемого при ДСЛ. Однако полностью шаблон на РЭМ-изображениях не воспроизводился. Этот факт можно объяснить тем, что в экспериментах с системой «металл - полимер» не были достигнуты оптимальные параметры для режима ДСЛ, и на некоторых участках металлическая пленка не была разрушена под действием локальной модификации.

Заключение

В результате проведенных исследований показано, что метод ДСЛ с использованием вольфрамовых нанозондов может быть применен к системе «металл - полимер». Анализ СЗМ- и РЭМ-изображений поверхности поликарбоната, покрытого алюминиевой пленкой, показывает, что металлическая пленка может быть удалена с поверхности с помощью метода ДСЛ.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ, МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МИКРОСТРУКТУР

Пространственное разрешение при создании структур таким методом сравнимо с пространственным разрешением, достигаемым на чистых поверхностях поликарбоната, и определяется радиусом используемого вольфрамового нанозонда (порядка 100 нм). Для определения оптимальных параметров метода ДСЛ для системы «металл - поликарбонат» необходимо провести дополнительные исследования, в частности, исследовать зависимость результатов локальной модификации от толщины и состава металлических покрытий. Использование метода ДСЛ в системе «металл - полимер» открывает путь для простой и недорогой технологии создания проводящих структур с пониженной размерностью.

Литература

1. Голубок А.О., Васильев А.А., Керпелева С.Ю., Котов В.В., Сапожников И.Д. Датчик локального силового и туннельного взаимодействия в сканирующем зондовом микроскопе // Научное приборостроение. - 2005. - Т. 15. - № 1. - С. 62-69.

2. Стовпяга А.В., Пинаев А.Л., Голубок А.О. Исследование нанозонда для модификации поверхности полимера методом динамической силовой литографии // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2008. - № 58. - С. 86-81.

3. Неволин В.К. Зондовые технологии в электронике. - М. : Техносфера, 2006. - 159 с.

Пинаев Александр Леонидович - Санкт-Петербургский государственный университет ин-

формационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]

Стовпяга Александр Владимирович - Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]

УДК 547.97: 535.8; 541.147

ЗАКОНОМЕРНОСТИ, МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МИКРОСТРУКТУР В ФОТОПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛАХ В.Г. Булгакова, Н.Д. Ворзобова

Исследованы закономерности формирования полимерных микроструктур в светоотверждаемом нано-композите. Установлена связь размерных характеристик микроструктур с экспозиционными параметрами, характеристиками амплитудной маски, толщиной слоя. Выявлена роль эффектов диффузии, ингиби-рования кислородом воздуха и самофокусировки света в процессах формирования микроструктур. Ключевые слова: фотополимер, фотополимеризация, микроструктура, форматное отношение, характеристический размер элемента, нанокомпозит.

Введение

Разработка методов формирования полимерных микроструктур является актуальной для получения элементов MEMS и MOEMS, элементов фотоники, электроники, механотроники, биотехнологий, элементов сопряжения и управления световыми пучками в волоконных линиях связи, элементов жидкокристаллических мониторов. Современный уровень исследований в данной области характеризуется поиском перспективных материалов, источников излучения, процессов получения микроструктурных элементов, а также их форм и конфигураций при уменьшении характеристических размеров элементов и увеличении форматного отношения. Одним из возможных методов формирования объемных микроструктурных элементов является глубокая литография.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.