Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
УДК 535.417
Лазерное осаждение из парогазовой фазы металлических тонкоплёночных микрорисунков на поверхности прозрачных подложек с внутриподложечным формированием интерференционного поля.1
Методом интерференционного лазерно-химического осаждения с внутриподложечным формированием интерференционной картины получены в одностадийном процессе тонкоплёночные периодические структуры с субмикронным разрешением.
Ключевые слова: двухлучевая интерференция, карбонилы, лазерно-химическое осаждение, адсорбированные слои, дифракционная решетка, субмикронные периодические структуры
В современной технике при получении и тиражировании устройств имеющих размер менее микрона возникает проблема воспроизведение отдельных элементов в нужном месте подложки и с высокой точностью позиционирования относительно друг-друга, до единиц и десятков ангстрем.
Технологические аспекты микро и наноэлектроники рассмотрены в обзорной работе [1]. В настоящее время для решения задач создания микроустройств 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 двухлучевой 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 1974–75 г. г. [2–4] 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 рисунков на подложках, основанные на интерференционном формировании экспонирующей картины двумя лазерными пучками, однако субмикронные металлические структуры образовывались на подложке в результате действия механизма лазерного пиролиза паров металлоорганических соединений; использовалось наносекундные лазерные импульсы. Формирование металлических пленок наносекундным лазерным осаждением из парогазовой среды летучих металлоорганических соединений рассмотрено в источниках [6-10]. Актуальность исследований по двулучевому интерференционному пиролизу заключается в возможности создания простой одностадийной технологии получения металлических периодических структур на подложках с микро - и наноразрешением.
Функциональная схема экспериментального стенда показана на рисунке 1а (а).
Рис. 1. Функциональная схема экспериментального стенда двухлучевого интерференционного получения тонкоплёночных металлических структур: (а) 1 – твердотельный импульсный лазер, ? = 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; (б) РЭМ - снимок периодической структуры металлических полосок на подложке, полученных методом двухлучевого интерференционного пиролиза.
В качестве основы экспериментального стенда применена оптическая плита, на которую установлен Nd:YAG лазер «Brilliant», использованный 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 рисунке 1а. 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 для используемого лазерного излучения. Пройдя систему из четырех призм, свет попадает в вакуумную камеру, атмосферный воздух из камеры откачивался через штуцер при помощи механического форвакуумного насоса до давления ~100 Па. Измерения давления в камере проводились при помощи термопарной лампы ПМТ-2 и вакуумметра ВИТ – 2. Во внутренний объем камеры помещалась капсула, изготовленная из металлической фольги и содержащая порошок декакарбонила дирения, объем порошка 2 мм3. Расчётное парциальное давление паров в рабочем диапазоне температур камеры 50 – 70? С порядка 10Па. Фронтальная часть камеры закрывалась стеклянной пластиной, которая выполняла функции «окна» камеры и подложки. Угол ? падения излучения на подложку определяет периодичность ? интерференционной картины на подложке [5]:
. (1)
где ?0 – длина волны излучения в вакууме, n - показатель преломления среды.
При формировании интерференционной картины на поверхности плоской стеклянной пластины показателем преломления в формуле считается показатель воздуха.
В результате диссоциации молекул карбонила, находящихся в адсорбированном состоянии на поверхности стеклянной подложки, в областях интерференционных максимумов на подложке на её второй по ходу луча стороне, обращенной в вакуумную камеру с парами летучего реагента, формируется периодический рисунок из полосок металла рения; толщина слоя металла приблизительно 100 нм (Рисунок 1б). Результат получен при использовании излучения с длиной волны ? = 532 нм, значении ?=22?, длительность цикла облучения подложки 180 с.
Период полученной структуры 800 нм, ширина полоски 350 нм; структура получена в одностадийном лазерографическом технологическом процессе.
В отраженном свете полученные образцы демонстрируют оптические дифракционные эффекты. 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.
список Литературы
Состояние и перспективы микро - и наноэлектроники. /Автометрия. 2009. Т.45, №3,с. 3-50 Won-Tien Tsang, Shyh Wang. Simultantous. Exposure and developmtnttechique for making graqting on positive photoresist // Applied Physics Letters, Vol.24, №4, 1974. Won-Tien Tsang, Shyh Wang. Grating. Masks suitable for ion-beam machining and chemical etching // Applied Physics Letters, Vol.25, №7, 1974. Won-Tien Tsang, Shyh Wang. Microfabrication of to-dimensional periodic arrays by laser beam interferometric technique // Applied Physics Letters, Vol.27, №2, 1975. , Физическая оптика. – М.: Изд-во Москва. ун-та, 1998. – 656 с. , , . Лазерные наносекундные микротехнологии - М.: Новосибирск: СГГА, 2003. – 300 с. , , Способ локального нанесения покрытия на подложку // А. с. 1331369 СССР, МКИ H 01 L 21/312, G 03 F 1/00.- № 000; Заяв. 6.06.85; опубл. Бюл. № 30.// Открытия. Изобретения.- 1987.- С.260 , Прямое рисование на подложках металлических структур с использованием азотного лазера // Тезисы Всесоюзн. конф. ВУФ-91, 28-30 мая 1991 г., Томск.- М., 1991.- С.137-138. Разработка и исследование наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлектронных структур: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук / СГГА. — Новосибирск, 2000. Лазерное пиролитическое осаждение плёнок металлов на прозрачных подложках // «Прикладная оптика – 2006» Т.2. Оптические материалы и технологии: сб. трудов VII междунар. конф. «Прикладная оптика – 2006», 16–20 октября 2006 г., Санкт–Петербург. – СПб: Оптическое общество им. , 2006. – С.125–129. Чесноков, 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.
, аспирант, техник кафедры физики Сибирского государственного университета геосистем и технологий. Основное направление научных исследований – оптика. Имеет 10 публикаций. E-mail: *****@***ru
LASER DEPOSITION FROM THE STEAM-GAS PHASE OF METAL THIN-FILM MICROPATTERNS ON THE SURFACE OF THE TRANSPARENT SUBSTRATES WITH INTRA SUBSPOON FORMATION OF THE INTERFERENCE FIELD.
M. V. Kuznetsov
The method of the interference laser and chemical deposition with intra in a substrate formation of the interference figure received in single-stage process thin-film periodic structures with the submicronic permission.
Keywords: a two-beam interference, carbonyls, a laser and chemical deposition, the adsorbed layers, the diffraction grating, submicronic periodic structures
REFERENCES
Kostsov E. G. Sostojanie i perspektivy mikro - i nanojelektroniki. [State and prospects micro and nanoelectronics]. AVTOMETRIYA. 2009. T.45, №3, pp. 3-50 Won-Tien Tsang, Shyh Wang. Simultantous. Exposure and developmtnttechique for making graqting on positive photoresist // Applied Physics Letters, Vol.24, №4, 1974. Won-Tien Tsang, Shyh Wang. Grating. Masks suitable for ion-beam machining and chemical etching // Applied Physics Letters, Vol.25, №7, 1974. Won-Tien Tsang, Shyh Wang. Microfabrication of to-dimensional periodic arrays by laser beam interferometric technique // Applied Physics Letters, Vol.27, №2, 1975. Ahmanov S. A., Nikitin S. Ju. Fizicheskaja optika [Physical optics]. Moskva, 1998. 656 p. V. V. Chesnokov, D. V. Chesnokov, E. F. Reznikova. Lazernye nanosekundnye mikrotehnologii [Laser nanosecond microtechnologies]. Novosibirsk, 2003. p 300 . Chesnokov V. V., S. V. Zemskov, I. K. Igumenov Sposob lokal'nogo naneseniia pokrytiia na podlozhku [Method of local plotting of a covering on a substrate]. Otkrytiia. Izobreteniia [Opening. Inventions.].1987, no 30 p.260 Chesnokov V. V., Reznikova E. F. Priamoe risovanie na podlozhkakh metallicheskikh struktur s ispol'zovaniem azotnogo lazera [Direct drawing on substrates of metal structures with use of the nitric laser]. Tezisy Vsesoiuzn. konf. VUF-91, 28-30 maia 1991 g.[All-Union VUP-91 conference, on May 28-30, 1991], Tomsk, pp.137-138. Chesnokov D. V. Razrabotka i issledovanie nanosekundnoi lazernoi mikrotekhnologii formirovaniia optoelektronnykh struktur [Development and research of nanosecond laser micro technology of formation of optoelectronic structures]. Novosibirsk, SGGA, 2000. Chesnokov D. V. Lazernoe piroliticheskoe osazhdenie plenok metallov na prozrachnykh podlozhkakh [Laser pyrolytic deposition of films of metals on the transparent substrates]. VII mezhdunar. konf. «Prikladnaia optika – 2006» [VII international conference "Application-oriented Optics — 2006"]. Sankt–Peterburg, 2006, pp.125–129. Chesnokov V. V., D. V. Chesnokov Lazernyi interferentsionnyi metod termokhimicheskogo formirovaniia reguliarnykh nanostruktur na podlozhkakh [Laser interference method of thermochemical formation of the regular nanostructures on substrates]. Rossiiskaia konferentsiia i shkola po aktual'nym problemam poluprovodnikovoi nanofotoelektroniki «Fotonika–2011» [ The Russian conference and school on actual problems of semiconductor nanophotoelectronics "Photonics-2011"]. Novosibirsk, 2011, p.80.
1 Статья получена 23 июня 2015 г.
