СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОСТРУКТУР
METHOD OF PRODUCING SURFACE NANOSTRUCTURES

Изобретение относится к области изготовления поверхностных наноструктур и может быть использовано для изготовления устройств наноэлектроники, наноплазмоники, химических и биологических сенсоров, сенсоров на основе гигантского комбинационного рассеяния, СБИС и т.д.
Известные технологии изготовления поверхностных наноструктур используют общий подход, состоящий в том, что на начальном этапе на поверхности подложки создается сплошная пленка материала заданной толщины. Затем нежелательные части сплошной пленки тем или иным способом удаляются, после чего на подложке остается необходимая наноструктура [S.Y.Lin, J.G.Fleming, D.C.Hetherington et al. A three-dimensional photonic crystal operating at infrared wavelengths (Трехмерные фотонные кристаллы, работающие в инфракрасной области спектра) // Nature. 1998. V.394. Р.251-253; Y.W.Su, C.S. Wu, C.C.Chen, C.D.Chen. Fabrication of Two-Dimensional Arrays of CdSe Pillars Using E-Beam Lithography and Electrochemical Deposition (Изготовление двумерных массивов столбиков из CdSe с использование электронно-лучевой литографии и электрохимического осаждения) // Adv. Mater. 2003. V.15. P.49-51).
Известен способ формирования наноструктур, основанный на лазерной абляции, [C.P.Grigoropoulos, A.Chimmalgi, D.J.Hwang Nano-Structuring Using Pulsed Laser Radiation (Наноструктурирование с использованием импульсного лазерного излучения) // In: Laser Ablation and its Applications (В книге: Лазерная абляция и ее применения), Р.473-504, Springer, 2007]. В этом случае формирование наноструктур возможно только при использовании дополнительных устройств, обеспечивающих концентрацию энергии лазерного излучения в субволновых областях, что существенно снижает производительность.
Все известные способы удаления нежелательных частей сплошной пленки с нанометровым разрешением либо связаны с большими капитальными затратами на оборудование (фотолитография), либо обладают очень малой производительностью (электронно-лучевая литография). Кроме того, они принципиально являются многоступенчатыми. Несомненным преимуществом перед указанными выше способами создания наноструктур обладают новые способы, основанные на процессах самоорганизации [A.Arsenault, S.Fournier-Bidoz, B.Hatton et al. Towards the synthetic all-optical computer: science fiction or reality? (На пути к синтетическому чисто оптическому компьютеру: научная фантастика или действительность?), J. Mater. Chem. 14, 781 (2004); X. Wang, С.Neff, E. Graugnard et al. Photonic Crystals Fabricated Using Patterned Nanorod Arrays (Фотонные кристаллы, изготовленные с использованием структурированных массивов наноцилиндров) // Adv. Mater. 2005. V.17. P.2103-2106]. Спонтанно протекающие процессы самоорганизации позволяют изготавливать наноструктуры на простом оборудовании и экономить дорогостоящие материалы. Однако разброс параметров наноструктур оказывается в этом случае недопустимо большим.
Известен способ изготовления наноструктур, в которых процессы самоорганизации поверхностных наноструктур контролируются путем лазерного воздействия на атомы и молекулы на пути их следования к поверхности подложки за счет сил светового давления [M.S. Gersonde. Apparatus for direct write fabrication of nanostructures. (Устройство для изготовления наноструктур путем непосредственного формирования рисунка) US Patent 6462333 B1; October 8, 2002, МПК G21K 1/02]. Недостатком этого метода является необходимость предварительного коллимирования пучка атомов, что существенно усложняет оборудование.
Прототипом изобретения является способ формирования рисунка с элементами уменьшенных размеров [R.Ohmukai. Method of forming a fine pattern (Метод формирования рисунка с элементами уменьшенных размеров) US Patent 6686290 В2; February 3, 2004, МПК H01L 21/302]. Способ заключается в напылении материала наноструктур на подложку в вакууме при одновременном облучении ее пространственно модулированным оптическим излучением, отстроенным от резонанса с атомным переходом на 1-10 ГГц, в котором области нулевой интенсивности совпадают с местами локализации наноструктуры. Оптическое излучение направляют на поверхность под углом, большим угла полного внутреннего отражения. Атомы, подлетающие к освещенным частям подложки, отталкиваются от нее градиентной силой эванесцентных световых волн. В то же время атомы, подлетающие к неосвещенным частям подложки, прилипают к ней и образуют желаемые структуры. Недостатками этого метода являются: 1) необходимость предварительного охлаждения атомов в магнитооптической ловушке, что существенно усложняет систему и снижает производительность, 2) необходимость точной настройки длины волны лазерного излучения, что делает проблематичным подбор подходящих источников излучения для заданного материала структуры.
Изобретение решает задачу создания поверхностных наноструктур без предварительного охлаждения осаждаемых атомов, что позволяет упростить реализацию способа и увеличить производительность.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения поверхностных наноструктур путем напыления материала наноструктуры на подложку в вакууме при одновременном облучении подложки пространственно модулированным оптическим излучением, в котором области нулевой интенсивности совпадают с местами локализации наноструктуры, длину волны излучения выбирают в полосе фотодесорбции адсорбированных атомов или молекул материала наноструктуры на подложке, а интенсивность оптического излучения выбирают больше критической интенсивности, при которой в освещенных частях подложки при заданной скорости напыления наноструктуры не образуются.
Заявляемый способ позволяет создавать поверхностные наноструктуры без предварительного охлаждения и коллимации потока атомов и без необходимости точной настройки лазерного излучения относительно резонансной частоты перехода в свободных атомов или молекулах, из которых создается наностуктура.
2
2
Изобретение основано на использовании особых оптических и термодинамических свойств атомов и молекул, адсорбированных на поверхности твердых тел. Известно, что при адсорбции резонансные линии поглощения атомов и молекул уширяются за счет взаимодействия с поверхностью подложки [Antonietti J.-M., Michalski M., Heiz U., Jones H., Lim К. H., Roesch N., Vitto A. D., Pacchioni G. Optical Absorption Spectrum of Gold Atoms Deposited on SiO from Cavity Ringdown Spectroscopy (Оптическое поглощение атомов золота, осажденных на SiO по данным спектроскопии внутрирезонаторного ослабления сигнала во времени). Phys. Rev. Lett. 2005. V.94. P.213402; Latyshev A.N., Ovchinnikov O.V., Okhotnikov S.S. Absorption spectra of metal atoms adsorbed on the surface of a single crystal (Спектры поглощения металлических атомов, адсорбированных на поверхности монокристалла). Appl. Spectr. 2003. V.70. P.817-820]. Известно также, что при поглощении адсорброванным атомом или молекулой фотона с определенной вероятностью происходит отрыв атома от поверхности [Proc. Tenth Intern. Workshop on Desorption Induced by Electronic Transitions (Материалы 10 Международного совещания по десорбции, индуцированной электронными переходами), Surf. Sci., 2005, 593, Iss. 1-3.]. Таким образом, в освещенных местах подложки поверхностная концентрация адсорбированных атомов уменьшается. Поскольку зародыши новой фазы начинают образовываться только после достижения критической концентрации адсорбированных атомов, освещение поверхности позволяет предотвратить образование новой фазы в освещенных местах. Этот способ недопушения образования зародышей материала наноструктуры в освещенных местах более подробно описан ниже.
Для реализации указанного способа создания наноструктур распределение интенсивности освещения по поверхности подложки выбирают таким, чтобы в тех местах, где желают получить наноструктуру из напыляемого материала, интенсивность излучения была бы равна нулю. Такое распределение интенсивности создается с помощью двухлучевой или многолучевой интерференции, цифровой голографии [D.P.Kelly, B.M.Hennelly, N.Pandey. Resolution limits in practical digital holographic systems (Предел разрешения в реальных системах цифровой голографии) // Optical Engineering, 2009. V.48. P.095801-1 - 095801-13], за счет формирования оптических вихрей или любым другим способом, известным специалистам.
Интенсивность излучения выбирают достаточно большой, чтобы на всей поверхности подложки, за исключением непосредственной окрестности тех точек, в которых интенсивность излучения равна нулю, зародыши материала наностуктуры не образовывались.
Способ недопущения образования зародышей материала наноструктуры в освещенных частях подложки состоит в выборе длины волны излучения в полосе фотодесорбции адсорбированных атомов или молекул материала наноструктуры. Согласно [Т.А. Vartanyan, S.G. Przhibelskii, V.V. Khromov. Photoexcitation and photoregistration of atomic motion on the surfaces of solid materials., In: New Trends in Quantum Coherence and Nonlinear Optics (Фотовозбуждение и фоторегистрация атомных движений на поверхности твердых тел, в книге Новые направления в когерентной и нелинейной оптике), 2009. Nova Science Publishers p.245-263., ISBN: 978-1-60741-025-6] освещение поверхности подложки излучением, попадающим в полосу поглощения адсорбированных на поверхности атомов, приводит к их десорбции, то есть происходит фотодесорбция адсорбированных на подложке атомов. Тем самым в освещенных частях поверхности подложки поверхностная концентрация адсорбированных атомов уменьшается. Поскольку процесс образования зародышей напыляемого материала наноструктуры пороговьм образом зависит от поверхностной концентрации атомов напыляемого материала, существует критическая интенсивность облучения, при превышении которой зародыши материала наноструктуры не образуются. Если максимальная интенсивность облучения превышает критическую, то образование зародышей материала наноструктуры на освещенных частях подложки становится невозможным и, следовательно, наноструктуры в освещенных частях поверхности не образуются. В то же время вблизи точек нулевой интенсивности облучения интенсивность облучения оказывается меньше критической. В этих частях поверхности подложки зародыши наноструктуры образуются, и, вслед за образованием зародышей, идет интенсивный рост наноструктуры. Размер области, окружающей точку нулевой интенсивности, в которой интенсивность остается меньшей критической, зависит от средней интенсивности облучения. При увеличении средней интенсивности облучения размер окружающей точку нулевой интенсивности области, в которой интенсивность остается меньше критической, уменьшается, и, в частности, может стать значительно меньше длины волны излучения. Поэтому описанным способом могут быть получены наноструктуры с размерами элементов значительно меньшими длины волны излучения.
Все элементы наноструктуры образуются на всей поверхности подложки, освещенной пространственно модулированным излучением одновременно, что исключает необходимость сканирования луча по поверхности. Поскольку спектральная ширина полосы фотодесорбции адсорбированных атомов на несколько порядков превышает спектральную ширину линии поглощения свободного атома, выбор источника излучения, попадающего в полосу фотодесорбции адсорбированных атомов, как это требуется в описываемом способе получения наноструктур, значительно облегчается по сравнению с выбором источника, попадающего в полосу поглощения свободных атомов, как это требуется в прототипе.
Пример конкретной реализации способа.
Сущность способа поясняется чертежами.
На фиг.1 поверхность подложки 1. Лазерные лучи 2, направленные под скользящим углом к поверхности подложки 1, помещенной в вакуумную камеру (не показана), и распространяющиеся навстречу друг другу, создают пространственно модулированное оптическое излучение 3 на длине волны, попадающей в полосу фотодесорбции адсорбированных атомов. Области нулевой интенсивности пространственно модулированного оптического излучения совпадают с местами локализации выращиваемой наноструктуры, 4 - поток атомов, направленный на поверхность подложки.
На фиг.2 представлена зависимость интенсивности пространственно модулированного оптического излучения от расстояния вдоль подложки, отложенного в нанометрах. Пространственно модулированное оптическое излучение получено в результате интерференции двух лучей на длине волны 632.8 нм, направленных навстречу друг другу под скользящим углом к поверхности подложки. Длина волны 632.8 нм попадает в полосу фотодесорбции атомов натрия, адсорбированных на поверхности сапфировой подложки. Сплошная вертикальная линия определяет область нулевой интенсивности излучения и место локализации наноструктуры. Интенсивность в максимуме пространственно модулированного излучения принята за единицу. Горизонтальная штриховая линия проведена на уровне критической интенсивности, равной 0.1 максимальной интенсивности. Вертикальные штриховые линии определяют ширину образующейся наноструктуры. Ширина наноструктуры в данном примере составляет 60 нм.
-8
-1
2
-2
-1
-2
В качестве примера рассмотрим формирование поверхностной наноструктуры, состоящей из параллельных отрезков нанопроволоки металлического натрия на поверхности подложки из сапфира. Подложку 1 из сапфира в виде квадрата со стороной 5 мм помещают в вакуумную камеру, снабженную окнами из материала, прозрачного для оптического излучения и источником атомов натрия. Термический источник атомов натрия ориентируют отверстием в сторону сапфировой подложки. В вакуумной камере путем откачки создают разрежение не хуже 10 Па. Через окна вакуумной камеры на поверхность сапфировой подложки, одновременно с напылением атомов натрия, под скользящими углами к подложке и навстречу друг другу направляют лучи непрерывного He-Ne - лазера, излучающего на длине волны 632.8 нм, попадающей в полосу фотодесорбции атомов натрия, адсорбированных на поверхности сапфира. Области локализации выращиваемой наноструктуры совмещают с областями нулевой интенсивности пространственно модулированного оптического излучения, образовавшегося в результате интерференции лучей He-Ne - лазера. Экспериментально установлено, что при скорости напыления 0.1 нм с пороговое значение интенсивности облучения, при котором металлическая пленка на подложке не образуется, составляет 10 Вт см. Согласно фиг.2 для получения наноструктуры шириной 60 нм необходимо, чтобы максимальная интенсивность облучения в 10 раз превышала критическую интенсивность, при которой наноструктура не образуется. Поэтому максимальную интенсивность облучения устанавливают на уровне 100 Вт см. Источник напыляемых атомов натрия, заранее помещенный в вакуумную камеру, нагревают до температуры 130 градусов Цельсия, что обеспечивает скорость напыления 0,1 нм с, для которой критическая интенсивность составляет 10 Вт см. Через 10 мин нагрев источника атомов натрия прекращают, и прекращается напыление атомов натрия. Затем прекращают воздействие лазерного излучения. В результате выполненных операций на поверхности сапфировой подложки образуется наноструктура из металлического натрия. Наноструктура представляет собой прямолинейные отрезки металлической нанопроволоки длиной 5 мм, шириной 60 нм и высотой 60 нм каждая. Отрезки нанопроволоки расположены на подложке параллельно друг другу. Между нанопроволоками остаются свободные от металлического натрия полосы поверхности сапфировой подложки шириной 260 нм. Отрезки нанопроволоки ориентированы перпендикулярно направлению распространения лазерных лучей.
При увеличении мощности лазерного излучения размеры наноструктуры могут быть уменьшены без изменения длительности процесса и площади обрабатываемой поверхности. Альтернативно, при увеличении мощности лазерного источника и сохранении параметров создаваемой наноструктуры можно сократить длительность процесса. С другой стороны, увеличение длительности процесса может в необходимых случаях снизить требования к мощности лазерного источника.
Из приведенного примера следует, что предлагаемое техническое решение позволяет изготавливать наноструктуры при использовании доступных лазерных источников одновременно на больших площадях и за приемлемое время.
Таким образом, заявляемый способ в совокупности существенных признаков является новым и обеспечивает достижение технического результата, состоящего в обеспечении возможности без предварительного охлаждения осаждаемых атомов, создание поверхностных наноструктур, что позволяет упростить реализацию способа и увеличить производительность.
Предлагаемое техническое решение может найти применение для изготовления устройств наноэлектроники, наноплазмоники, химических и биологических сенсоров, сенсоров на основе гигантского комбинационного рассеяния, СБИС и т.д.