Нанокомпозитное фотонно-кристаллическое светофильтрующее покрытие для нужд фотолитографии

Полезная модель преимущественно относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к технологии изготовления фильтрующего покрытия, пропускающего падающее излучение в заданном диапазоне длин волн.
Может быть использовано в электронной промышленности, биомедицине, химической и фармацевтической промышленности.
В микро- и наноэлектронике существуют производственные процессы, при которых используются светочувствительные материалы и реагенты. В операции экспонирования процесса фотолитографии применяются материалы, химическая активация которых происходит при падении на них света длиной волны 400-440 нм (h - линия и g - линия экспонирования).
В таком случае, для защиты от преждевременного засвечивания фоторезиста, на участке фотолитографии необходимо обеспечить освещение, которое не содержит в себе экспонирующего спектра. Решение этой задачи представляет собой светофильтрующее покрытие для стекол, устанавливаемых в оконных рамах чистых помещений, а также используемых в корпусах светильников, смотровых окнах технологического оборудования и прозрачной транспортировочной таре.
Существует несколько способов получения светофильтрующих покрытий на стеклянные поверхности.
Известен способ получения покрытия интерференционного светофильтра [1]. Свойства заявленного светофильтра определяются свойствами слоев нанесенного интерференционного покрытия. Заявленное покрытие состоит из 13-15 чередующихся слоев материала, нанесенного в вакуумной камере, с различными показателями преломления.
Недостатком этого решения можно считать то, что длины волн, соответствующих избирательному отражению покрытия, определяются эмпирически. Также недостатком является технологическая сложность реализации процесса, связанная с нанесением большого количества (более десяти) чередующихся слоев.
Известно покрытие [2]. Заявленное покрытие на основе кристалла KRS-5 обеспечивает расширение области спектра, в которой покрытие прозрачно.
Недостатком этого покрытия можно считать то, что оно может быть использовано исключительно в сочетании с другими покрытиями или подложками с высоким показателем преломления, обеспечивающими избирательное отражение (пропускание).
Прототипом полезной модели является известный способ получения нанокомпозитного фильтра [3]. Оптически чувствительное покрытие состоит из двух систем чередующихся диэлектрических слоев с различающимися показателями преломления и одинаковой оптической толщиной.
2
Общим у прототипа и полезной модели является то, что покрытие изготовлено из слоев диэлектрика, в том числе диоксида кремния (SiO), а также то, что в дефектное пространство диэлектрика вводятся наночастицы.
Недостатком прототипа является многослойность покрытия, т.е., для того, чтобы обеспечить пропускание конкретного диапазона длин волн, необходимо наносить систему чередующихся покрытий (более двух слоев).
Техническим результатом заявленной полезной модели является получение такого нанокомпозитного фотонно-кристаллического светофильтрующего покрытия, которое обеспечивает избирательное отражение на участке с длиной волны 400…440 нм, что защищает фоторезист от преждевременного засвечивания и экспонирования.
Основой нанокомпозитного фотонно-кристаллического светофильтрующего покрытия для стекол является фотонно-кристаллическая опаловая матрица, сформированная методом вертикального вытягивания.
Технический результат достигается за счет внедрения наночастиц титана в структуру фотонно-кристаллической опаловой матрицы, сформированной из коллоидной суспензии частицам полистирола диаметром от 220 до 280 нм. Внедрение титана происходит методом магнетронного распыления в вакууме.
Структура покрытия поясняется фиг. 1 и фиг. 2.
Предлагаемый метод формирования нанокомпозитного фотонно-кристаллического светофильтрующего покрытия:
1. Формирование опаловой матрицы - на очищенной в ультразвуковой ванне и обезжиренной изопропанолом поверхности стекла 1 методом вертикального вытягивания [4] формируют опаловую матрицу из суспензии полистирола 2 диаметрами частиц от 220 до 280 нм. На поверхности стекла возникает фотонная запрещенная зона.
2. Внедрение титана - стеклянная подложка со сформированной на ней опаловой матрицей помещается в вакуумную камеру и закрепляется на расстоянии 65 мм от мишени. Вакуумная камера откачивается до давления 2 Па. В среде аргона при мощности магнетрона 350 Вт в течение 60 секунд проводится осаждение титана в межсферические пустоты 3 опаловой матрицы, в результате чего в этих полостях формируются наночастицы 4. При этом происходит изменение положения возникшей при прохождении излучения через структуру фотонной запрещенной зоны.
Светофильтрующая способность покрытия заключается в возникновении фотонной запрещенной зоны и изменении ее положения и интенсивности на поверхности стекла. Коэффициент пропускания листового стекла составляет 88…90% в зависимости от марки [5].
В соответствии с известным условием Брэггов-Вульфа:
эф
где N - порядок дифракции (для синтетического опала N=1), d - диаметр сферы опала, θ - угол Брэгговской дифракции, n - эффективный показатель преломления материала;
опал
опал
возд
возд
внедр
внедр
где n - коэффициент преломления опала, f - коэффициент заполнения матрицы опалом, n - коэффициент преломления воздуха, f - коэффициент заполнения матрицы воздухом, n - коэффициент преломления материала внедрения, n - коэффициент заполнения матрицы материалом внедрения,
можно определить длину волны фотонной запрещенной зоны в формируемой структуре фотонного кристалла с наночастицами титана:
Согласно этому выражению, внедряя в структуру фотонно-кристаллической опаловой матрицы наночастицы материала, например, титана, можно сместить длину волны фотонной запрещенной зоны на заданную величину от ее исходного положения [6].
На фиг. 3 представлены спектральные характеристики стекла 1, спектральные характеристики опаловой матрицы из полистирола без наночастиц титана 2 и спектральные характеристики заявляемой структуры 3 после внедрения наночастиц титана в межсферические пустоты верхнего слоя опаловой матрицы на глубину 50 нм.
Спектрофотометрическое исследование светофильтрующего покрытия показало избирательное пропускание излучение сквозь него с образованием фотонной запрещенной зоны в диапазоне длин волн от 400 до 440 нм.
Перечень фигур
Фиг. 1 - изображена структура опаловой матрицы из частиц полистирола, сформированного на стекле.
Фиг. 2 - изображена структура нанокомпозитного фотонно-кристаллического покрытия (а - вид спереди, б - вид сверху);
Фиг. 3 - приведены спектральные характеристики стекла, опаловой матрицы и покрытия.
Список использованных источников
1. Патент СССР № SU 381055 «Интерференционный светофильтр».
2. Патент СССР № SU 218477 «Тонкослойное оптическое покрытие».
3. Патент РФ на полезную модель №138050 «Поляризационно-чувствительный интерференционный фильтр на основе нанокомпозита».
4. Kuleshova V.L., Panfilova Е.V., Prohorov Е.P. Automated device for vertical deposition of colloidal opal films //2018 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). - IEEE, 2018. - C. 1-5.
5. Гладушко О.А., Чесноков А.Г. Сравнительные оптические характеристики листовых стекол // Стекло и керамика. - 2005. - №5. - С. 5-6.
6. Галаганова Е.Н. Оценка неопределенности измерения коэффициента заполнения опаловой матрицы материалом внедрения // Сборник материалов VIII Международной молодежной научной конференции. 2018. - Саратов: Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., 2018. - С. 22-25.