АТОМНАЯ ЛИТОГРАФИЯ НАНОСТРУКТУР ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЗАДАННОМ РАССТОЯНИИ ДРУГ ОТ ДРУГА С НАНОМЕТРОВОЙ ТОЧНОСТЬЮ

Полезная модель относится к прикладной науке и технике, а именно к установкам для создания гетероструктур и центров люминесценции наноразмерного масштаба произвольной формы на поверхности, и может быть использована, в частности, для изготовления функциональных элементов в электронике, оптоэлектронике, нанофотонике, оптических устройствах, создания элементов памяти, создания элементов наноразмерных стандартов длины, зародышей для роста кристаллических наноструктур, гетероструктур.
Известны установки для создания наноструктур на поверхности, основанные на фокусировке атомного пучка с помощью лазерного излучения (патенты США №5360764, №6183817). Они позволяют создавать из различных атомов наноструктуры произвольной формы на поверхности и могут быть использованы для создания гетероструктур. Существенным недостатком известных установок является то, что для фокусировки атомов используются силы радиационного давления лазерного излучения на атом, что приводит к ограничениям на выбор типа атомов.
Этого недостатка лишена установка, позволяющая создавать наноструктуры произвольной формы на поверхности, основанная на хорошо известной в световой оптике идее «камеры обскура» (В.И.Балыкин, П.А.Борисов, B.C.Летохов и др. Атомная «камера-обскура» с нанометровым разрешением // Письма в ЖЭТФ, 2006. Т.84. В.8. С.544-547), выбранная в качестве прототипа. Известная установка состоит из пульта управления, соединенного с атомной пушкой, маски, пленки и подложки. Известная установка работает следующим образом. Сигнал с пульта управления поступает на атомную пушку, из которой вылетает пучок атомов. Далее пучок атомов проходит через отверстия в маске, формируя по аналогии с оптикой «светящийся объект» заданной геометрии. Атомы, прошедшие через отверстия в маске, распространяясь по прямолинейным траекториям, проходят через наноотверстие в пленке и формируют «изображение светящегося объекта» на подложке. В итоге на подложке формируется наноструктура из атомов, размер которой меньше размера «светящегося объекта» на маске во столько раз, во сколько маска расположена дальше от пленки, чем подложка.
Известная установка позволяет получать из различных атомов на поверхности подложки наноструктуры произвольной формы с характерным размером наноструктуры меньшим 50 нм и может быть использована для создания гетероструктур наноразмерного масштаба. Создание гетероструктуры из нескольких слоев производится путем последовательного формирования на поверхности слоев из разных атомов путем последовательной смены атомных пушек, содержащих различные вещества.
Основной недостаток известной установки заключается в том, что она не позволяет создавать на подложке наноструктуры из различных материалов на контролируемом наноразмерном расстоянии друг от друга, что необходимо, например, для создания элементов наноэлектроники (Т.Schumacher, К.Kratzer, D.Molnar, M.Hentschel, H.Giessen, M.Lippitz Nanoantenna-enhanced ultrafast nonlinear spectroscopy of a single gold nanoparticle // Nat. Commun. 2011, V.2, 333) и фотоники (L.Novotny, N. van Hulst Antennas for Light // Nature Photonics, 2011, V.5, 83).
Задачей полезной модели является повышение точности при создании на подложке наноструктур из различных материалов на контролируемом наноразмерном расстоянии друг от друга.
Поставленная задача решается атомной камерой обскура, которая состоит из пульта управления, соединенного с атомной пушкой и микроподвижкой, маски, установленной на микроподвижке, пленки, и подложки.
На фиг.1 представлена блок-схема заявляемого устройства.
Атомная камера обскура состоит из пульта управления (1), соединенного с атомной пушкой (2) и микроподвижкой (3), маски (4), установленной на микроподвижке (3), пленки (5), и подложки (6).
Достижение заявленного технического результата, а именно повышения точности при создании на подложке наноструктур из различных материалов на контролируемом наноразмерном расстоянии друг от друга, происходит за счет контролируемого смещения маски. Технически это достигается тем, что маска установлена на микроподвижке, соединенной с пультом управления.
Атомно-ионная камера обскура работает следующим образом. Сигнал с пульта управления (1) поступает на атомную пушку (2), из которой в течение заданного времени вылетает пучок атомов. Далее пучок атомов проходит через набор отверстий в маске (4), формируя по аналогии с оптикой «светящийся объект» заданной геометрии. Атомы, прошедшие через отверстия в маске (4), распространяясь по прямолинейным траекториям, проходят через наноотверстие в пленке (5) и формируют «изображение светящегося объекта» на подложке (6). В итоге на подложке (6) формируется наноструктура из атомов, размер которой меньше размера «светящегося объекта» на маске (4) во столько раз, во сколько маска (4) расположена дальше от пленки (5), чем подложка (6). После формирования в течение заданного времени на подложке наноструктуры, сигнал с пульта управления (I) поступает на микроподвижку (3), которая смещает маску (4) в плоскости маски на заданное расстояние. Затем сигнал с пульта управления (1) поступает на атомную пушку (2), из которой в течение заданного времени вылетает пучок атомов, формируя на положке (6) новую наноструктуру на контролируемом наноразмерном расстоянии от предыдущей. Величина этого наноразмерного расстояния меньше размера заданного расстояния, на которое смещена маска (4), во столько раз, во сколько маска (4) расположена дальше от пленки (5), чем подложка (6). При необходимости формирования наноструктуры на контролируемом наноразмерном расстоянии из другого материала производится замена пушки.
В отличие от прототипа, в данном случае маска установлена на микроподвижке, что позволяет повысить точность при создании на подложке наноструктур из различных материалов на контролируемом наноразмерном расстоянии друг от друга.
2
Конкретное аппаратурное оформление заявляемой установки, а именно, пульт управления, атомная пушка, маска и подложки являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи и требуемой точности. В качестве пленки с наноотверстиями может быть использована коммерчески доступная мембрана SiO толщиной 40 нм (производство фирмы TedPella Inc., США), в которой с помощью резки остросфокусированным ионным пучком (установка FEI Quanta 3D) изготавливаются наноотверстия диаметром от 10 до 100 нм. Подложка может быть изготовлена из стекла с необходимой шероховатостью поверхности, а маска - из металлической фольги. Микроподвижка в зависимости от задачи может быть выполнена одно- или двухкоординатной на электромеханическом или пьезоэлектрическом приводе.
2
Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант заявляемой атомно-ионной камеры обскура. Использовались атомные пушки на основе эффузионной ячейки (MBE-Komponenten GmbH, Германия, www.mbe-komponenten.de). В качестве пленки с наноотверстиями была использована мембрана SiO толщиной 40 нм (производство фирмы TedPella Inc., США) с наноотверстиями диаметром 50 нм. Подложка была изготовлена из стекла с шероховатостью поверхности не хуже 1 нм и устанавливалась на расстоянии 10 мкм от пленки. Маска с набором отверстий, задающих форму создаваемых наноструктур, изготавливалась из танталовой фольги толщиной 50 мкм и устанавливалась на расстоянии 10 мм от пленки. В такой геометрии на подложке создавалось уменьшенное в 1000 раз изображение напыленных на поверхность атомов. Микроподвижка была выполнена однокоординатной на электромеханическом приводе и имела точность установки 1 мкм. После формирования на подложке первоначальной наноструктуры маска, установленная на микроподвижке, была смещена на расстояние 50 мкм и затем на подложке была сформирована следующая наноструктура. В результате на подложке были сформированы две идентичные наноструктуры на контролируемом наноразмерном расстоянии 50 нм друг от друга. При этом расчетная точность составила значение около 1 нм, демонстрируя возможность реализации нового потребительского свойства прототипа.
Таким образом, созданная атомно-ионная камера обскура, позволила достичь заявленного технического результата, а именно повысить точность при создании на подложке наноструктур на контролируемом наноразмерном расстоянии друг от друга.