ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ СОЗДАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ДВУМЕРНО-ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНОМ ОБРАЗЦЕ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ПЛОЩАДИ
PHOTOLITHOGRAPHIC INTERFERENCE METHOD OF CREATING NANOSIZED TWO-DIMENSIONAL PERIODIC STRUCTURES ON LIGHT-SENSITIVE SAMPLE OF ARBITRARY AREA

Изобретение относится к способам экспонирования при фотолитографическом изготовлении рельефных поверхностей и может быть использовано для создания хорошо позиционированных элементов для полупроводниковой техники, образцовых структур для нанометрологии, фильтрации, кодирования и преобразования оптических сигналов, текстурирования материалов для солнечных элементов, повышения эффективности фотокаталитических процессов и др.
В последние годы наблюдается увеличение интереса к фотолитографическим интерференционным технологиям создания наноразмерных периодических структур на большой площади [1-4]. Это связано с различными областями применений таких структур в дисплеях, гибких электронных устройствах, солнечных батареях, спектроскопии астрономических объектов и др. Надо отметить, что в большинстве исследований в этом направлении не уделяется внимания возможному появлению дефектов, например нарушению периодичности изготовленных рельефных структур. Наличие дефектов особенно нежелательно при производстве хорошо позиционированных наноразмерных элементов для электронных устройств.
Известны интерференционные фотолитографические способы создания наноразмерных периодических структур на большой поверхности (см., например, заявка на патент США US 2010/0216075 A1, публ. 26.08.2010 и патенты США US 6556280, публ. 29.04.2003, US 5759744, публ. 02.06.1998). Для решения этой задачи в техническом решении по заявке US 2010/0216075 МПК G03F 7/20 (2006.01) используют особое перемещение образца, на котором требуется получить наноразмерную периодическую структуру, с высокой точностью, а для создания двумерных структур используют две экспозиции с прецизионным поворотом подложки на угол 90°.
В технических решениях по патентам US 6556280 и US 5759744 для решения той же задачи используют интерференцию четырех или трех расходящихся когерентных лазерных пучков. Использование расходящихся пучков приводит к изменению периода изготавливаемой структуры в пространстве, что совсем не обсуждают авторы. Во всех упомянутых способах аналогах для экспозиции используют излучение непрерывных лазеров, что приводит к большим временам экспозиции и необходимости сложной вибро- и термостабилизации. При использовании интерференции четырех пучков в этих патентах не обсуждаются вопросы необходимой точности настройки углов падения для создания структур без дефектов, как это показано в работах [5-7].
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mi>n</mi></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mi>m</mi></msub></mrow>
При использовании для интерференции четырех пучков стоячая волна излучения описывается шестью пространственными частотами, которые получаются из всех возможных вариантов разницы волновых векторов
. В общем случае шесть пространственных частот дают сложную картину биений. (Типичная картина биений в поле стоячей волны при интерференции четырех пучков показана на фиг.4). Для того чтобы картина интерференции стала строго пространственно периодической, необходимо обеспечить равенство углов падения для лучей, расположенных в одной плоскости падения. Это равенство необходимо обеспечить с точностью ~λ/d. При выполнении условия равенства углов падения остаются только три пространственных частоты.
Теоретические и экспериментальные исследования, приведенные в работах [5-7], показывают, что при интерференции четырех пучков возникают дефекты в периодической структуре в виде биений нескольких близких пространственных частот. Для того чтобы этих дефектов не было, на всем поперечном размере d интерферирующих пучков необходимо выполнить равенство углов падения с точностью ~λ/d. Обеспечить такую точность для d>1 см практически невозможно [7].
При использовании для интерференции трех когерентных пучков дефекты, вызванные биениями нескольких близких пространственных частот, отсутствуют. Три интерферирующих пучка обычно располагают симметрично относительно нормали к поверхности регистрации (под углом 120° друг к другу), как в техническом решении по патенту США US 6556280 (фиг.4a), МПК G03F 7/20, который выбран в качестве прототипа. В прототипе, как один из вариантов, рассматривается способ получения наноразмерных двумерно-периодических структур на светочувствительном материале на основе интерференции трех когерентных пучков, формируемых с использованием одномодовых оптических волокон (см. фиг.7b в том же патенте). Использование оптических волокон для организации условий интерференции позволяет в прототипе упростить процесс автоматической настройки оптической схемы.
Недостатком способа прототипа является то, что использование симметричной схемы падения трех когерентных пучков на поверхность образца не при всех возможных углах падения позволяет выбрать требуемые плоскости поляризации пучков и это обуславливает уменьшение контраста в стоячей волне [9], что приводит к искажениям в создаваемых наноразмерных двумерно-периодических структурах. Это неприемлемо при изготовлении высокоразрешающих спектральных устройств и точно позиционированных наноразмерных элементов для полупроводниковой электроники.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является получение бездефектных наноразмерных двумерно-периодических структур на светочувствительном материале произвольной (большой) площади при интерференции трех когерентных пучков света.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что в разработанном способе, так же как в известном фотолитографическом интерференционном способе создания наноразмерных двумерно-периодических структур на светочувствительном образце произвольной площади, выбранном в качестве прототипа, формируют три когерентных пучка света, направляют их на выбранный участок светочувствительного образца и получают их двумерно-периодическую картину интерференции в поле стоячей волны на светочувствительном образце.
Новым в предлагаемом изобретении является то, что первые два когерентных пучка света формируют в одной плоскости падения, а третий пучок формируют в плоскости, перпендикулярной первой, при этом интенсивности первых двух пучков выбирают одинаковыми, а интенсивность третьего пучка выбирают в два раза больше, чем интенсивность первого пучка.
Как установлено автором, такое формирование интерферирующих пучков обеспечивает близкие направления поляризации всех трех пучков, и как следствие, максимальный контраст интерференционной картины в поле стоячей волны, что позволяет получить на светочувствительном образце двумерно-периодическую структуру без дефектов.
В первом частном случае реализации предлагаемого способа для создания двумерно-периодической картины интерференции с высокой стабильностью периодов целесообразно использовать интерференцию трех когерентных пучков с плоскими волновыми фронтами.
Во втором частном случае реализации предлагаемого способа целесообразно при разделении исходного лазерного излучения на три когерентных пучка использовать четное количество отражений для каждого из когерентных пучков, например два отражения или четыре.
В третьем частном случае реализации предлагаемого способа целесообразно поляризации пучков выбирать в зависимости от их углов падения на плоскость светочувствительного материала.
В четвертом частном случае реализации предлагаемого способа целесообразно для создания двумерно-периодической картины интерференции использовать одну экспозицию.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена предложенная схема несимметричного расположения трех пучков света относительно нормали к образцу со светочувствительным материалом.
На фиг.2 представлена упрощенная схема осуществления предлагаемого способа, а именно схема разделения исходного лазерного излучения на три когерентных пучка и сведения их для интерференции на светочувствительном образце, позволяющая производить наилучший выбор поляризации когерентных пучков.
На фиг.3 представлено изображение с атомно-силового микроскопа участка на поверхности образца арсенида галлия GaAs после воздействия трех когерентных пучков УФ излучения при несимметричном расположении пучков относительно нормали к упомянутому образцу.
На фиг.4 представлено изображение с атомно-силового микроскопа участка на поверхности образца GaAs после воздействия четырех когерентных пучков УФ излучения при недостаточно точной настройке углов падения пучков.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mn>3</mn></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>*</mo></msup></mrow>
При использовании для интерференции трех когерентных пучков стоячая волна изначально описывается тремя пространственными частотами, которые в пространстве определяются тремя комбинациями волновых векторов
,
,
. Теоретически эти комбинации возникают при расчете совместной интенсивности трех интерферирующих когерентных пучков
(знак * означает комплексное сопряжение).
Для того чтобы обеспечить наилучшие условия для интерференции трех когерентных пучков и прямоугольную симметрию картины интерференции автором предложено использовать несимметричную схему расположения трех пучков относительно нормали к светочувствительному образцу, как показано на фиг.1. В плоскости (x-y) установлен образец 4 из светочувствительного материала, на котором необходимо изготовить двумерно-периодическую наноструктуру. Оси пучков 1 и 2 располагаются в плоскости z-y, а ось пучка 3 находится в плоскости z-x. Плоскости поляризации пучков выбираются в зависимости от углов падения. Если углы падения менее 60°, то пучки 1 и 2 поляризованы перпендикулярно плоскости z-y, пучок 3 поляризован в плоскости z-x. При углах падения более 60° все лучи поляризованы в своих плоскостях падения.
На фиг.2 представлена упрощенная схема осуществления предлагаемого способа, а именно показан вариант разделения исходного лазерного пучка на три когерентных пучка 1, 2, 3 и сведения их для интерференции на светочувствительном образце 4.
Диэлектрические зеркала 5 и 10 имеют коэффициент отражения ~50%, зеркала 6-9 и 11-13 имеют коэффициент отражения ~99%. Использование зеркал 6, 7 позволяет выбрать оптимальную плоскость поляризации третьего пучка 3.
С помощью устройства, представленного на фиг.2, разработанный способ реализуют следующим образом.
Для получения трех когерентных пучков света исходный лазерный пучок направляют на систему из девяти зеркал, представленную на фиг.2. Первые два 1-й и 2-й когерентные пучки формируют в одной плоскости падения, например z-y (см. фиг.1), при этом поляризации этих пучков параллельны плоскости z-x. Третий пучок формируют в плоскости, перпендикулярной первой, то есть в z-x, при этом поляризация этого пучка зеркалами 6 и 7 также выбирается в плоскости z-x, что позволяет, в отличие от способа прототипа, избавиться от присутствия компоненты бегущей волны и получить устойчивую контрастную структуру стоячей волны на светочувствительном образце 4. Как установлено автором, для получения высокого контраста в двумерной стоячей волне по данной схеме необходимо сделать интенсивности первого и второго лучей одинаковыми, а интенсивность третьего луча выбрать в два раза больше. Таким образом, использование предложенной схемы интерференции обеспечивает создание хорошо позиционированных двумерно-периодических структур (см. фиг.3), то есть позволяет решить поставленную задачу.
В первом частном случае реализации предлагаемого способа для создания двумерно-периодической картины интерференции с высокой стабильностью периодов используют интерференцию трех когерентных пучков с плоскими волновыми фронтами, то есть пучки с дифракционным качеством расходимости Δψ~λ/d. При использовании, как в прототипе, расходящихся пучков происходит линейное и квадратичное изменение (см. фиг.4) в пространстве периодов стоячей волны, то есть появляются дефекты в периодичности изготовленных рельефных структур [8].
Во втором частном случае реализации предлагаемого способа для дополнительной компенсации возможных фазовых искажений в пучке используют четное количество отражений для каждого из трех когерентных пучков, например два или четыре отражения от плоских зеркал.
В третьем частном случае реализации предлагаемого способа для повышения эффективности интерференции выбирают поляризации пучков в зависимости от их углов падения на плоскость светочувствительного образца.
В четвертом частном случае для создания на большой площади двумерно-периодической структуры в виде наноразмерных бугорков или ямок на фоне плоской поверхности образца используют одну экспозицию.
Таким образом, в разработанном фотолитографическом интерференционном способе для создания наноразмерных двумерно-периодических структур без дефектов предлагается использовать интерференцию трех несимметрично расположенных пучков когерентного излучения с плоскими волновыми фронтами и с соотношением между интенсивностями пучков: 1:1:2.
Литература
1. Design and analysis of a scanning beam interference lithography system for patterning gratings with nanometer-level distortions. Paul Thomas Konkola. MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY, June 2003.
2. Some application cases and related manufacturing technigues for optical functional micro-structures on large areas. A. Gombert and others, Opt. Eng. 43(11), 2525-2533, 2004.
3. METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING PERIODIC PATTERNS BY STEP-AND-ALIGN INTERFERENCE LITHOGRAPHY, United States Patent Application 20100216075, August 26, 2010.
4. Methods and apparatus for lithography of sparse arrays of sub-micrometer features United States Patent 5759744, June 2, 1998.
5. Line defects in two-dimensional four-beam interference patters. C. Tan, C.S. Peng, V.N. Petryakov, Yu.K. Verevkin. J. Zhang, Z. Wang, S.M. Olaizola, T. Berthou, S. Tisserand, M. Pessa, New Journal of Physics, 10, 2008, 023023.
6. Когерентное воздействие на поверхность четырех пучков излучения XeCl-лазера. В.И. Бредихин, Ю.К. Веревкин, Э.Я. Дауме, С.П. Кузнецов, О.А. Мальшакова, В.Н. Петряков, Н.В. Востоков, Н.И. Полушкин, Квантовая электроника, том 30(4), с.333-336, 2000.
7. Effects of phase shifts on four-beam interference patterns. Andres Fernandez, Don W. Pfillion, Appl. Opt. vol.37, No.3, pp.473-478. 1998.
8. Analysis and creation of chirped gratings with interference of two laser beams, Yu.K. Verevkin, E.Ya. Daume, V.N. Petryakov, A.Yu. Klimov, B.A. Gribkov, Yu.Yu. Gushchina, J. Opt. A. Pure Appl. Opt.9 (7), pp.568-572, (2007).
9. Three-beam-interference lithography: Contrast and crystallography. Stay, J.L.; Gaylord, Т.К. Appl. Opt. 2008, 47, 3221-3230.