УСТРОЙСТВО ЭКСПОНИРОВАНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР
APPARATUS FOR EXPOSURE WHEN FORMING NANOSIZE STRUCTURES AND METHOD OF FORMING NANOSIZE STRUCTURES

Изобретение относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике, к нанотехнологиям формирования на подложках тонкопленочных рисунков из наносимых на поверхность подложек веществ или структур внутри подложек из их вещества.
При получении и тиражировании различных наноразмерных устройств проблемой является воспроизведение их элементов в нужном месте подложки и с высокой точностью до единиц и десятков ангстрем.
Аналогами устройства экспонирования при получении наноразмерных структур можно считать ионно-лучевые или электронно-лучевые литографы, в которых лучи из атомных частиц фокусируются электромагнитными линзами в вакууме на нужное место поверхности подложек [Введение в фотолитографию./ Под ред. В.П.Лаврищева. М., Энергия, 1977, 400 с]. Недостатком устройств-аналогов является их сложность, обусловленная необходимостью получения высокого вакуума в установках, необходимостью использования высоких и стабильных электрических напряжений и недостаточная производительность установок.
Способ формирования наноразмерных наноструктур, который является способом-аналогом, реализуемым с помощью указанных литографов, заключается в экспонировании сфокусированным излучением чувствительного слоя резистивной пленки, нанесенной на полупроводниковую подложку, с последующим проявлением полученного скрытого рисунка и травлении подложки в местах, полученных после проявления отверстий в резистивной пленке [Введение в фотолитографию./ Под ред. В.П.Лаврищева. М., Энергия, 1977, 400 с.]. Недостатками ионно-лучевого и электронно-лучевого методов являются малая производительность и возможности повреждения полупроводниковых подложек за счет внесения в поверхностные слои подложки электрического заряда и других дефектов.
Прототипом устройства экспонирования по предлагаемому изобретению взята установка оптической проекционной фотолитографии [Введение в фотолитографию./ Под ред. В.П.Лаврищева. М., Энергия, 1977, 400 с.], в которой все технологические операции могут проводиться при атмосферном давлении; в этой установке увеличенное изображение формируемого на подложке рисунка, подготовленное заранее в виде фотошаблона с прозрачными и не прозрачными участками, проецируется оптическим объективом с уменьшением на поверхность подложек, содержащих фоточувствительный резистивный слой.
Преимуществом этой установки является меньшая, чем у аналога, сложность ввиду отсутствия необходимости в вакууме, недостатком - недостаточная для получения наноразмерных элементов разрешающая способность, что вызвано дифракцией света на оптических объективах и невозможностью по этой причине путем оптической фокусировки получать световые картины с размерами элементов менее длины волны света.
Способом-аналогом, реализуемым с помощью оптической проекционной установки, авторы считают метод лазерного осаждения тонкопленочных осадков на поверхности подложек [Чесноков В.В., Резникова Е.Ф., Чесноков Д.В. Лазерные наносекундные микротехнологии. Монография. / Под общ. ред. Д.В.Чеснокова. - Новосибирск: СГГА, 2003. - 300 с.]. В этом методе на поверхность проектируется сформированное лазерным излучением изображение трафаретной маски, подложка находится в атмосфере газа, содержащего пары термически или фотолитически разлагающегося химического соединения, и в освещенных местах поверхности подложки в результате распада молекул химического соединения осаждается необходимое вещество.
Недостатком данного аналога является малая разрешающая способность, обусловленная причинами, перечисленными при анализе оптических проекционных установок, преимуществом - отсутствие необходимости в фоторезистивном слое, то есть некоторое упрощение.
Способом-прототипом является метод оптической фотолитографии [Введение в фотолитографию./ Под ред. В.П.Лаврищева. М., Энергия, 1977. 400 с.], заключающийся в проекционном формировании, как и в аналоге, в чувствительном слое резистивной пленки, нанесенной на поверхность полупроводниковой подложки, скрытого рисунка топологии микросхемы с последующим проявлением полученного скрытого рисунка и травлении подложки через полученные после проявления отверстия в резистивной пленке. Формируемый рисунок является уменьшенным изображением рисунка фотошаблона, уменьшение производится с помощью оптического объектива.
Недостатки способа-прототипа являются следствием недостатков устройства-прототипа - дифракция света на объективах ставит предел уменьшению размеров элементов. Для получения размеров на уровне десятков нм необходимо при фотолитографии переходить на диапазон длин волн глубокого ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения, что представляет собой сложную проблему.
Решаемой в настоящем изобретении задачей является создание устройства экспонирования и способа формирования наноразмерных структур с использованием оптического излучения видимого диапазона длин волн, при котором формирование локально освещенных областей производится методом, практически лишенным дифракционных искажений и основанном на использовании интерференционной картины, возникающей при многолучевой интерференции света между зеркалами интерферометра Фабри-Перо. Решается также задача создания скрытого рисунка во внутреннем объеме фоточувствительной пластины, имеющей размеры во всех трех измерениях намного больше длины волны излучения. При последующей химической обработке в такой пластине может быть образована пространственная периодическая структура в виде наноканалов или нанопроволок, которая может стать основой фотонного устройства. Решается задача создания наноструктур из вещества окружающей среды без использования фоторезистивных слоев.
Задача решается тем, что предлагаются следующие устройство экспонирования и способ формирования наноразмерных структур.
В предлагаемом устройстве экспонирования при формировании наноразмерных структур, содержащем один или более источников монохроматического излучения, зону для размещения чувствительных к облучению экспонируемых излучением подложек или слоев подложек, элементы механического закрепления упомянутых подложек - совокупность оптических элементов для формирования локально освещенных областей на подложках, в соответствии с изобретением в качестве упомянутой совокупности применены один или более скрещенных осями симметрии интерферометров Фабри-Перо, границы световых потоков которых ограничивают упомянутую зону, причем упомянутые излучения вводятся в интерферометры перпендикулярно их зеркалам, тогда как образующаяся в упомянутой зоне интерференционная картина многолучевой интерференции может включать линии пересечения плоскостей интерференционных максимумов между собой, в то время как элементы, размещенные в упомянутой зоне, и любые области упомянутой зоны прозрачны.
Предлагается также, что упомянутые зеркала закреплены в механизме их перемещения по направлению, перпендикулярному поверхности зеркал.
Предлагается также, что по ходу упомянутых излучений вне упомянутых интерферометров установлены первые регулируемые фазовращатели.
Предлагается также, что по ходу упомянутых излучений вне упомянутой зоны между упомянутыми зеркалами установлены вторые регулируемые фазовращатели.
Предлагается также, что на пути прошедшего упомянутый интерферометр излучения и/или отраженного от него устанавливают преобразователь интенсивности излучения в электрический сигнал, причем по ходу одного или каждого из упомянутых световых потоков устанавливают оптический затвор.
Предлагается также, что частоты излучения упомянутых источников могут регулироваться.
Предлагается также, что излучения упомянутых источников когерентны друг другу и в то же время имеют линейную или круговую поляризацию с однонаправленными колебаниями световых векторов.
Предлагается также, что упомянутые подложки закрепляют в упомянутой зоне плоскими гранями параллельно упомянутым зеркалам.
Предлагается также, что упомянутые подложки являются свободными прозрачными тонкими пленками.
Предлагается также, что упомянутые подложки в упомянутой зоне закрепляют в кювете, причем противостоящие стенки этой кюветы образованы зеркалами упомянутых многолучевых интерферометров или параллельны поверхностям зеркал.
Предлагается также, что упомянутая кювета заполнена жидкостью, тогда как элементы и среды, размещенные в упомянутой кювете, имеют одинаковый показатель преломления.
Предлагается также, что упомянутая жидкость содержит термо- или фотолитически разлагающиеся соединения.
Предлагается также, что упомянутая кювета заполнена газообразной средой, содержащей термо- или фотолитически разлагающиеся соединения.
Предлагается также, что плоскую подложку с закрепленным на ней с помощью промежуточной прозрачной прослойки слоем фоторезиста закрепляют в упомянутой кювете параллельно ходу упомянутого излучения.
В предлагаемом способе формирования наноразмерных структур, включающем образование монохроматическими актиничными излучениями оптической картины на поверхности или в объеме чувствительных к облучению подложек или слоев подложек, размещенных в зоне облучения, в областях которой могут содержаться термо- или фотолитически разлагающиеся соединения, экспонирование подложек излучением с образованием под действием излучений в них или на их поверхностях скрытых проявляемых впоследствии изображений или материальных структур из вещества окружающей среды, в соответствии с изобретением упомянутое экспонирование производят оптической картиной интерференционных максимумов стоячих световых волн многолучевой интерференции в упомянутой зоне внутри границ световых потоков одного или более интерферометров Фабри-Перо, причем упомянутая картина может включать линии пересечения плоскостей упомянутых интерференционных максимумов между собой.
Предлагается также, что производят перемещение одного или двух упомянутых зеркал или регулируют первые фазовращатели заданным образом, добиваясь стоячих световых волн в упомянутых световых потоках.
Предлагается также, что устанавливают равенство фаз колебаний световых векторов пересекающихся упомянутых световых потоков регулированием вторых фазовращателей.
Предлагается также, что во время экспонирования или перед его началом производят изменение частоты упомянутого монохроматического излучения заданным образом.
Изобретение поясняется с помощью фиг.1-12, которые представляют собой возможные варианты конструкции предложенного устройства и предложенного способа.
Фиг.1: упрощенная принципиальная оптическая схема устройства экспонирования при формировании наноструктур, где зеркала 1, 2 и 3, 4 образуют два интерферометра Фабри-Перо, имеющих общую зону облучения 5; 6 и 7 - монохроматическое коллимированное излучение, направляемое через полупрозрачные зеркала 2 и 4 в зону облучения; 8 - лазерный источник коллимированного монохроматического излучения; 9 - светоделительное зеркало, расщепляющее излучение на два световых потока; 10 и 11 - непрозрачные зеркала; 12 - первый регулируемый оптический фазовращатель, установленный по ходу излучения вне интерферометра Фабри-Перо.
Фиг.2 (а) и (б): две проекции схемы расположения пар зеркал 1, 2 и 3, 4 интерферометров Фабри-Перо и зоны облучения 5; обоюдоострыми стрелками показаны направления перемещения зеркал 2 или 4 при необходимости настройки интерференционного устройства в резонанс с излучением.
Фиг.2(в): 5' - увеличенное изображение части зоны облучения, где 13 и 14 - плоскости максимумов многолучевой интерференционной картины, отделенные друг от друга промежутками, равными половине длины волны λ-излучения в среде с показателем преломления n; места пересечения плоскостей максимумов показаны кружочками.
Фиг.3 - картина распределения интенсивности I излучения в плоскости, перпендикулярной плоскости максимума интерференционной картины и пересекающей зону облучения.
Фиг.4 - пример варианта более подробной оптической схемы устройства экспонирования при формировании наноразмерных элементов. Здесь 15 и 16 - вторые регулируемые оптические фазовращатели, установленные по ходу излучения между зеркалами интерферометров Фабри-Перо вне зоны облучения; 17 и 18 - зеркала, направляющие вышедшее из интерферометра, образованного зеркалами 1 и 2, излучение на полупрозрачное зеркало 19; 20 - преобразователь интенсивности излучения в электрический сигнал; 21 и 22 - оптические затворы.
Фиг.5 - расположение прозрачной пластины 24, которая может быть составной, в зоне облучения между зеркалами 1 и 2 интерференционного устройства; 23 - устройство перемещения зеркала при настройке интерферометра в резонанс с излучением.
Фиг.6 - в области стыка частей 25 и 26 прозрачной составной пластины 24 расположен слой 27 фоторезиста.
Фиг.7 - расположение в кювете 28 прозрачной жидкости 29.
Фиг.8 - свободная прозрачная тонкая пленка 30 является подложкой, погруженной в жидкость 29 в кювете 28.
Фиг.9 - слой 31 фоторезиста закреплен с помощью промежуточной прозрачной прослойки 32 на дополнительной подложке 33, подложка слоем фоторезиста погружена в жидкость кюветы 28; промежуточная прослойка 32 имеет толщину порядка длины волны излучения в жидкости 29.
Фиг.10 - слой 31 фоторезиста расположен на пластине 24, касаясь ее поверхности, и закреплен на дополнительной подложке 33 с помощью вспомогательного прозрачного слоя 32, имеющего толщину порядка длины волны излучения в среде пластины 24.
Фиг.11 - пластина 24 после образования в ней сквозных каналов 34, образованных травлением экспонированных областей пластины; шаг расположения отверстий равен половине длины волны излучения в пластине.
Фиг.12 - вид в двух проекциях структур на дополнительной подложке 33, на вспомогательном слое 32 которой расположены островки 35 негативного фоторезистивного слоя, получившиеся после проявления скрытого рисунка в этом слое, образовавшегося в результате экспонирования в интерференционном устройстве, состоящем из двух интерферометров Фабри-Перо и содержащем две пары зеркал.
Фиг.13 - вид в двух проекциях дополнительной подложки 33, на вспомогательном слое 32 которой расположены полоски 36 негативного фоторезистивного слоя, получившиеся после проявления скрытого рисунка в этом слое, образовавшегося в результате экспонирования в одиночном интерферометре Фабри-Перо (с одной парой зеркал).
Рассмотрим физические процессы, определяющие реализуемость способа по изобретению и достижимость заявленных целей.
Использование многолучевой интерференции позволяет преодолеть дифракционные ограничения при формировании оптических рисунков с размерами элементов, много меньшими длины волны используемого оптического излучения. Из теории и практики интерференционных измерений, в том числе многолучевой интерференции [Розенберг Г.В. «Оптика тонкослойных покрытий», 1978], известно, что размер зоны концентрации энергии оптического излучения по ходу луча при размере зоны порядка десятков длин волн в поперечном к лучу направлении в случае формировании этой зоны за счет многолучевой интерференции монохроматических излучений может быть определен без учета дифракции и может быть в десятки - сотни раз меньше длины волны. Из этого следует, что при использовании одновременно двух скрещенных интерференционных картин появляется возможность формирования даже в видимом свете изображений с размерами по двум координатным осям до долей и единиц нанометров; при этом размер по третьей координате должен быть существенно больше, чем по первым двум, что допустимо в большинстве случаев применения нанолитографии.
Для концентрации энергии оптических волн на экспонируемом участке чувствительной среды в настоящем изобретении предлагается отказаться от фокусировки изображений с помощью объективов и использовать многолучевую интерференцию в резонаторе Фабри-Перо. Принципы функционирования устройства иллюстрируются с помощью Фиг.1. Потоки излучений 6 и 7 в области между зеркалами 1 и 2, а также зеркалами 3 и 4 образуют при пересечении друг друга зону 5, ее границы показаны пунктирной линией. Зеркала, образующие собой два скрещенных резонатора Фабри-Перо, в совокупности являются оптическими элементами, формирующими локально освещенные области на поверхности подложки или в ее глубине. Потоки монохроматического излучения 6 и 7 вводятся в интерференционное устройство через полупрозрачные зеркала 2 и 4. При резонансе в резонаторе Фабри-Перо существует световая стоячая волна, в плоскостях пучностей 13 и 14 (Фиг.2 (в)) которой интенсивность I волны может превышать интенсивность в областях между пучностями в тысячи раз (Фиг.3), расстояние между пучностями определяется выражением:
,
0
где λ - длина волны в вакууме, n - показатель преломления среды.
Области пучностей волны являются очень тонкими плоскими слоями, с указанным шагом размещенными почти во всем объеме среды. Толщину δ слоя пучности можно оценить с помощью выражения [Розенберг Г.В. «Оптика тонкослойных покрытий», 1978]:
-1
3
4
-1
-8
где ν - частота излучения (см), F - фактор резкости интерференционной картины. Считая F=1,5-10, λ=0,5 мкм (ν=2·10cм), получим δ=3,2-10 см=3,2 Å. Актиничное излучение может иметь как непрерывный характер, так и быть в виде одиночного импульса или в виде импульсно-периодического излучения.
Если устройство содержит только пару зеркал, то зона для размещения экспонируемых излучением подложек ограничена сечением вводимого через зеркало светового потока и расстоянием между зеркалами. Таким же образом ограничивается зона экспонирования в четырехзеркальном устройстве, если вводится один поток излучения, через одно зеркало. В обоих случаях в облучаемой зоне формируется система параллельно друг другу и зеркалам расположенных плоских областей пучностей 13 и 14 на Фиг.2, в; в местах пересечения эти плоских областей с поверхностью пластины или плоским слоем другого вещества, расположенным на поверхности или в глубине пластины, в этом слое и на поверхности формируются зоны облучения в виде систем периодически расположенных линий, ширины которых равны толщинам слоев пучностей. С помощью зеркал 3 и 4 (Фиг.1) и ввода в среду дополнительного светового потока 7 в объеме среды можно одновременно сформировать вторую интерференционную картину, плоскости пучностей которой ортогональны плоскостям первой картины. В местах пересечения плоскостей в среде образуются в виде световых нитей (кружочки на фиг.2, б и в) области повышенной интенсивности излучения, диаметр нити равен δ, длина равна ширине зеркала. Если излучения световых потоков не когерентны, интенсивность излучения в области нитей равна сумме интенсивностей световых потоков в этой области; в случае их когерентности интенсивность в зоне нити больше интенсивностей отдельных волн в областях плоскостей пучностей в 4 раза (при равенстве интенсивностей волн друг другу). Распределение интенсивностей во всем объеме среды можно представить в виде решетки пересекающих друг друга плоскостей 13 и 14, по линиям их пересечения образуются практически одномерные световые нити с увеличенной интенсивностью излучения. Эти нити являются аналогами «световых лучей», во внутреннем объеме которых должны происходить процессы взаимодействия излучения с веществом среды, ее экспонирование светом.
Указание на перпендикулярность введения излучений зеркалам интерферометров необходимо для определения допустимой степени расходимости излучения в интерферометре, определяющей, в свою очередь, толщину слоя пучности и, тем самым, разрешающую способность устройства экспонирования. Толщина слоя пучности минимальна при перпендикулярности излучений зеркалам.
Устройство в соответствии с п.1 формулы функционирует при любой поляризации используемых излучений как в двухзеркальном, так и в четырехзеркальном вариантах. В четырехзеркальном варианте предпочтительным является использование плоскополяризованных или поляризованных по кругу излучений с однонаправленными колебаниями световых векторов, в этом случае результирующая интенсивность в области пересечения плоскостей максимумов интерференционных картин размещенных скрещенно интерферометров может оказаться в два раза больше, чем при произвольной поляризации излучений (при интерференции складываются амплитуды колебаний световых волн, а интенсивность определяется как квадрат результирующей амплитуды). Правда, такой эффект возможен только при когерентных излучателях в четырехзеркальном варианте и взаимном равенстве фаз колебаний в максимумах интерференционных картин в областях их пересечений. Одним из известных способов получения двух или более когерентных световых потоков является разделение на несколько потоков излучения от одного излучателя, например, с помощью полупрозрачного зеркала.
При помещении в зону экспонирования подложек или поддерживающих деталей они все должны быть, как и оставшиеся не заполненными области зоны экспонирования, прозрачны, так как в противном случае многолучевая интерференция невозможна, уменьшится количество проходов излучения между зеркалами вследствие поглощения излучения в непрозрачных элементах.
Для настройки интерферометра Фабри-Перо в резонанс с излучением, вводимым в него через полупрозрачное зеркало, предлагается минимум одно из зеркал каждой пары перемещать по направлению, перпендикулярному поверхности зеркал. Для реализации перемещения зеркало закрепляют в механизме перемещения, например для этой цели в известных перестраиваемых интерферометрах часто используют пьезоэлектрический механизм в виде пьезоэлектрической шайбы, к одной стороне которой приклеивают зеркало, а другая закрепляется на общем для зеркал неподвижном основании - корпусе интерферометра. На Фиг.4-7 механизм перемещения изображен в условном виде 23.
Предлагается также возможность перемещать зеркала относительно экспонируемых объектов по одному направлению без изменения установленного расстояния между зеркалами, соответствующего условию резонанса интерферометра, или перемещать объекты относительно зеркал. При таком перемещении изменяется положение максимума интерференционной картины относительно объекта экспонирования, тем самым смещается световое пятно на экспонируемой подложке; проводя перемещение контролируемым образом в случае четырехзеркального описанного выше интерферометра, можно получить на подложке или внутри нее графический рисунок.
Если потоки 6 и 7 излучений пересекаются с произвольной разностью фаз в местах пересечений, результирующая интенсивность в этих местах может быть не максимальной. Фазовращатель 12 («первый регулируемый фазовращатель») на Фиг.1 позволяет регулировать фазу потока 6 и добиваться равенства фазы этого потока с потоком 7.
Назначение деталей и узлов варианта установки экспонирования и ее функционирование поясняется с помощью Фиг.4. Монохроматическое плоско- или по кругу поляризованное излучение из источника 8 с помощью полупрозрачного зеркала 9 расщепляется на два потока 6 и 7. Поток 6 при открытом затворе 22 проходит первый фазовращатель 12, зеркало 2 интерферометра, испытывает многократные отражения от зеркал интерферометра 1 и 2 и создает в пространстве между ними многолучевую интерференционную картину. Часть излучения потока 6 проходит через полупрозрачное зеркало 1 и с помощью непрозрачных зеркал 17 и 18 и полупрозрачного зеркала 19 направляется в преобразователь 20 интенсивности излучения в электрический сигнал. Таким преобразователем может быть фотоприемник.
Поток 7 с помощью зеркал 10 и 11 направляется во второй интерферометр, образованный полупрозрачными зеркалами 3 и 4 и размещенный направлением излучения перпендикулярно интерферометру с зеркалами 1 и 2. В зоне 5 оба потока пересекаются. На пути к зеркалу 4 установлен оптический затвор 23, который при экспонировании, как и затвор 22, должен быть открыт для прохождения излучений. «Вторые» фазовращатели 15 и 16, установленные внутри резонаторов вне зоны 5, могут выполнять функцию, аналогичную функции перемещения зеркал, и могут быть использованы для настройки интерферометров в резонанс с излучением. Пройдя интерферометр, поток 7 также попадает в преобразователь 20.
Использование монохроматических излучателей с регулируемой фазой световых колебаний позволяет добиваться при оптимальной настройке фаз наибольшего значения интенсивности колебаний в точках пересечения плоскостей максимумов интерференционных картин за счет интерференционного сложения энергии колебаний разных излучателей. В случае получения когерентных световых потоков делением излучения от одного излучателя регулирование фазы производят размещением на пути одного потока регулируемого оптического фазовращателя.
Для приведения устройства экспонирования в рабочее состояние необходимы настройки. Вначале при одном открытом затворе 21 или 22 настраивают соответствующий интерферометр, например образованный зеркалами 1 и 2, в резонанс с излучением, перемещая подвижное зеркало 2 или регулируя «второй» фазовращатель 15 и добиваясь максимального показания преобразователя 20. Настроив оба интерферометра, необходимо уравнять фазы световых потоков в областях пересечения максимумов интерференционных картин обоих интерферометров в зоне 5. В случае сложения когерентных излучений с однонаправленными колебаниями световых векторов при совпадении фаз колебаний наблюдается максимум результирующей интенсивности; этот максимум можно зафиксировать преобразователем 20, поставив оба затвора 22 и 23 в открытое положение и регулируя разность фаз между световыми потоками 6 и 7 с помощью «первого» фазовращателя 12.
Предлагается возможность применить источники излучения 8 с перестраиваемой частотой излучения. Такое свойство имеется у всех выпускаемых промышленностью лазерных излучателей. Изменение частоты может быть применено как для настройки интерферометра в резонанс с волной излучения, так и для перемещения положения максимумов интерференционной картины в интерферометре, так как расстояние между соседними максимумами интерференции равно половине длины волны излучения. Такое перемещение позволяет получать перемещение светового пятна на экспонируемой подложке, получить на подложке или внутри нее рисунок.
В соответствии с п.1 формулы временной характер излучений не регламентируется, излучения могут иметь непрерывный характер, характер одиночных или повторяющихся импульсов.
На фиг.5 интерференционная картина возбуждается в пластине 24. Зеркала 3 и 4, возбуждающие в пластине скрещенную с указанной вторую интерференционную картину, не показаны. Пластина должна своими плоскими гранями быть параллельна зеркалам 1и2(иЗи4).В толще пластины образуется световая картина в виде регулярной матрицы узких освещенных областей, разделенных относительно большими неосвещенными промежутками. Вблизи границы раздела пластины с окружающей средой освещенные области «размазаны», так как скорость света в пластине и в среде имеет разные значения, а свет распространяется вдоль поверхности границы раздела. Перемещение зеркал 2 относительно экспонируемой среды, как показано на фиг.5 механизмом 23, приведет к образованию плоскостей пучностей в новых местах экспонируемой среды, что позволит уменьшить шаг расположения экспонируемых областей и позволит получать сложные рисунки в пределах зоны между соседними пучностями интерференционной картины.
В технологиях фотолитографии для получения рисунка используются слои фоторезиста, наносимые на поверхность подложки; в этом слое формируется скрытое изображение при экспонировании слоя световой картиной. В рассматриваемом способе фотолитографическая технология также может быть использована. Необходимо нанести слой фоторезиста на прозрачную подложку с таким же, как у фоторезиста, показателем преломления, использовать фоторезист с минимально возможным поглощением света. На фиг.6 показано, что целесообразно слой фоторезиста 27 разместить между двумя частями 25 и 26 пластины 24 (Фиг.5) так, чтобы не было воздушных «карманов» у поверхности фоторезиста, которые могли бы исказить интерференционную картину между зеркалами. В этом случае необходимо, чтобы показатели преломления слоя 27 и частей 25 и 26 были одинаковы между собой.
На фиг.7 интерференционная картина возбуждается в прозрачной жидкости 29 в кювете 28 с прозрачными стенками, размещенной между зеркалами интерферометра стенками параллельно зеркалам; противостоящие стенки кюветы могут быть также образованы зеркалами многолучевых интерферометров. Зеркала 3 и 4, возбуждающие в кювете скрещенную с указанной вторую интерференционную картину, на фиг.7 не показаны. В толще жидкости, как и в случае пластины, образуется световая картина в виде регулярной матрицы узких освещенных областей, разделенных относительно большими неосвещенными промежутками. В жидкости можно размещать прозрачные подложки любых форм, если показатели преломления подложек и жидкости одинаковы, например, в виде пластины 24, как на Фиг.5, при этом исключается размытие интерференционной картины на поверхности подложки. Подложка, помещенная в кювету с жидкостью, может иметь цилиндрические боковые поверхности, быть, например, отрезком световода. Если в устройстве возбуждена только одна интерференционная картина, то в жидкости и подложках при вводе излучения возникает световая картина в виде набора множества параллельных плоскостей, пересекающих подложки без искажений у их поверхностей; в местах пересечения плоскостей интерференционных максимумов с поверхностями подложек на их поверхностях освещенные области будут иметь форму тонких линий. На подложке в виде плоской пластины на обеих ее сторонах образуются прямые тонкие штрихи, расположенные точно друг под другом; на стержне образуется последовательность кольцевых освещенных линий. Если подложки выполнены из чувствительного к излучению материала, то после экспонирования образовавшуюся в них картину скрытого изображения можно проявить избирательным травлением подложек. Подложки могут располагаться в жидкости под некоторым углом к плоскостям зеркал, что позволит получать на подложках периодические структуры с шагом, не равным шагу световой картины. На фиг.8 в жидкости кюветы помещена подложка в виде свободной тонкой пленки 30. Если ее толщина менее длины волны света в жидкости, то показатель преломления пленки может несколько отличаться от показателя жидкости.
Жидкая среда может содержать компоненты, термически или фотолитически разлагающиеся под действием света. На поверхности подложек при этом оседают продукты распада компонентов, образующие требующийся рисунок, задаваемый интерференционной картиной. После окончания процесса экспонирования пластина вытаскивается из жидкости и является подложкой слоя рисунка, иначе говоря, пластиной - носителем рисунка.
Можно одновременно все указанные нитеобразные области перемещать относительно среды, в которой они располагаются, по заданному закону, формируя тем самым некоторый объемный рисунок в объеме среды и двумерный рисунок на ее обеих поверхностях или поверхностях, размещенных в жидкой среде подложек путем относительного перемещения пластин и неподвижных относительно друг друга зеркал интерферометра. Такого же эффекта можно добиться, изменяя длину волны излучения; существует ряд дискретных значений частот излучения, соответствующих резонансу в интерферометре Фабри-Перо. Частоты ряда должны обеспечивать следующее условие: между зеркалами резонатора должно укладываться целое число половин длин волн излучения. Вызванный этим условием скачкообразный характер изменения координат плоскостей пучностей при плавном изменении частоты излучения сглаживается благодаря большому расстоянию между зеркалами резонатора в реальном устройстве.
В местах выхода нитей световой картины на поверхность, являющуюся границей с другой средой с отличным от первой показателем преломления, происходит краевое искажение волновых фронтов в связи с тем, что скорость света в этих средах различна, и расширение зоны с увеличенной интенсивностью, ухудшение достижимой степени локализации световой энергии.
На Фиг.9 показан пример закрепления в рассматриваемом устройстве с кюветой 28 полупроводниковой подложки 33 или подложки из любого непрозрачного или имеющего показатель преломления, отличающийся от показателя жидкости 29 в кювете. Фоторезистивный слой 31 нанесен на поверхность дополнительной подложки 33 с помощью соединительного слоя 32, показатель преломления которого должен быть равен показателю жидкости 29; толщина слоя 32 выбирается порядка одной или нескольких длин волн излучения в среде. Назначение подложки 33 при экспонировании - механическое удерживание чувствительного к излучению фоторезистивного слоя 31, предотвращение, например, его самопроизвольной деформации; назначение слоя 32 - удаление подложки 33 от фоторезистивного слоя, у которого показатель преломления равен показателю жидкости 29, для предотвращения искажений интерференционной картины в фоторезистивном слое. После нанесения и закрепления фоторезистивного слоя на подложке 33 подложка этим слоем вводится в жидкость 29 и подвергается экспонированию при включении излучения.
На Фиг.10 показан второй пример закрепления в рассматриваемом устройстве полупроводниковой подложки 33 или подложки из любого непрозрачного или имеющего показатель преломления, отличающийся от показателя пластины 24, вещества. Фоторезистивный слой 31 нанесен на поверхность дополнительной подложки 33 с помощью соединительного слоя 32, показатель преломления которого должен быть равен показателю пластины 24; толщина слоя 32 выбирается порядка одной или нескольких длин волн излучения в среде. Назначение подложки 33 при экспонировании - механическое удерживание чувствительного к излучению фоторезистивного слоя 31, предотвращение, например, его самопроизвольной деформации; назначение слоя 32 - удаление подложки 33 от фоторезистивного слоя, у которого показатель преломления равен показателю пластины 24, для предотвращения искажений интерференционной картины в фоторезистивном слое. После нанесения и закрепления фоторезистивного слоя на подложке 33 подложка этим слоем прижимается к пластине 24 интерференционного устройства, касается ее всеми точками поверхности, создается оптический контакт, и подвергается экспонированию при включении излучения.
Если использовать пластину 24 из материала, чувствительного к воздействию света, то после вытравливания засвеченных областей в пластине, можно получить матрицу сквозных каналов 34, как на фиг.11, или пучок нанопроволок, если избирательно вытравливать незасвеченные области пластины. Шаг расположения получаемых каналов определяется выражением , где n - показатель преломления пластин.
Состояние подложки 33 со слоями после экспонирования и проявления экспонированного слоя 31 показано на Фиг.12 и 13. Слой 31 преобразуется в слой островков 35 (на Фиг.12) или в слой полосок 36 (на Фиг.13), последний вариант - в результате экспонирования в интерференционном устройстве с одной парой зеркал.
0
9
-2
14
-2
Оценочный расчет показывает, что при длине волны излучения в вакууме λ=0,5 мкм, значении показателя преломления n=1,5 достижим размер экспонированной области δ=3,2 Å; поверхностная плотность формируемых нанообразований, например наноточек, может достигать значений (0,5-2,0)·10 см; при использовании перемещения наноканалов указанным выше образом можно, в принципе, добиться расположения экспонированных областей вплотную друг к другу и получить плотность расположения нанообразований до 4·10 см, недостижимую даже теоретически другими методами плотность. Производительность получения наноструктур рассматриваемым методом также очень высока, так как указанные световые нити одновременно формируются по всему объему пластины резонатора, точки их выходов из объема пластин занимают всю поверхность пластин.
При реализации способа могут использоваться обычные для оптики материалы и конструкции. В качестве жидкой среды применимы вода и органические растворители с необходимым значением показателя преломления; в качестве излучателей - аргоновые непрерывные лазеры или твердотельные лазеры с удвоением частоты.
Таким образом, показаны реализуемость способа и достижимость поставленных целей.
Интерференционное формирование наноструктур найдет применение в на-ноэлектронике, например при формировании массивов таких объектов, как квантовые проволоки и квантовые точки, в фотонике - при создании фотонных кристаллов.
Технический результат изобретения состоит в создании способа получения наноразмерных периодических структур на поверхностях и во внутренних областях твердых тел, используемых в качестве подложек в наноэлектронике и фотонике.