Исследование режима динамической силовой литографии в системе «Металл-полимер»

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА ДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ ЛИТОГРАФИИ ...

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

УДК 53.084.2

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА ДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ ЛИТОГРАФИИ В СИСТЕМЕ «МЕТАЛЛ - ПОЛИМЕР»

А.Л. Пинаев, А.В. Стовпяга

Предлагается простая и недорогая технология создания проводящих структур с пониженной размерностью на основе применения метода динамической силовой литографии (ДСЛ) к системе «металл - полимер». Приводятся результаты локальной ДСЛ-модификации поверхности поликарбоната и поликарбоната, покрытого алюминиевой пленкой, с использованием вольфрамового нанозондов с радиусом порядка 100 нм. Результаты модификации анализируются с помощью сканирующего зондового и растрового электронного микроскопов.

Ключевые слова: сканирующая зондовая микроскопия, литография.

Введение

Методы микро- и наномодификации материалов вызывают большой интерес, поскольку они во многом определяют развитие нанотехнологий. Известны методы ультрафиолетовой, рентгеновской, электронной или ионной литографии, основанные на взаимодействии фотонов, электронов или ионов с веществом. Существуют также методы сканирующей зондовой литографии (СЗЛ), использующие взаимодействие твердотельного нанозонда с поверхностью модифицируемого объекта. В основе СЗЛ лежит возможность концентрации в области наноконтакта токов большой плотности, высоких электрических полей и механических давлений. В этих условиях активизируется целый ряд явлений, таких как локальный разогрев, пластическая деформация, поляризация, полевое испарение, массоперенос за счет ионных токов в электролите и электрохимические реакции, в том числе реакции окисления. Раздельное или совместное действие этих факторов используется для наномодификации материалов в различных режимах СЗЛ.

Целью работы было исследование режима динамической силовой литографии (ДСЛ) на поверхности полимеров с металлическим покрытием. Метод ДСЛ легко реализуется на основе недорогих и доступных сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) с пьезорезонансными датчиками силового взаимодействия [1]. В некоторых приложениях он успешно конкурирует с дорогостоящими методами электронной или ионной литографии, позволяя создавать рисунок на поверхности образца с характерными размерами в несколько десятков нанометров. Известно, что ДСЛ с использованием вольфрамовых нанозондов хорошо работает на поверхности полимеров, таких, например, как поликарбонат [2]. Представляется весьма интересным распространить этот метод на тонкие металлические пленки с целью создания проводящих структур с пониженной размерностью. Мы выбрали систему «металл - полимер», чтобы исключить разрушение вольфрамового зонда в процессе ДСЛ.

Методика проведения эксперимента

Исследование метода ДСЛ в системе «металл - полимер» проводилось в СЗМ «КапоЕёиса1»г». Суть метода ДСЛ состоит в следующем. Создается цифровой шаблон, в котором зафиксированы координаты X, У и величина модифицирующего воздействия. В полуконтактном силовом режиме осуществляется сканирование зондом. На прямом

5

ходе сканирования в заданных точках производится локальное силовое воздействие на поверхность объекта путем подачи на пьезосканер импульса напряжения, приводящего к перемещению образца вдоль координаты 2 по направлению к зонду (рис. 1).

Рис. 1. Схема процесса ДСЛ: У - усилитель сигнала с датчика; Г - генератор раскачивания пьезотрубки датчика; СД - синхродетектор; ДУ - дифференциальный усилитель; Р - регулятор; К - контроллер; X - сумматор (суммирует сигнал обратной связи и импульсы перемещения образца вверх по оси Т, значение амплитуды и частоты которых таково, что система обратной связи не успевает отрабатывать вертикальное перемещение); У(х), У(у), У (г) - усилители перемещения сканера

Величина силового воздействия определяется амплитудой импульса напряжения. Длительность импульса воздействия * выбирается из условия * > 1/1,

где / - резонансная частота колебаний сканера вдоль координаты 2. В противном случае сканер не успеет произвести заданное перемещение. На обратном ходе сканирования производится визуализация результатов модификации. Величину механического давления т в точке касания нанозонда с поверхностью объекта модификации можно оценить как

Ыё/2

т =

2 Я2

где М - масса перемещающейся части сканера с образцом, ё - амплитуда смещения сканера, Я - радиус зонда. Смещение сканера можно получить из выражения

ё=аи,

где а - чувствительность сканера по координате 2, и - амплитуда импульса напряжения воздействия. Тогда условие оптимальной реализации режима ДСЛ будет иметь вид

Тр > т > Ts ,

где тр - напряжение пластической деформации зонда, т - напряжение пластической деформации образца. Исходя из этой модели, подбирались оптимальные параметры для ДСЛ и выполнялась модификация поверхности поликарбоната. В качестве объекта модификации выбирался фрагмент лазерного диска размером 5x5 мм, который размещался на рабочем столике СЗМ «NanoEducator».

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА ДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ ЛИТОГРАФИИ

Результаты эксперимента

На рис. 2 представлен результат модификации поверхности лазерного диска методом ДСЛ при с1 = 100 нм, I = 100 мкс и шаге сканирования 40 нм. Использовался зонд из вольфрама с радиусом Я порядка 100 нм. Из рис. 2 видно, что глубина каналов на поверхности поликарбоната, полученных методом ДСЛ, составляет 40 нм.

Рис. 2. Результат модификации поверхности лазерного диска методом ДСЛ: а - шаблон, б - СЗМ изображение поверхности после модификации, в - анализируемая канавка, г - сечение канавки

Для исследования метода ДСЛ в системе «металл - полимер» использовался фрагмент от металлизированного участка того же лазерного диска. Известно, что на металлизированном участке диска поликарбонат покрыт алюминиевой пленкой толщиной порядка 100 нм. Из рис. 3 видно, что метод ДСЛ может работать в системе «металл - полимер». Получены достаточно ровные края каналов с глубиной порядка 250 нм. Вместе с тем полного воспроизведения шаблона методом ДСЛ в системе «металл - полимер» получено не было.

Модифицированная поверхность образца металлизированного поликарбоната была исследована в растровом электронном микроскопе

Отметим, что РЭМ-изображения металлизированной поверхности поликарбоната до ДСЛ-модификации имели устойчивый характер и представляли собой гладкие поверхности с однородным контрастом. В то же время РЭМ-изображения модифициро-

ванных образцов были неустойчивыми во времени (расплывались и искажались). Контраст изображения был неоднородным, наблюдались отдельные яркие линии.

¿¡Г мкм

а б

Рис. 3. Результат модификации металлизированной поверхности лазерного диска: а - СЗМ-изображение поверхности после модификации, б - сечение канавки

Рис. 4. РЭМ-изображение металлизированной поверхности поликарбоната, модифицированной методом ДСЛ

Подобное поведение РЭМ-изображений можно объяснить тем, что в процессе модификации с поверхности поликарбоната был удален металлизированный слой. В результате вскрытые участки поликарбоната заряжались электронным пучком, что приводило к неустойчивости РЭМ-изображений и неоднородности их контраста. На некоторых участках РЭМ-изображений наблюдались яркие линии, повторяющие фрагменты шаблона, используемого при ДСЛ. Однако полностью шаблон на РЭМ-изображениях не воспроизводился. Этот факт можно объяснить тем, что в экспериментах с системой «металл - полимер» не были достигнуты оптимальные параметры для режима ДСЛ, и на некоторых участках металлическая пленка не была разрушена под действием локальной модификации.

Заключение

В результате проведенных исследований показано, что метод ДСЛ с использованием вольфрамовых нанозондов может быть применен к системе «металл - полимер». Анализ СЗМ- и РЭМ-изображений поверхности поликарбоната, покрытого алюминиевой пленкой, показывает, что металлическая пленка может быть удалена с поверхности с помощью метода ДСЛ.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ, МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МИКРОСТРУКТУР

Пространственное разрешение при создании структур таким методом сравнимо с пространственным разрешением, достигаемым на чистых поверхностях поликарбоната, и определяется радиусом используемого вольфрамового нанозонда (порядка 100 нм). Для определения оптимальных параметров метода ДСЛ для системы «металл - поликарбонат» необходимо провести дополнительные исследования, в частности, исследовать зависимость результатов локальной модификации от толщины и состава металлических покрытий. Использование метода ДСЛ в системе «металл - полимер» открывает путь для простой и недорогой технологии создания проводящих структур с пониженной размерностью.

Литература

1. Голубок А.О., Васильев А.А., Керпелева С.Ю., Котов В.В., Сапожников И.Д. Датчик локального силового и туннельного взаимодействия в сканирующем зондовом микроскопе // Научное приборостроение. - 2005. - Т. 15. - № 1. - С. 62-69.

2. Стовпяга А.В., Пинаев А.Л., Голубок А.О. Исследование нанозонда для модификации поверхности полимера методом динамической силовой литографии // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2008. - № 58. - С. 86-81.

3. Неволин В.К. Зондовые технологии в электронике. - М. : Техносфера, 2006. - 159 с.

Пинаев Александр Леонидович - Санкт-Петербургский государственный университет ин-

формационных технологий, механики и оптики, аспирант, pinaich@mail.ru

Стовпяга Александр Владимирович - Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, sanja100v@mail.ru

УДК 547.97: 535.8; 541.147

ЗАКОНОМЕРНОСТИ, МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МИКРОСТРУКТУР В ФОТОПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛАХ В.Г. Булгакова, Н.Д. Ворзобова

Исследованы закономерности формирования полимерных микроструктур в светоотверждаемом нано-композите. Установлена связь размерных характеристик микроструктур с экспозиционными параметрами, характеристиками амплитудной маски, толщиной слоя. Выявлена роль эффектов диффузии, ингиби-рования кислородом воздуха и самофокусировки света в процессах формирования микроструктур. Ключевые слова: фотополимер, фотополимеризация, микроструктура, форматное отношение, характеристический размер элемента, нанокомпозит.

Введение

Разработка методов формирования полимерных микроструктур является актуальной для получения элементов MEMS и MOEMS, элементов фотоники, электроники, механотроники, биотехнологий, элементов сопряжения и управления световыми пучками в волоконных линиях связи, элементов жидкокристаллических мониторов. Современный уровень исследований в данной области характеризуется поиском перспективных материалов, источников излучения, процессов получения микроструктурных элементов, а также их форм и конфигураций при уменьшении характеристических размеров элементов и увеличении форматного отношения. Одним из возможных методов формирования объемных микроструктурных элементов является глубокая литография.