СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ НА ПОДЛОЖКЕ УПОРЯДОЧЕННОГО МАССИВА НАНОРАЗМЕРНЫХ СФЕРОИДОВ
METHOD OF FORMING ORDERED ARRAY OF NANOSIZED SPHEROIDS ON SUBSTRATE

Изобретение относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике, к нелитографическим микротехнологиям формирования на подложках тонкопленочных рисунков из наносимых на ее поверхность веществ.
Аналогами изобретения авторы считают лазерно-фотолитический и лазерно-пиролитический способы получения микрорисунков на подложке [Вьюков Л.А., Емельянов Ф.В., Ермолов А.В. Лазерные процессы в технологии микроэлектроники // Изв. АН СССР, Сер. Физ. - 1987. - Т.51, №6. - С.1203-1210], при которых подложка облучается сфокусированным лазерным излучением и находится в атмосфере паров соединения, разлагающегося под действием света или нагревания. На облучаемом участке подложки оседает слой вещества тонкопленочного рисунка. Недостатком аналога является малое разрешение, что вызвано дифракцией света на объективе осветителя; достижимое минимальное значение фокального пятна порядка длины волны света, то есть не менее сотен нм при использовании ультрафиолетового излучателя.
Прототипом изобретения является способ переноса вещества тонкой пленки с подложки-донора на подложку-акцептор путем лазерного облучения тонкой металлической пленки сквозь прозрачную подложку-донор при ретуши фотошаблонов [Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов. - Л.: Машиностроение, 1986]. При локальном облучении металлической пленки, расположенной непосредственно на поверхности донора, участок пленки испарялся, пары вещества пересекали зазор между пластинами донора и акцептора и оседали, создавая на поверхности акцептора островок из тонкого слоя металла, размер которого несколько больше облученной области пленки на подложке-доноре. Недостатком способа - прототипа является, как и в аналоге, малое разрешение.
Задачами, решаемыми в данном изобретении, являются:
- преодоление недостатков прототипа: увеличение разрешающей способности способа, получение возможности изготовления микроструктур с минимальными размерами, много меньшими длины волны излучения, инициирующего технологический процесс;
- создание способа получения объемных нанообразований типа сфер или сфероидов.
Задача решается тем, что в способе переноса вещества пленки, нанесенной на поверхность прозрачной пластины-донора, на акцепторную подложку путем импульсного лазерного облучения пленки сквозь пластину, в соответствии с изобретением, между упомянутой пленкой и пластиной наносят жертвенный подслой, причем подслой при упомянутом облучении испаряется.
Предлагается также, чтобы упомянутая пленка была сформирована в виде массива островков.
Предлагается также, чтобы упомянутое лазерное облучение велось путем сканирования фокальным пятном.
Предлагается также, чтобы пластину-донор перемещали относительно подложки.
Предлагается также, чтобы температура испарения жертвенного слоя была меньше температуры испарения пленки, но больше температуры ее плавления, причем облучение необходимо проводить в условиях вакуума или инертной атмосферы.
Способ поясняется на Фиг.1, 2, 3.
На Фиг.1 а), б), в) показана последовательность этапов получения наносфер в соответствии с п.1 Формулы. Здесь 1 - пленка переносимого вещества, 2 - прозрачная пластина-донор, 3 - жертвенный подслой между переносимой пленкой и донором, 4 - подложка-акцептор, 5 - зазор между акцептором и пластиной-донором, 6 - лазерный пучок, 7 - фокальное пятно лазерного пучка, 8 - участок пленки 1, отделившийся от пластины 2 после испарения жертвенного слоя в фокальном пятне, 9 - сфера, в которую был стянут участок 8 силами поверхностного натяжения во время перемещения в зазоре 5.
На Фиг.2 а) и б) показана последовательность этапов получения наносфер в соответствии с п.2 Формулы. Здесь 10 - массив островков переносимой пленки, 11 - массив сфер, оказавшихся на подложке 4 в результате переноса массива островков с донора 2.
На Фиг.3 показан перенос вещества пленки 1 пластины 2 на подложку и получение наносфер в соответствии с п.3 Формулы. Здесь 12 - сфокусированный сканирующий лазерный пучок, перемещаемый по направлению стрелки, 13 - участок пленки, отделившийся от пластины 2 в результате воздействия лазерного пучка, 14 - массив сфер, оказавшихся на подложке 4 в результате поочередного лазерного облучения новых участков пленки двухслойной структуры.
При облучении жертвенного слоя 3 (Фиг.1) сфокусированным лазерным пучком 6 излучение поглощается, и участок жертвенного слоя в области фокального пятна 7 нагревается за время лазерного импульса до температуры кипения и испаряется. Давлением пара отрывается участок 8 пленки 1, температура этого участка оказывается приблизительно одинаковой с температурой пара. Если эта температура выше температуры плавления пленки, силами поверхностного натяжения плоский лоскут пленки собирается в сферическую каплю 9. Расчеты показали, что времени пролета (~0,2 мкс) капли в зазоре 5, величина которого должна составлять 1-2 мкм, достаточно для формирования сферы. Часть вещества пленки оказывается перенесенной через зазор на поверхность подложки и имеет на ней форму сфероида. При толщине пленки 8 нм и диаметре фокального пятна 200 нм образующаяся сфера имеет диаметр 80 нм.
В соответствии с п.2 Формулы реализуется групповой перенос (Фиг.2) множества пленочных островков 10 на подложку 4 и образование на ней массива наношариков 11. Островки заранее формируются одним из известных, например, электронно-литографическим, способов на пластине-доноре; лазерному облучению одновременно подвергается вся поверхность пластины, занятая островками. При толщине пленки 2 нм и диаметре островка 50 нм диаметр образующихся наносфер равен 20 нм.
В соответствии с п.3 Формулы реализуется поочередное формирование наносфер на подложке без предварительного формирования островков переносимого вещества на донорной пластине (Фиг.3). Сфокусированный лазерный пучок 12 перемещается относительно неподвижных пластины и подложки (или они перемещаются относительно неподвижного лазерного луча); лазер импульсно облучает пластину; за каждый импульс на подложке образуется наносфера 14. Перемещение лазера может быть скачкообразным или непрерывным, непрерывное перемещение возможно при малой длительности лазерного импульса порядка единиц наносекунд. Минимальное расстояние между наносферами определяется диаметром фокального пятна на жертвенном слое 3. Период следования лазерных импульсов должен быть согласован со скоростью сканирования.
На подложке формируется упорядоченный массив наночастиц, размер которых определяется толщиной пленки и диаметром испаренной зоны жертвенного слоя аналогично рассмотренному выше.
В соответствии с п.4 Формулы пластину-донор перемещают относительно подложки параллельно ее поверхности при одновременном сканирующем движении лазерного луча. Этим достигается возможность уменьшения минимального расстояния между наносферами, необходимо лишь двигать пластину навстречу движению луча.
Условия, предусмотренные в п.5 Формулы - вакуум или инертная атмосфера в зазоре, - обеспечивают отсутствие химического взаимодействия расплава переносимого вещества со средой за время переноса. Предполагается также, что инертная среда благодаря гидродинамическому воздействию на движущуюся каплю расплава может изменить ее форму со сферической на веретенообразную. Подобные формы осаждаемых наночастиц необходимы в некоторых применениях, например, при их использовании в качестве наноантенн.
Из вышесказанного следует:
- техническим результатом использования испаряющегося при облучении жертвенного слоя (п.1 Формулы) является предотвращение испарения переносимого с поверхности донора на акцептор вещества, возможность его переноса в компактном виде;
- техническим результатом предварительного формирования поверх жертвенного слоя массива островков переносимого вещества (п.2 Формулы) является возможность одновременного переноса большого числа островков, увеличение производительности при получении на акцепторной пластине слоя наносфер, а также возможность уменьшения размеров наносфер, так как островки могут быть выполнены с использованием неоптической технологии много меньших размеров, чем размер фокального пятна оптического излучения;
- техническим результатом использования облучения в виде сканирования фокальным пятном (п.3 Формулы) является возможность избежать стадии предварительного формирования массива островков переносимого вещества на доноре (упрощение технологии);
- техническим результатом перемещения пластины-донора параллельно поверхности акцептора в процессе сканирования фокальным пятном (п.4 Формулы) является возможность уменьшения расстояний между осаждающимися наносферами до значений, меньших диаметра фокального пятна;
- техническим результатом выбора температуры испарения жертвенного слоя в диапазоне между температурами плавления и испарения переносимой пленки, причем процесс переноса проводится в вакууме или инертном газе (п.5 Формулы) является возможность переноса вещества в компактном расплавленном состоянии. Химическая инертность среды переноса обеспечивает отсутствие химических воздействий на переносимое вещество, упругость газовой атмосферы предоставляет возможность управления формой осаждаемой наночастицы.
Рассмотрим примеры реализации изобретения.
Переносимым материалом, из которого состоят осаждающиеся на подложке нанообразования, может быть практически любой металл, полупроводник, диэлектрик (алюминий, золото, молибден, вольфрам, кремний, двуокись кремния, стекло, арсенид галлия, тройные и четверные полупроводники и т.д.). В качестве материала донорной пластины необходимо использовать прозрачные стекло, сапфир и др., в качестве материала акцепторной пластины могут быть применены и прозрачные, и непрозрачные материалы, в том числе стекло, металл, полупроводники кремний, германий, арсенид галлия и др.
Жертвенный слой может быть из легко испаряющихся или легко диссоциирующих при нагревании, предпочтительно поглощающих в тонких слоях лазерное излучение веществ (металлы алюминий, магний и др., органические соединения типа маннита, азиды металлов и т.д.). Условие поглощения в тонких слоях не обязательно, так как жертвенный слой может нагреваться и от переносимого островка за счет теплопроводности, если переносимое вещество тугоплавкое.
6
8
2
Лазерное излучение должно быть импульсным с длительностью импульса порядка единиц - сотен нс, длина волны излучения в диапазоне от УФ до ближней ИК-области спектра (эксимерные лазеры, азотный и твердотельный лазеры, последний - с модуляцией добротности и др.). Плотность мощности излучения на поверхности жертвенного слоя в импульсе - порядка 10-10 Вт/см, при этом достигаются импульсные температуры нагреваемого вещества от единиц тысяч до десятков тысяч градусов, расчетные значения давления паров жертвенного слоя - десятки атм.
Таким образом, показано, что новые элементы в предложениях обеспечивают возникновение полезных эффектов; показана реализуемость изобретения, показана достижимость целей изобретения.
Практическое применение изобретение может найти в микро- и наноэлектронике как нелитографическая технология формирования наноточек с упорядоченным их расположением, в оптике и нанооптике при создании фотонных кристаллов и сверхбыстродействующих приемников излучения и излучателей и др.