Устройство для создания мультимодальной структуры методом лазерной интерференционной литографии
Владельцы патента RU 2654318:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) (RU)
Изобретение относится к области фотомеханического изготовления текстурированных поверхностей и касается устройства для получения мультимодальной структуры на поверхности образца методом лазерной интерференционной литографии. Устройство выполнено на основе интерферометра Ллойда и включает в себя держатель для размещения исходного образца, отражатель, установленный относительно держателя с возможностью формирования интерференционной картины на поверхности образца. Отражатель содержит, по меньшей мере, одну треугольную призму, выполненную из оптически прозрачного материала, или полупрозрачную плоскопараллельную пластину и отражающую поверхность, которая размещена со стороны задней, наиболее удаленной от держателя, грани призмы или задней поверхности пластины. Технический результат заключается в обеспечении возможности формирования мультипериодической структуры в одном направлении за одно экспонирование. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Изобретение относится к области фотомеханического изготовления текстурированных поверхностей, фотолитографии с использованием либо без использования фоторезиста. Изобретение может быть использовано для нанесения мультимодального (мультипериодического) рельефа на различные поверхности, например, с целью модификации оптических эффектов и эффектов модификации смачивания, что может быть применено в устройствах фотоники и микрофлюидики.
Уровень техники
На данный момент существует достаточное количество способов и устройств для модификации поверхности с целью создания периодического профиля методом лазерной интерференционной литографии.
Известно изобретение, раскрытое в публикации US 006178000 В1, - устройство, представляющее собой монолитный симметричный интерферометр для производства периодических шаблонов для литографии. Устройство формирует интерференционную периодическую картину с различными периодами, в зависимости от точки входа лазерного пучка на входной поверхности. В данном устройстве возможно получить мультипериодическую картину, однако, периоды структуры тем четче, чем уже пучок излучения, что заставляет выбирать между четкостью периодов итоговой структуры и увеличением ее размера и не позволяет получить высококачественные структуры достаточно большого размера.
Также известно изобретение, раскрытое в публикации US 20140118715 A1, - устройство для лазерной интерференционной литографии, использующее оптоволокно в качестве пространственного фильтра и расширителя оптического пучка. Описано использование устройства с несколькими оптическими волокнами для формирования разнонаправленного освещения материала интерференционной картиной. Данное устройство позволяет получать мультимодальные структуры, однако требует использования системы заведения света в оптоволокно, а также использования оптики на выходе из волокна для уменьшения расходимости пучка, что усложняет процесс сбора и юстировки устройства, требует дополнительного дорогостоящего оборудования, и, главное, делает пространственный фильтр не последним оптическим элементом, а значит, возможно ухудшение оптических параметров пучка оптикой, стоящей между волокном и поверхностью интерференции.
Известно изобретение KR 101395294 В1 - система для создания двумерных периодических структур лазерной интерференционной литографии. Интерференционная картина формируется за одно экспонирование с помощью трех независимых подвижных зеркал, направляющих части исходного лазерного пучка на образец. Устройство позволяет контролировать периоды и направления периодичности изготавливаемой структуры. Однако данное устройство требует широкого пучка, освещающего все используемые зеркала, что ведет к потерям в интенсивности излучения. Данное изобретение является наиболее близким к заявляемому устройству.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание устройства для формирования мультимодальной структуры методом лазерной интерференционной литографии.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности формирования мультипериодической структуры в одном направлении за одно экспонирование, с характерными размерами периодов от 200 до 20000 нм. Далее эта картина может быть использована для экспонирования слоя фоторезиста на требуемой поверхности, для последующего травления либо нанесения дополнительных слоев вещества. Также картина может быть приложена к поверхности непосредственно без фоторезиста для непосредственной модификации поверхности оптическим полем. Формирование мультипериодической структуры за одно экспонирование позволяет экономить время, а также добиваться изменения параметров итогового оптического поля путем интерференции сразу трех и более пучков, что невозможно при последовательном экспонировании. Деление пучка по интенсивности, а не по пространству, позволяет эффективно использовать площадь лазерного пучка, что дает выигрыш в итоговой мощности на структурируемой поверхности, что ведет к уменьшению требуемого времени экспонирования.
Поставленная задача решается тем, что, согласно техническому решению, устройство для получения мультимодальной структуры на поверхности образца методом лазерной интерференционной литографии, выполнено на основе интерферометра Ллойда и включает держатель для размещения исходного образца, отражатель, установленный относительно держателя с возможностью формирования интерференционной картины на поверхности образца, при этом отражатель содержит, по меньшей мере, одну треугольную призму, выполненную из оптически прозрачного материала, или полупрозрачную плоскопараллельную пластину, а также отражающую поверхность, которая размещена со стороны задней, наиболее удаленной от держателя, грани призмы или задней поверхности пластины, или непосредственно сформирована на задней грани призмы или в виде отражающего покрытия. Периоды формируемой структуры определяются по формуле Р=λ/(sinθi-sinθj), где λ - длина волны падающего излучения, θi, θj - углы падения интерферирующих лазерных лучей на поверхность образца. При выполнении отражателя содержащим две и более призм их размещают вплотную друг к другу с образованием прямого или тупого угла между передними гранями призм и плоскостью держателя образца. Коэффициент пропускания излучения плоскопараллельной пластины составляет от 10% до 90%. Призма может быть выполнена из плавленого кварца. Отражающая поверхность, или отражающее покрытие, выполнена многослойной из чередующихся пар слоев SiO2/Ta2O5 Передняя, наиболее близкая к держателю, грань призмы выполнена с отражающим покрытием, имеющим коэффициент пропускания излучения от 10% до 90%. В качестве образца может быть использована подложка с фоторезистом.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 и 2 изображена оптическая схема заявляемого устройства.
На фиг. 3 изображена картина высот образца с проявленным фоторезистом, проэкспонированного мультипериодическим (мультимодальным) полем лазерного излучения с периодами около 0.7 мкм и 17.8 мкм. Изображение получено при помощи атомно-силового микроскопа.
На фиг. 4 схематично изображено заявляемое устройство.
На фиг. 5 изображена схема заявляемого устройства с двумя призмами, которое может быть использовано для создания мультимодальных структур с числом периодов больше трех.
Позициями на чертежах обозначены:
1. Держатель
2. Стойка
3. Стойка
4. Вращательный столик
5. Поверхность образца
6. Источник излучения
7. Отражатель
8. Призма
9. Отражающая поверхность
10. Отражатель с двумя призмами
11. Пучок отфильтрованного лазерного излучения
12. Пространственный фильтр
13. Фокусирующий элемент
14. Диафрагмирующий элемент
15-17 - Оптические пути
18 - Угол падения лазерного пучка на структурируемую поверхность
19 - Передняя грань призмы
20 - Задняя грань призмы
21 - Угол падения отраженного от передней грани призмы лазерного пучка на структурируемую поверхность
22 - Угол падения отраженного от задней грани призмы лазерного пучка на структурируемую поверхность.
Общая оптическая схема устройства включает лазерный источник излучения 6, пространственный фильтр 12, состоящий из фокусирующего элемента 13 и диафрагмирующего элемента 14, пучка отфильтрованного лазерного излучения 11, падающего на структурируемую поверхность образца 5 и отражатель 7.
Образец закреплен на юстируемом держателе 1, Держатели 1 и отражатель 7 закреплены на стойках 2 и 3. Стойки закреплены на вращательном столике 4 так, чтобы можно было менять угол падения лазерного пучка на поверхность 5. Конструкция вращается вместе со столиком 4.
Отражатель может быть выполнен из призмы 8, выполненной из оптически прозрачного материала и расположенной со стороны задней, наиболее удаленной от структурируемого образца по ходу пучка излучения грани призмы, отражающей поверхности, выполненной зеркальной. Отражающая поверхность может быть сформирована непосредственно на задней грани призмы.
В случае использования треугольной призмы, а также комплекта треугольных призм их располагают таким образом, чтобы грань призмы, выполненная со стороны наибольшей стороны треугольника основания, была обращена к источнику излучения и структурируемому образцу. При этом, в случае использования двух призм в плоскости поверхности образца создается интерференционная картина с использованием четырех лазерных пучков: первый пучок (21) падает непосредственно на образец, второй пучок отражается от передней (ближайшей к образцу) грани первой призмы, третий - от границы раздела двух призм, четвертый - от задней грани второй призмы.
Также возможно исполнение аналогичного устройства с отражателем, выполненным в виде одной призмы 8, но при этом с задней гранью 20, запыленной металлом для повышения коэффициента отражения. Также возможно аналогичное устройство с одной призмой, но при этом с формированием многослойного диэлектрического зеркала на задней грани 20 призмы 8 для увеличения коэффициента отражения. Также возможно аналогичное устройство с несколькими призмами, любые поверхности которых могут быть запылены металлом либо диэлектрическим зеркалом с целью повышения коэффициента отражения требуемых отражающих поверхностей.
Кроме того, возможен вариант выполнения отражателя в виде плоскопараллельной пластины (на фиг. не показана) конечной толщины, имеющей коэффициент пропускания излучения 10% до 90%.
Осуществление изобретения
На фиг. 4 изображена возможная конструкция устройства. Все элементы конструкции жестко закреплены на столике 4 болтовыми либо другими соединениями. Конструкция вращается вокруг вертикальной оси вместе с вращательным столиком 4. Структурируемая поверхность 5, например подложка с фоторезистом, крепится к юстируемому держателю 1. На фиг. 2 изображен вид сверху данной схемы. Лазерный луч, направленный, например, горизонтально, падает на структурируемую поверхность 5 и переднюю грань призмы 8. Лазерный луч при этом отфильтрован и расширен пространственным фильтром 12. В результате, на поверхность 5 падает два отраженных передней и задней гранями призмы 8 пучка и один неотраженный под разными углами, лежащими в одной плоскости. Углы падения на образец рассчитываются исходя из законов отражения и преломления света, а также знания углов падения лазерного пучка на переднюю поверхность призмы 24 и структурируемую поверхность 5. Данные углы падения частей исходного пучка 11 могут быть выбраны путем вращения столика 4, выбора материала призмы 8 и угла схождения ее граней, а также взаимным углом расположения призмы и структурируемой поверхности 5. В результате облучения интерферометра с закрепленной структурируемой поверхностью 5 происходит формирование интерференционной мультипериодической (мультимодальной) интерференционной картины в плоскости структурируемой поверхности 5. Осуществляется экспонирование световым полем данной интерференционной картины с требуемой выдержкой по времени. Далее, при использовании фоторезиста, фоторезист проявляется, формируя мультипериодическую (мультимодальную структуру) на поверхности 5. После чего структура может быть покрыта требуемыми слоями, либо может быть осуществлено травление структуры через получившуюся маску из фоторезиста.
Сущность изобретения заключается в использовании призмы (или нескольких призм) в качестве комплекта отражателя в интерферометре Ллойда. Часть лазерного пучка 11 падает непосредственно на структурируемую поверхность под углом падения 18. Другая часть лазерного пучка падает на переднюю грань 19 призмы 8 (или первой призмы из комплекта). При этом часть интенсивности отражается на структурируемую поверхность под углом 21. Другая часть интенсивности преломляется на передней грани 19 призмой 8, достигает ее задней грани 20, отражается от нее, снова преломляется на передней грани 19 призмы 8 и падает на структурируемую поверхность под углом 22. Углы 18, 21 и 22 лежат при этом в одной плоскости. Таким образом, происходит интерференция между тремя и более пучками, падающими под разными углами в одной плоскости на структурируемую поверхность. Таким образом, формируется мультипериодическая (мультимодальная) структура оптического поля для лазерной интерференционной литографии. Периоды изготавливаемой структуры могут быть рассчитаны по формуле:
Pij=λ/(sinθi-sinθj),
где λ - длина волны падающего излучения, θI, θj - углы падения интерферирующих лазерных лучей на поверхность образца (которые отсчитываются с одной стороны от нормали). При использовании одной призмы, как показано на фиг. 1, с тремя лучами, падающими под углами 18, 21 и 22 (при этом углы 21 и 22 находятся с одной стороны от перпендикуляра к плоскости падения, а угол 18 - с другой), будет получена структура с тремя периодами:
Р12=λ/(sin(∠18)+sin(∠21)), Р13=λ/(sin(∠18)+sin(∠22)), Р23=λ/(sin(∠21)-sin(∠22)).
Можно заметить, что период Р12 близок Р13, а Р23>>Р12.
При желании можно добиться структуры только с двумя периодами, таким образом подобрав угол падения света на образец и параметры призмы, чтобы один из углов падения стал равен 90 градусам и больше, то есть один из лучей не попадал на образец.
На фиг. 3 изображена мультипериодическая (мультимодальная) структура из фоторезиста, полученная при экспонировании образца излучением гелий-кадмиевого лазера с длиной волны 325 нм на поверхности, покрытой негативным фоторезистом ma-N 1407 с последующим проявлением. Расстояние от лазера до образца - 1 м. Изображение получено методом атомно-силовой микроскопии. На поверхность падало 3 пучка под разными углами, лежащими в одной плоскости, в результате чего сформировалась картина, обладающая двумя явно выраженными периодами около 0.7 и 17,8 мкм в одном направлении. При изготовлении данной структуры три пучка были сформированы при помощи интерферометра Ллойда с прямой призмой из плавленого кварца. В основании призмы лежит прямоугольный треугольник с величиной углов 30°-60°-90°. Данный результат демонстрирует возможность получения данной мультипериодической структуры при использовании описываемого в данной заявке изобретения.
1. Устройство для получения мультимодальной структуры на поверхности образца методом лазерной интерференционной литографии, выполненное на основе интерферометра Ллойда, и включающее держатель для размещения исходного образца, отражатель, установленный относительно держателя с возможностью формирования интерференционной картины на поверхности образца, при этом отражатель содержит, по меньшей мере, одну треугольную призму, выполненную из оптически прозрачного материала, или полупрозрачную плоскопараллельную пластину, а также отражающую поверхность, которая размещена со стороны задней, наиболее удаленной от держателя, грани призмы или задней поверхности пластины, или непосредственно сформирована на задней грани призмы или в виде отражающего покрытия.
2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что периоды формируемой структуры определяются по формуле Р=λ/(sinθi-sinθj), где λ - длина волны падающего излучения, θi, θj - углы падения интерферирующих лазерных лучей на поверхность образца.
3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что при выполнении отражателя содержащим две и более призм их размещают вплотную друг к другу с образованием прямого или тупого угла между передними гранями призм и плоскостью держателя образца.
4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что коэффициент пропускания излучения плоскопараллельной пластины составляет от 10% до 90%.
5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что призма выполнена из плавленого кварца.
6. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что отражающая поверхность, или отражающее покрытие, выполнена многослойной из чередующихся пар слоев SiO2/Ta2O5.
7. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что передняя, наиболее близкая к держателю, грань призмы выполнена с отражающим покрытием, имеющим коэффициент пропускания излучения от 10% до 90%.
8. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что в качестве образца использована подложка с фоторезистом.
