Способ изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках

Изобретение относится к области микро- и нанотехнологии и может быть использовано для изготовления массивов субмикронных структур, используемых в устройствах нанофотоники и наноплазмонной сенсорики для повышения уровня их чувствительности. Способ изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках включает подготовку рабочей поверхности оптически прозрачной подложки, нанесение резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки, лучевое экспонирование, проявление с формированием маски в резистивном слое и физическое осаждение металла из газовой фазы. Формирование маски в резистивном слое осуществляют путем трехуровнего профилирования дозы облучения, включающего первый уровень облучения с дозой D1 области структуры с площадью S1, второй уровень облучения с дозой D2 области структуры с площадью S2 по периметру структуры с площадью S1 и третий уровень облучения с дозой D3 области структуры с площадью S3, превышающей площадь, равную сумме S1 и S2, при этом доза облучения D3 много меньше дозы облучения D1, a доза облучения D2 больше дозы D1. В частных случаях осуществления изобретения после нанесения резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки на резистивный слой наносят проводящий слой, который удаляют перед проявлением. Область структуры с площадью S1 много больше области структуры с площадью S2. Изготовление упомянутых структур осуществляют в условиях вакуума ниже 1×10-6 мбар. В качестве лучевого экспонирования проводят электронно-лучевое экспонирование. Осаждение металла проводят при температуре Т1 в диапазоне от 150 до 450 К со скоростью не более 5 нм/с. Обеспечивается уменьшение шероховатости края регулярных субмикронных металлических структур и повышение повторяемости изготавливаемых массивов указанных структур на оптически прозрачных подложках. 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области микро и нанотехнологии и может быть использовано для изготовления массивов субмикронных структур, используемых в устройствах нанофотоники и наноплазмонной сенсорике.

Лучевая литография на данный момент один из основных методов изготовления субмикронных структур для устройств электроники и фотоники. Лучевая литография как метод создания наноразмерных структур датируется 1960 годом, когда учеными из университета Тюбингена в Германии были получены линии шириной в полмикрона на коллодиевой 100 нм пленке. Несколькими годами позже был разработан один из первых и по сей день используемых электронных резистов - полиметилметакрилат (ПММА). В 70-ых электронно-лучевая литография (ЭЛЛ) начинает использоваться в микроэлектронном производстве за счет повышающегося уровня быстродействия таких систем и высокого разрешения. В 90-х годах ЭЛЛ становится основным инструментом изготовления субмикронных структур нанофотоники за счет достижения ультравысокого разрешения в единицы нанометров.

Известен способ изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках, включающий подготовку рабочей поверхности оптически прозрачной подложки, нанесение резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки, лучевое экспонирование, проявление с формированием маски в резистивном слое и физическое осаждение металла из газовой фазы. [Майер, Стефан А. "Плазмоника: теория и приложения". - Ижевск: НИЦ, Регулярная и хаотическая динамика, (2011), с. 91-94].

Недостаток этого способа заключается в низкой повторяемости размера изготовленных структур, связанном с тем, что в способе используется проводящий слой оксида титана на поверхности подложки, который невозможно удалить уже после формирования субмикронных металлических структур.

Известен также способ изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках, включающий подготовку рабочей поверхности оптически прозрачной подложки, нанесение резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки, лучевое экспонирование, проявление с формированием маски в резистивном слое и физическое осаждение металла из газовой фазы ["Geometrical and morphological optimizations of plasmonic nanoarrays for high-performance SERS detection".Li, W. Q., et al. // Nanoscale Vol.7.37-2015 - P.l5487-15494].

Недостаток этого способа заключается в том, что элементы структур изготавливают на кремниевых подложках, а не оптически прозрачных, что ограничивает их применение в оптике.

Известен также способ изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках, включающий подготовку рабочей поверхности оптически прозрачной подложки, нанесения резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки, лучевое экспонирование с одноуровневой дозой облучения, проявление с формированием маски в резистивном слое и физическое осаждение металла из газовой фазы ["Lasing at the band edges of plasmonic lattices". Schokker, A. Hinke, and A. Femius Koenderink. // Physical Review В Vol. 90.15 (2014): Р. 155452].

Этот способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.

Недостаток этого способа заключается в высокой шероховатости края получаемых структур из-за экспонирования полигонов одной дозой, что приводит к снижению контраста и разрешения экспонируемого изображения.

Задача изобретения заключается в создании универсального способа изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур в диапазоне размеров менее 1000 нм.

Указанный технический результат изобретения заключается в уменьшении шероховатости края структур и повышении повторяемости изготавливаемых массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках, включающем подготовку рабочей поверхности оптически прозрачной подложки, нанесения резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки, лучевое экспонирование, проявление с формированием маски в резистивном слое и физическое осаждение металла из газовой фазы, формирование маски в резистивном слое осуществляют путем трехуровнего профилирования дозы облучения, включающего первый уровень облучения с дозой D1 области структуры с площадью S1, второй уровень облучения с дозой D2 области структуры с площадью S2 по периметру структуры с площадью S1, и третий уровень облучения с дозой D3 области структуры с площадью S3, превышающей площадь, равной сумме S1 и S2, при этом D3<<D1, a D2>D1.

Существует вариант, в котором после нанесения резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки на резистивный слой наносят проводящий слой, который удаляют перед проявлением.

Существует также вариант, в котором S2<<S1.

Существует также вариант, в котором в качестве лучевого экспонирования используют электронно-лучевое экспонирование и осаждение металла осуществляют в условиях вакуума ниже 1×10-6 мбар.

Существует также вариант, в котором осаждение металла происходит при температуре Т1, находящейся в диапазоне от 150 до 450 К.

Существует также вариант, в котором осаждение металла осуществляют со скоростью не более 5 нм/с.

На фиг. 1 представлен вариант схемы устройства для изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках.

На фиг. 2 представлена схема экспонируемой топологии отдельного элемента массива регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках.

На фиг. 3 представлен технологический маршрут изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках, где:

a) подготовка и очистка подложки;

b) нанесение электронного резиста и токопроводящего полимера;

c) формирование резистивной маски;

d) осаждение металла из газовой фазы;

e) удаление резистивной маски.

На фиг. 4 представлено изображение со сканирующего электронного микроскопа (далее - СЭМ) полученного массива регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках (общий вид).

На фиг. 5 представлено СЭМ изображение полученного массива регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках полученного при скорости осаждения металла 2 (увеличенное изображение по сравнению с фиг.4).

На фиг. 6 представлено СЭМ изображение полученного массива регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках полученного при скорости осаждения металла 4 (увеличенное изображение по сравнению с фиг. 4).

Способ изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках реализуется в предпочтительном варианте на устройстве электронно-лучевой литографии, которое состоит из вакуумной камеры 1, сопряженной со шлюзом 2. При этом, на вакуумной камере 1 расположена электронно-оптическая колонна 3 с оптической осью О12. Остаточное давление в вакуумной камере 2 обеспечивают первым вакуумным насосом 4 и вторым вакуумным насосом 5, соединенными форвакуумной линией 6, которая содержит клапан 7 для обеспечения работы шлюза 2. Точное позиционирование столика 8 обеспечивается интерферометрическим блоком 9 контроля передвижения и пьезоприводами 10. На столике 8 устанавливают оптически прозрачную подложку 12, рабочей поверхностью 11 в сторону электронно-оптической колонны 3. В качестве материала оптически прозрачных подложек можно использовать, например, кварц или сапфир. Подробно устройство электронно-лучевой литографии описано в [«Handbook of Microlithography, Micromachining, and Microfabrication.» P. Rai-Choudhury // Vol.lCh. 2, 1997 Р. 250].

Формирование маски в резистивном слое (см. ниже) осуществляют путем трехуровнего профилирования дозы облучения, включающего первый уровень облучения (фиг. 2) с дозой D1 области структуры 13 с площадью S1. После этого осуществляют второй уровень облучения с дозой D2 структуры 14, имеющей площадь S2 по периметру структуры с площадью S1. Далее следует третий уровень облучения с дозой D3 элемента 15 с площадью S3, превышающей суммарную площадь, равной сумме S1 и S2. Элементы 13 и 15 на фиг. 2 имеют круглую форму. Возможны и другие варианты выполнения элементов 13 и 15, например, в виде квадратов или прямоугольников. При этом D3<<D1, a D2>D1: 100 мкКл/см2<D1<1000 мкКл/см2, 300 пКл/см<D2<2000 пКл/см; 10 мкКл/см2<D3<200 мкКл/см2

Способ изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках включает подготовку и очистку рабочей поверхности 11 (фиг. 3) оптически прозрачной подложки 12. Нанесение подслоя 17, резистивного слоя (электронного резиста) 18. Далее следует электронно-лучевое экспонирование, проявление с формированием маски в резистивном слое 18 и физическое осаждение металла 20 из газовой фазы. Завершает способ удаление резистивной маски с остатками металла на ней. Указанные технологические операции и оборудование для них подробно описаны в [Моро У. Микролитография. - М.: Мир, 1990. - Т. 1, 2. - 1240 с.].

Существует вариант, в котором после нанесения резистивного слоя 18 (фиг. 3) на рабочую поверхность 11 оптически прозрачной подложки 12 на резистивный слой 18 наносят проводящий слой 19, который удаляют перед проявлением. В качестве проводящего слоя 19 можно использовать токопроводящий полимерный слой марки All Resist Electra92, его толщина может составлять 30-50 нм.

Существует вариант, в котором S2<<S1. Например, S1 находится в диапазоне 1800-2200 нм2, a S2 находится в диапазоне 100-200 нм2. При этом S3 (см. выше) должно находиться в диапазоне 3000-6000 нм2, обеспечивая соотношение S1+S2<S3.

Существует вариант, в котором электронно-лучевую литографию осуществляют в условиях вакуума ниже 1×10-6 мбар, что обеспечивается первым насосом 4 и вторым насосом 5.

Существует вариант, в котором осаждение металла происходит при температуре Т1, находящейся в диапазоне от 150 К до 450 К. Наиболее предпочтительное значение величины температуры Т1 может быть 293 К для осаждаемого металла золота.

Существует вариант, в котором осаждение металла 20 осуществляют со скоростью не более 50 . Наиболее предпочтительное значение величины скорости может быть 2 . В качестве осаждаемого металла можно использовать серебро.

То, что в способе изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках, включающем подготовку рабочей поверхности оптически прозрачной подложки, нанесение резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки, лучевое экспонирование, проявление с формированием маски в резистивном слое и физическое осаждение металла из газовой фазы, формирование маски в резистивном слое осуществляют путем трехуровнего профилирования дозы облучения, включающего первый уровень облучения с дозой D1 области структуры с площадью S1, второй уровень облучения с дозой D2 области структуры с площадью S2 по периметру структуры с площадью S1, и третий уровень облучения с дозой D3 элемента с площадью S3, превышающей площадь, равной сумме S1 и S2, при этом D3<<D1, а D2>D1, приводит к улучшению шероховатости края и повышению повторяемости изготавливаемых субмикронных структур. А происходит это благодаря тому, что суммарная поглощенная доза снижается, при этом повышая дозу экспонирования по краю, что приводит к увеличению контраста экспонируемых структур.

То, что после нанесения резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки на резистивный слой наносят проводящий слой, который удаляют перед проявлением, приводит к минимизации искажений формы литографируемых структур, за счет экранирования создаваемого в подложке заряда, что улучшает повторяемость получаемых структур.

То, что S2<<S1 приводит к высокой повторяемости получаемых структур. Это обеспечивается повышением контраста литографируемого изображения.

То, что в качестве лучевого экспонирования используют электроннолучевое экспонирование и осаждения металла осуществляют в условиях вакуума ниже 1×10-6 мбар, приводит к возможности получения размеров меньше 100 нм каждого элемента структуры. Это происходит из-за уменьшения рассеяния электронов в условиях более высокого вакуума.

То, что осаждение металла происходит при температуре Т1, находящейся в диапазоне от 150 К до 450 К приводит к улучшению качества изготавливаемых структур, так как при использовании более высокой температуры происходит разрушение структур и маски, а при более низкой - пленка металла при осаждении из газовой фазы осаждается неравномерно и не сплошной приводя к малой повторяемости получаемых субмикронных металлических структур.

То, что осаждение металла осуществляют со скоростью не более 5 нм/с, приводит повышению повторяемости изготавливаемых структур, так как при осаждении при более высокой скорости пленка формируется мелкокристаллической и обладает высокой шероховатостью.

Пример реализации способа.

Для изготовления массива регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках на предварительно очищенную оптически прозрачную подложку 12 (фиг. 3) наносят резистивные слой 18 с подслоем 17 и проводящий слой 19 методом центрифугирования. После чего оптически прозрачную подложку 12 помещают в установку электронно-лучевой литографии (фиг. 1), где проводят в условиях вакуума ниже 1×10-6 мбар облучение резистивного слоя 18, с применением трехуровнего профилирования дозы (фиг. 2) облучения, включающего первый уровень облучения с дозой D1=500 мкКл/см2 области структуры с площадью S1=1300 нм2, второй уровень облучения с дозой D2=900 пКл/см структуры с площадью S2=150 нм2 по периметру структуры с площадью S1, и третий уровень облучения с дозой D3=100 мкКл/см2 элемента с площадью S3=40000 нм2. Перед проявлением удаляют токопроводящий слой 19 (фиг. 3). После проявления через сформированную резистивную маску осаждают металл (серебро) со скоростью 2 при температуре подложки 293 К толщиной 30-50 нм, после чего оптически прозрачную подложку 12 помещают в растворитель для удаления резистивной маски вместе с остатками используемого металла, осажденного на резист. На фиг. 4 приведено изображение, полученное в СЭМ полученных структур 21 в общем виде. На фиг. 5 и фиг. 6 приведены увеличенные изображения, полученные в СЭМ изготовленных структур 22 при скорости 2 и - структур 23 при скорости 4 . Видно, что структуры 22 и 23 имеют низкую шероховатость, что определяется повторяемостью каждого элемента в пределах 5% и общей высокой повторяемостью от образца к образцу, полученной за счет профилирования дозы облучения.

1. Способ изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках, включающий подготовку рабочей поверхности оптически прозрачной подложки, нанесение резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки, лучевое экспонирование, проявление с формированием маски в резистивном слое и физическое осаждение металла из газовой фазы, отличающийся тем, что формирование маски в резистивном слое осуществляют путем трехуровнего профилирования дозы облучения, включающего первый уровень облучения с дозой D1 области структуры с площадью S1, второй уровень облучения с дозой D2 области структуры с площадью S2 по периметру структуры с площадью S1 и третий уровень облучения с дозой D3 области структуры с площадью S3, превышающей площадь, равную сумме S1 и S2, при этом D3<<D1, a D2>D1.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после нанесения резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки на резистивный слой наносят проводящий слой, который удаляют перед проявлением.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что S2<<S1.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изготовление упомянутых структур осуществляют в условиях вакуума ниже 1×10-6 мбар, при этом в качестве лучевого экспонирования проводят электронно-лучевое экспонирование.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осаждение металла проводят при температуре Т1 в диапазоне от 150 до 450 К.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осаждение металла осуществляют со скоростью не более 5 нм/с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу изготовления высокотемпературной сверхпроводящей ленты. Осуществляют осаждение буферных слоев на подложку в следующей последовательности: слой оксида алюминия, слой оксида иттрия, слой оксида магния, слой гомоэпитаксиального оксида магния и слой манганита лантана, осаждение слоя высокотемпературного сверхпроводника на буферные слои и нанесение по меньшей мере одного защитного слоя.

Изобретение относится к способу получения тонких алмазных пленок и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий и активных слоев тонкопленочных наноструктур.

Изобретение относится к технологии производства тонких алмазных пленок и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий и активных слоев тонкопленочных наноструктур.

Изобретение относится к технологии получения нанопроволок AlN для микроэлектроники и может быть использовано для улучшения рассеивания тепла гетероструктурами, для создания светильников, индикаторов и плоских экранов, работающих на матрице из нанопроволок и т.д.

Изобретение относится к технологиям получения износостойких, прочностных тонких алмазных пленок методом вакуумной лазерной абляции и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий и создания наноструктурных материалов.
Изобретение относится к технологии получения наноразмерных пленок мультиферроиков и может найти применение в производстве высокодобротных магнитооптических устройств обработки и хранения информации, магнитных сенсоров, емкостных электромагнитов, магнитоэлектрических элементов памяти, невзаимных сверхвысокочастотных фильтров.
Изобретение относится к технологии получения пленок ферритов-гранатов и может быть использовано в прикладной магнитооптике для получения магнитооптических дисков, модуляторов, дефлекторов.

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано для получения слоев карбида кремния при изготовлении микроэлектромеханических устройств, фотопреобразователей с широкозонным окном 3С-SiC, ИК-микроизлучателей.

Изобретение относится к способу формирования микроструктурированного слоя нитрида титана. Формирование микроструктурированного слоя нитрида титана осуществляют путем воздействия на титановую подложку фемтосекундным лазерным излучением с энергией в импульсе порядка 100 мкДж и с плотностью мощности в импульсе порядка 1013 Вт/см2 в среде жидкого азота.

Изобретение относится к устройствам вакуумного нанесения покрытий на рулонные материалы. Может использоваться для получения функциональных покрытий при производстве материалов электронной техники.
Изобретение относится к способу упрочнения режущего инструмента осаждением мультислойных покрытий системы Ti - Al и может быть использовано в инструментальном производстве.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам нанесения наноструктурированных и износостойких покрытий методом ионно-плазменного напыления на поверхность режущих инструментов.

Изобретение относится к способу физического осаждения из газовой фазы, полученной с помощью электронно-лучевого испарения, тонкой пленки, состоящей из кристаллитов серебра, и может быть использовано для изготовления устройств, требующих качественных тонких пленок металлов, в сферах микроэлектроники, фотоники, наноплазмоники и квантовых вычислительных устройств.

Изобретение относится к осаждению тонкой сплошной монокристаллической металлической пленки методом физического осаждения из газовой фазы. Проводят двухстадийное осаждение пленки в виде слоев.

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий вакуумно-дуговым испарением и может быть использовано при производстве триботехнических изделий и металлорежущего инструмента с функциональными покрытиями легированных карбидных соединений.

Изобретение относится к области прозрачных износостойких сверхтвердых покрытий, наносимых на прозрачные изделия, и может быть использовано для защиты стекла от царапания и износа в оптических устройствах и экранах дисплеев.

Изобретение относится к области физики низкоразмерных структур, а именно к формированию наноразмерной тонкопленочной структуры, и может быть использовано в различных высокотехнологичных областях промышленности и науки для создания новых материалов.

Изобретение относится к устройству для получения композитной пленки из многоэлементного сплава. Устройство содержит нагревательную систему, систему подачи воздуха, систему охлаждения, вакуумную систему, вакуумную камеру, держатель, подъемный механизм, тигельный источник испарения, магнетронный источник распыления, источник катодной дуги и систему электрического управления.

Изобретение относится к способу создания прозрачных проводящих композитных нанопокрытий (варианты). По первому варианту предварительно осуществляют химическое осаждение на нагретую подложку тонкой пленки углеродных нанотрубок.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для оптимизации технологического процесса сверхпластической деформации ответственных силовых деталей: лопасти компрессоров ГТД, валы, роторы и т.д.
Изобретение относится к вариантам электрохимического способа формирования кристаллов оксидных вольфрамовых бронз из нановискеров. Один из вариантов включает электролиз поливольфраматного расплава с использованием платинового анода, в котором электроосаждение ведут при 700°C в импульсном потенциостатическом режиме из расплава, содержащего 25 мол.

Изобретение относится к области микро- и нанотехнологии и может быть использовано для изготовления массивов субмикронных структур, используемых в устройствах нанофотоники и наноплазмонной сенсорики для повышения уровня их чувствительности. Способ изготовления массивов регулярных субмикронных металлических структур на оптически прозрачных подложках включает подготовку рабочей поверхности оптически прозрачной подложки, нанесение резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки, лучевое экспонирование, проявление с формированием маски в резистивном слое и физическое осаждение металла из газовой фазы. Формирование маски в резистивном слое осуществляют путем трехуровнего профилирования дозы облучения, включающего первый уровень облучения с дозой D1 области структуры с площадью S1, второй уровень облучения с дозой D2 области структуры с площадью S2 по периметру структуры с площадью S1 и третий уровень облучения с дозой D3 области структуры с площадью S3, превышающей площадь, равную сумме S1 и S2, при этом доза облучения D3 много меньше дозы облучения D1, a доза облучения D2 больше дозы D1. В частных случаях осуществления изобретения после нанесения резистивного слоя на рабочую поверхность оптически прозрачной подложки на резистивный слой наносят проводящий слой, который удаляют перед проявлением. Область структуры с площадью S1 много больше области структуры с площадью S2. Изготовление упомянутых структур осуществляют в условиях вакуума ниже 1×10-6 мбар. В качестве лучевого экспонирования проводят электронно-лучевое экспонирование. Осаждение металла проводят при температуре Т1 в диапазоне от 150 до 450 К со скоростью не более 5 нмс. Обеспечивается уменьшение шероховатости края регулярных субмикронных металлических структур и повышение повторяемости изготавливаемых массивов указанных структур на оптически прозрачных подложках. 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 пр.

Наверх