Формирование рельефных периодических структур в тонких плёнках хрома с применением лазерно-интерференционной литографии

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Полетаев С.Д., Любимов А.И. Формирование рельефных периодических структур в тонких плёнках хрома с применением лазерно-интерференционной литографии // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 6. С. 73–80. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-06-73-80

Poletaev S.D., Lyubimov A.I. Formation of periodic relief structures in thin chromium films using laser interference lithography [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 6. P. 73–80. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-06-73-80

Ссылка на англоязычную версию:

S. D. Poletaev and A. I. Lyubimov, "Formation of periodic relief structures in thin chromium films using laser interference lithography," Journal of Optical Technology. 89(6), 359-364 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000359

Аннотация:

Предмет исследования. Исследован процесс формирования контактных масок в тонких плёнках фоторезиста и хрома с применением лазерно-интерференционной литографии. Для этого плёнки фоторезиста структурировались путём экспозиции в интерференционном поле с последующим переносом образованного микрорельефа в плёнку хрома плазменным способом. Метод. В основу исследований положена лазерно-интерференционная литография для формирования защитных масок в слое высокоразрешающего фоторезиста. Фоторезист наносился методом центрифугирования с последующей сушкой. Для экспозиции фоторезиста применялась интерференционная схема Ллойда. После экспонирования фоторезист проявлялся в стандартном щелочном проявителе, рекомендованном производителем. Неравномерность распределения толщины плёнки фоторезиста с микрорельефом по поверхности подложки после проявления определялась как отношение разницы толщин фоторезиста на краях подложки, полученных профилометрическим способом, к наибольшей толщине. Микрорельеф в слое фоторезиста и плёнке хрома исследовался методом сканирующей зондовой микроскопии. Равномерность травления и процесс переноса микрорельефа в плёнку хрома через защитную маску в слое фоторезиста исследовались с применением установки плазменного реактивно-ионного травления в индуктивно связанной плазме. Основные результаты. Впервые получены рельефные периодические структуры в плёнках хрома с применением лазерно-интерференционной литографии для структурирования фоторезиста и переноса микрорельефа реактивно-ионным травлением. В слое фоторезиста была достигнута глубина микрорельефа 350 нм, что достаточно для его переноса в металлическую плёнку. Установлено, что интерференционное поле в зоне регистрации позволяет сформировать микрорельеф в слое фоторезиста с коэффициентом неравномерности распределения толщины плёнки 5% по поверхности подложки диаметром 25 мм. Практическая значимость. Проведённые исследования являются начальными и имеют цель определить принципиальную возможность формирования контактных масок в металлических плёнках с применением лазерно-интерференционной литографии. При доработке литографической установки такой метод в дальнейшем может применяться для формирования контактных масок элементов дифракционной оптики на подложках, превышающих размеры 25×25 мм.

Ключевые слова:

микроструктуры, лазерно-интерференционная литография, пространственная частота, реактивно-ионное травление

Благодарность:

Работа выполнена в рамках госзадания "Кристаллография и фотоника" РАН (соглашение № 007-ГЗ/43363/26).

Коды OCIS: 220.3740, 220.4000, 090.1970, 310.1860

Список источников:

1. Yifang C. Nanofabrication by electron beam lithography and its applications: A review // Microelectronic Engineering. 2015. V. 135. № 5. P. 57–72. DOI:10.1016/j.mee.2015.02.042
2. Wanzenboeck H.D., Waid S. Focused ion beam lithography // Recent Advances in Nanofabrication Techniques and Applications / Ed. by Bo Cui. Zagreb: InTech., 2011. P. 27–50. DOI:10.5772/22075
3. Вейко В.П., Корольков В.И., Полещук А.Г. и др. Исследование пространственного разрешения лазерной термохимической технологии записи дифракционных микроструктур // Квантовая электроника. 2011. Т. 41. № 7. С. 631–636.
4. Stankevicius E., Gedvilas M., Voisiat B., Malinauskas M. Fabrication of periodic micro-structures by holographic lithography // Lithuanian Journal of Physics. 2013. V. 53. № 4. P. 227–237. DOI:10.3952/physics.v53i4.2765
5. Vala M., Homola J. Multiple beam interference lithography: A tool for rapid fabrication of plasmonic arrays of arbitrary shaped nanomotifs // Optics Express. 2016. V. 24. № 14. P. 15656–15665. DOI:10.1364/OE.24.015656
6. Lasagni A.F., Yuan D., Shao P., Das S. Periodic micropatterning of polyethylene glycol diacrylate hydrogel by laser interference lithography using nano- and femtosecond pulsed lasers // Advanced Engineering Materials. 2009. V. 11. № 3. P. 20–44. DOI: 10.1002/adem.200800295
7. Kondo T., Matsuo S., Juodkazis S., Mizeikis V., Misawa H. Multiphoton fabrication of periodic structures by multibeam interference of femtosecond pulses // Applied Physics Letters. 2003. V. 82. № 17. P. 2758–2760. DOI: 10.1364/OL.23.001378
8. Wang Z., Zhao G., Zhang W., Lin F.L., Zheng Z. Low-cost micro-lens arrays fabricated by photosensitive sol–gel and multi-beam laser interference // Photonics and Nanostructures: Fundamentals and Applications. 2012. V. 10. № 4. P. 667–673. https://doi.org/10.1016/j.photonics.2012.06.007
9. Chen X., Zaidi S.H., Brueck S.R.J., Devine D. Interferometric lithography of sub-micrometer sparse hole arrays for field-emission display applications // Journal of Vacuum Science and Technology A. 1996. V. 14. № 5. P. 3339–3349. DOI:10.1116/1.588533
10. Lim C.S., Hong M.H., Lin Y., Xie Q., Luk’yanchuk B., Rahman A. Microlens array fabrication by laser interference lithography for super-resolution surface nanopatterning // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. № 19. P. 191125. DOI:10.1063/1.2374809
11. Lu C., Lipson R.H. Interference lithography: a powerful tool for fabricating periodic structures // Laser & Photonics Reviews. 2010. V. 4. № 4. P. 568–580. DOI:10.1002/LPOR.200810061
12. Zhang X., Ma X., Dou F., Zhao P. A biosensor based on metallic photonic crystals for the detection of specific bioreactions // Advanced Functional Materials. 2011. V. 21. № 22. P. 4219–4227. DOI:10.1002/adfm.201101366
13. Miyake M., Chen Y., Braun P.V., Wiltzius P. Fabrication of three-dimensional photonic crystals using multibeam interference lithography and electrodeposition // Advanced Materials. 2009. V. 21. P. 3012–3015. DOI:10.1002/ADMA.200802085
14. Divliansky I.B., Mayer T.S., Holliday K.S., Crespi V. Fabrication of three-dimensional polymer photonic crystal structures using single diffraction element interference lithography // Applied Physics Letters. 2003. V. 82. Р. 1667–1669. DOI:10.1063/1.1560860
15. Одиноков С.Б., Шишова М.В., Жердев А.Ю., Лушников Д.С. Исследование механизма записи мультиплексных брэгговских дифракционных решеток с планарным вводом-выводом оптического излучения в стеклянных световодах // Оптика и спектроскопия. 2021. Т. 129. № 4. P. 427–435. DOI:10.21883/OS.2021.04.50770.297-20

16. Методы компьютерной оптики / Под ред. Сойфера В.А. М.: Физматлит, 2003. 688 с.
17. Безус Е.А., Досколович Л.Л., Казанский Н.Л. Формирование интерференционных картин затухающих электромагнитных волн для наноразмерной литографии с помощью волноводных дифракционных решёток // Квантовая электроника. 2011. Т. 41. № 8. С. 759–764.
18. Корешев С.Н., Ратушный В.П. Предельные возможности интерференционной фотолитографии, реализуемой в видимой области спектра на тонких слоях халькогенидного стеклообразного полупроводника // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 5. С. 40–47.
19. Malag A. Simple interference method of diffraction grating generation for integrated optics by the use of a Fresnel mirror // Optics Communications. 1980. V. 32. № 1. P. 54–58. DOI:10.1016/0030-4018(80)90313-2
20. http://www.cnilaser.com/PDF/MDL-C-405.pdf
21. Берлин Е., Двинин С., Сейдман Л. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких плёнок. М.: Техносфера, 2007. 176 с.
22. Xu R., Deng Z., Yue Y., Wang S., Li X., Ma Z., Jiang Y., Wang L., Du C., Jia H., Wang W., Chen H. Fabrication of large-scale uniform submicron inverted pyramid pit arrays on silicon substrates by laser interference lithography // Vacuum. 2019. V. 165. P. 1–6. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.03.042
23. Wang D., Wang Z., Zhang Z., Yue Y., Li D., Maple C. Effects of polarization on four-beam laser interference lithography // Applied Physics Letters. 2013. V. 102. № 8. P. 1903–5. DOI:10.1063/1.4793752
24. Gedvilas M., Indrisiunas S., Voisiat B., Stankevičius Е. Nanoscale thermal diffusion during the laser interference ablation using femto-, pico-, and nanosecond pulses in silicon // Physical Chemistry Chemical Physics. 2018. V. 20. № 17. P. 12166–12174. DOI:10.1039/C7CP08458G
25. Park J., Yun D.H., Ma Y.W., Gwak C.Y. Prism-based laser interference lithography system for simple multibeam interference lithography // Science of Advanced Materials. 2020. V. 12. № 3. P. 398–402. DOI:10.1166/sam.2020.3650
26. Wu J., Xie Y., Fan Z. The fabrication of nanostructures on Polydimethylsiloxane by laser interference lithography // Nanomaterials. 2019. V. 9. № 1. P. 12166–12174. DOI:10.3390/nano9010073
27. Нестеренко Д.В., Полетаев С.Д., Моисеев О.Ю. и др. Создание криволинейных дифракционных решёток для ультрафиолетового диапазона // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. № 4. С. 66–71.