СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА НЕЙТРАЛЬНЫХ АТОМОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G21K1/06 

Изобретение относится к технике формирования пучков нейтральных атомов и может быть применено для обработки и анализа микроструктур, в частности в производстве изделий микроэлектроники.

Уровень техники в данной области характеризуется приведенными ниже сведениями. В литературе [1] описан способ создания направленного потока нейтральных атомов с использованием сил резонансного светового давления на атомы в аксиально-симметричных полях, создаваемых встречными бегущими волнами. При этом на любой атом пучка действует сила светового давления, направленная к оси пучка, вследствие этого во внутренней области происходит сужение поперечного скоростного распределения. Однако этот способ применим лишь для охлаждения атомного потока и не предусматривает внесение в него какой-либо информации.

Известен также способ формирования гомоцентрического монохроматического пучка нейтральных атомов, с возможностью стигматического переноса изображения. Способ основан на резонансном взаимодействии нейтральных атомов в вакууме с полем стоячей волны лазерного излучения. При этом атомы разгоняют до постоянных скоростей и одновременно фокусируют атомный пучок путем пропускания атомов вдоль сходящихся к объекту обработки линий максимумов пространственной интерференционной картины.

Этот способ формирования положен в основу устройства, выбранного в качестве прототипа заявленному, оно включает в себя источники когерентного электромагнитного излучения, микроканальное зеркало-фильтр с отверстиями, расположенное в пространстве формирования, трафарет, источник нейтральных атомов [2].

Прототипу свойственны следующие недостатки:
1. В области захвата атомов лазерное излучение рассеивается атомами, далекими от резонанса по скорости, поэтому из лучение нагревает их.

2. Продольная фазовая скорость пучностей интерференционной картины не постоянна вдоль оси пучка в отличие от продольной скорости атомов, это рассогласование снижает эффективность взаимодействия атомов с полем.

3. Излучение, которое вносит в пучок атомов изображение формируется фокусирующей системой. Таким образом, все аберрации, которые вносят линзы, отражаются на качестве получаемого изображения. Кроме того, при высокой интенсивности излучения потери энергии на нагрев линз достигают 5%, что ведет к деформации линз и в конечном итоге отрицательно влияет на чет кость изображения.

4. На обрабатываемую поверхность попадают атомы, взаимодействие которых с полем было неэффективно, в результате снижается контрастность получаемого изображения.

Задача настоящего изобретения - повысить контрастность и четкость изображения, наносимого на микрообъект.

Сущность изобретения заключается в том, что формирование пучка нейтральных атомов основано на резонансном взаимодействии их в вакууме с полем стоячей световой волны излучения частотой ω₁, полем бегущей волны охлаждающего оптического излучения частотой ω₂ и полем бегущей световой волны с заданным поперечным распределением интенсивности частотой ω₃ , частоты которых смещены в длинноволновую область спектра относительно центральной частоты ω₀ основного разрешенного перехода атомов пучка, предварительно формируют параллельный атомный пучок, охлаждая атомы до постоянной скорости ν , воздействуя на них дополнительно стоячей световой волной частотой где c - скорость света, направленной попутно движению атомов, и световой волной частотой где γ - естественная полуширина линии, направленной встречно движению атомов, затем, сохраняя параллельность пучка, задают требуемое поперечное распределение атомов, после чего масштабируют поперечное распределение пучка и одновременно разгоняют атомы до рабочей скорости ν₁, воздействуя на них попутно путем стоячей световой волны частотой ω₄ = ω₁•(c+(ν₁-ν)/2)/(c-(ν₁-ν)/2). При этом охлаждающее излучение свипируют по частоте в диапазоне, соответствующем скоростному разбросу атомов в пучке.

Устройство для формирования пучка нейтральных атомов включает в себя источники когерентного электромагнитного излучения, источник нейтральных атомов, микроканальные зеркала-фильтры с отверстиями, расположенные в пространстве формирования и разграничивающие его на три специализированных участка - подготовки, структурирования и компрессии, причем в начале участка подготовки помещены источники излучения частотами в начале участка компрессии расположены источники излучения частотами ω₃, ω₂, в конце участка подготовки размещены источники излучения частотами в конце участка структурирования размещены источники излучения частотой а в начале участка компрессии расположены источники излучения частотами ω₄ и ω₂. Источники с частотами выполнены разделенными на 4 потока, каждый из которых наклонен к оси пространства формирования. Все специализированные участки снабжены восьмью плоскими зеркалами, причем нормали зеркал участков подготовки и структурирования перпендикулярны оси пространства формирования, а нормали зеркал участка компрессии наклонены к ней. Источники электромагнитного излучения частоты снабжены устройствами для свипирования частоты.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления способа формирования пучка нейтральных атомов.

На фиг. 2. представлен вариант исполнения плоскопараллельного аксикона.

На фиг. 3. представлен пирамидальный аксикон.

На фиг. 4. изображено зеркало - фильтр.

На фиг. 5 представлена потенциальная структура поля канала компрессии.

Устройство включает в себя источник нейтральных атомов 1, опто-магнитный сепаратор 2, зеркала формирования несущего и охлаждающего излучения (плоскопараллельный аксикон участка подготовки) 3, источники дополнительного попутного когерентного несущего излучения 4 участка подготовки, источники дополнительного попутного охлаждающего излучения 5 участка подготовки, источники встречного когерентного несущего излучения 6 участка подготовки, источники встречного охлаждающего излучения 7 участка подготовки, микроканальное зеркало-фильтр 8, источник дополнительного попутного несущего излучения 9 участка структурирования, трафарет 10, источники попутного охлаждающего излучения 11 участка структурирования, зеркала формирования несущего и охлаждающего излучения (плоскопараллельный аксикон участка структурирования) 12, источники встречного когерентного несущего излучения 13 участка структурирования, источники встречного охлаждающего излучения 14 участка структурирования, микроканальное зеркало-фильтр 15, источники дополнительного попутного несущего излучения 16 участка компрессии, источники дополнительного попутного охлаждающего излучения 17 участка компрессии, зеркала формирования несущего и охлаждающего излучения (пирамидальный аксикон участка компрессии) 18, обрабатываемый микрообъект 19, атомный пучок 20. Плоские пленочные диэлектрические зеркала аксикона 3 (фиг. 2) попарно параллельны друг другу, они ориентированы вдоль оси канала и их нормали OA_n (n=1 ...8) повернуты на 45^o относительно оси OY. Аксикон 12 выполнен аналогично аксикону 3. Зеркала пирамидального аксикона (фиг. 3) выполнены аналогично зеркалам плоскопараллельного аксикона и имеют такое же поперечное расположение, а продолжение их осевых A'A_n (n=1... 8) сходятся в одну точку O. Зеркало-фильтр 8 выполнено в виде наклонно срезанной микроканальной пластины, диаметр и шаг отверстий которой согласованы с шагом поперечной структуры поля на участке подготовки. Со стороны участка структурирования поверхность пластины снабжена зеркальным покрытием. Зеркало установлено под углом Брюстера по отношению к оси канала OZ. [3]. Зеркало-фильтр 15 изготовлено аналогичным образом, его отражающая поверхность направлена встречно атомному потоку.

Предлагаемым способом пучок формируют в три стадии: атомы локализуют в узлах движущейся пространственной решетки (стадия подготовки), в параллельный пучок атомов вносят изображение (стадия структурирования), пучок фокусируют (стадия компрессии).

I. Стадия подготовки.

На прошедшие сепаратор 2 (фиг. 1) нейтральные атомы в вакууме воздействуют смещающейся со скоростью v, трехмерной стоячей волной, образованной несущим излучением от источников 5-6 и охлаждающим излучением от источников 4-7. Таким образом, атомы охлаждают вблизи скорости ν в потенциальных ямах, образованных интерференционной структурой несущего поля.

Благодаря сепарации атомы, по скоростным характеристикам далекие от резонанса, не попадают в зону взаимодействия и в отличие от прототипа не рассеивают лазерное излучение.

Охлаждающее излучение свипируют в диапазоне частот, соответствующих скоростному разбросу большинства атомов на участке. На следующих стадиях частоту охлаждающего излучения свипируют аналогично. Это позволяет избежать образования паразитной потенциальной структуры охлаждающего поля и охладить большую часть атомного потока.

Для того, чтобы избавиться от атомов, взаимодействие которых с полем было не эффективно, пучок пропускают через фильеры зеркала-фильтра 8 (фиг. 1).

II. Стадия структурирования.

Как показано на фиг. 1, между зеркалом-фильтром 8 и микроканальным зеркалом 15 аналогично прототипу формируют параллельный пучок атомов с заданным поперечным распределением. Но, изображение в поток атомов вносится более точно благодаря тому, что
- нет фокусировки и связанных с ней аберраций и потерь энергии;
- траектории атомов не преобразуют в поперечном направлении;
- скорости атомов меньше, следовательно, больше время взаимодействия при тех же размерах зоны;
- излучение взаимодействует с атомами, предварительно охлажденными в потенциальных минимумах.

В отличие от прототипа вдоль контура изображения плотность атомов больше за счет захвата атомов с незасвеченных участков, что повышает четкость изображения.

Микроканальное зеркало-фильтр 8 и микроканальное зеркало-фильтр 15 отсеивают атомы, взаимодействие которых с излучением было не эффективно, это повышает контрастность изображения.

III. Стадия компрессии.

Попутным излучением от источника 16 атомы разгоняют вдоль гомоцентрических траекторий от скорости V до скорости V₁, соответствующей необходимой энергии обработки, одновременно атомы охлаждают излучением от источника 17. Разгоняя атомы смещают в длинноволновую область относительно излучения источников 16 и 17 и, тем самым, выводят из резонанса. Двигаясь по инерции, они попадают на заданный участок обрабатываемой поверхности. Потенциальная структура поля на этой стадии представлена на фиг. 5.

В отличие от прототипа отсутствует встречное излучение, таким образом эффективность лазерного давления на атомы возрастает на порядок, что позволяет использовать излучение меньшей интенсивности.

Микроканальное зеркало 15 не пропускает излучение, вносящее изображение, на участок компрессии, чтобы избежать нагрева обрабатываемой поверхности и отрицательного влияния плоскопараллельного излучения на процесс фокусировки.

Способ осуществляют следующим образом:
Атомный поток из источника нейтральных атомов 1 подают в оптомагнитный сепаратор 2, в котором отделяют непровзаимодействовавшие атомы рабочего газа, электроны и ионы от возбужденных атомов рабочего вещества. Таким образом выделяют часть возбужденных атомов, удовлетворяющих требованиям скоростного резонанса на участке подготовки. Отсепарированный поток нейтральных атомов направляют на вход участка подготовки, который состоит из плоскопараллельного аксикона 3 и 4-х источников дополнительного попутного несущего 4, 4-х источников охлаждающего 5, 4-х источников встречного несущего 6 и 4-х источников охлаждающего 7 излучения. Перечисленные источники формируют плоские линейнополяризованные потоки излучения. Источники 4 и 6, расположенные в вершинах параллелепипеда с квадратным поперечным сечением и излучают под углом α к оси OZ . Пространственное расположение источников 5 и 7 аналогично описанному (для 4 и 6), с той разницей, что образующий параллелепипед развернут на 45^o вокруг оси OZ, и потоки излучения наклонены под углом β к OZ. Излучение источников 4 и 6, отражаясь от зеркал аксикона 3 образует в пространстве трехмерную интерференционную периодическую решетку, смещающуюся вдоль оси OZ с постоянной скоростью ν без изменения структуры. В поперечном сечении эта решетка представляет собой плотноприлегающие друг к другу квадратные ячейки шаг которых зависит от величины угла наклона α излучения к оси канала. Посредством отражения излучения источников 5 и 7 от зеркал аксикона 3, пространство участка подготовки равномерно заполняют полем охлаждающего излучения. Частоты источников охлаждающего излучения свипируют в диапазоне kΔν, где Δν - скоростной разброс атомов на участке, k-волновой вектор излучения. На следующих участках диапазоны свипирования частоты источников охлаждающего излучения также согласованы со скоростными распределениями атомов на участках. Упорядоченный поток атомов проходит через отверстия зеркала - фильтра 8 и попадает на участок структурирования. Непровзаимодействовавшие атомы отражаются микроканальной пластиной и выходят за пределы участка.

Участок структурирования отличается от участка подготовки тем, что попутное несущее излучение от источника 4 замене но на попутное плоскопараллельное излучение источника 9, аналогичное соответствующему излучению прототипа. Поперечная структура потока участка структурирования согласована с поперечной структурой участка подготовки. Зеркало-фильтр 15 на выходе участка структурирования отводит попутное излучение в поглотитель и отсеивает атомы, вышедшие из взаимодействия.

Участок компрессии отличается от участка структурирования тем, что вместо плоскопараллельного аксикона, здесь рас положен пирамидальный аксикон 18 (фиг. 1), а также полностью отсутствует встречное излучение. Конфигурация участка компрессии позволяет сформировать сходящееся поле (фиг. 5). Поперечная интерференционная картина на входе участка компрессии согласована с поперечной структурой поля участка структурирования. Структура поля участка компрессии представляет собой гомоцентрически сходящиеся трубки квадратного сечения, не имеющие продольной ячеистой структуры, которые удерживают атомы пучка внутри и ускоряют вдоль образованных каналов. С увеличением скорости пучка снижается вероятность взаимодействия атомов с полем. С плавным выходом из взаимодействия атомное движение становится инерционным, и, сохраняя направление движения, атомы дрейфуют к подложке.

Примером реализации способа может быть процесс управляемого формирования пучка нейтральных атомов гелия в поле излучения квантово-оптической системы, состоящей из мощного лазера и нескольких квантовых усилителей на красителях.

Атомы гелия имеют массу M_He= 6.646•10^-27 кг, в спектре поглощения атомов гелия есть разрешенный переход 2³ P₀-3³ D₀, соответствующий длине волны λ₀ = 5785.7 A, частота перехода ω₀ = 3.25766•10¹⁵ с^-1 сила осциллятора A_ki = 0.608, вероятность перехода A_ki = 0.7053 с^-1, естественная полуширина линии γ = 2.21576•10⁸ рад/с.

На входе участка подготовки разброс скоростей атомов не должен превышать Δν = 1000 - 1500 м/с, разброс энергий не должен превышать ΔE = 0.02-0.05 эВ.

Отстройка излучателей несущего излучения составляет от -200 до -50 γ, для охлаждающего излучения от -5 до -2 γ, Диапазон свипирования частот на участке подготовки составляет ≈ 4.836E+10-1.209E+11 Гц. Диапазон свипирования частот на участке структурирования на порядок меньше.

Выходная мощность несущего излучения в непрерывном режиме работы составляет 20 Вт на канал (всего 8 каналов).

Мощность на выходе каналов охлаждающего излучения ( 6 - 8 каналов) составляет величину порядка 0.3 Вт/канал и не зависит от режима работы установки.

Примером реализации устройства может быть установка, представленная на схеме фиг. 1. В ее состав входят источник нейтральных атомов 1, оптомагнитный сепаратор 2, зеркала формирования несущего и охлаждающего излучения (плоскопараллельный аксикон участка подготовки) 3, источники дополнительного попутного когерентного несущего излучения участка подготовки 4, источники дополнительного попутного охлаждающего излучения участка подготовки 5, источники встречного когерентного несущего излучения участка подготовки 6, источники встречного охлаждающего излучения участка подготовки 7, микроканальное зеркало-фильтр 8, источник дополнительного попутного несущего излучения участка структурирования 9, трафарет 10, источники попутного охлаждающего излучения участка структурирования 11, зеркала формирования несущего и охлаждающего излучения (плоскопараллельный аксикон участка структурирования) 12, источники встречного когерентного несущего излучения участка структурирования 13, источники встречного охлаждающего излучения участка структурирования 14, микроканальное зеркало-фильтр 15, источники дополнительного попутного несущего излучения участка компрессии 16, источники дополнительного попутного охлаждающего излучения участка компрессии 17, зеркала формирования несущего и охлаждающего излучения (пирамидальный аксикон участка компрессии) 18. Кроме того, в состав установки входит вакуумная откачная система, система энергоснабжения, водоснабжения, система охлаждения, система юстировки и перемещения оптических элементов, системы юстировки и перемещения образцов.

Для пространственной и временной синхронизации источников излучения схемы формирования излучений с частотами должна запитываться от единого квантового генератора. Таким генератором может быть перестраиваемый ОКГ на красителях. Излучение задающего квантового генератора распределяется делителями излучения на 10 каналов и подается на каждую из схем формирования излучений с частотами
Схема формирования излучения с частотой ω₃ включает акустооптический преобразователь, преобразующий излучение с исходной частотой в излучение с частотой ω₃ и квантовый усилитель повышающий мощность излучения до рабочего уровня.

Схемы формирования излучений с частотами выполняются аналогичным образом, с той особенностью, что каждое из этих излучений после формирования делится на 4 канала плоскими полупрозрачными зеркалами. Кроме того схемы формирования излучений с частотами дополнены еще устройствами свипирования частоты излучения подключаемыми в цепь управления акустооптичеких преобразователей.

Источник нейтральных атомов и трафарет выполнены аналогично прототипу, а именно: источник нейтральных атомов 1 представляет собой полый цилиндр из никеля, внутри которого размещена вставка из губчатого никеля, пропитанного расплавом индия. Нагреватель, охватывающий цилиндр источника, выполнен из нихрома в керамической изоляции. Мощность нагревателя регулируется так, чтобы температура внутренней вставки была равна 450- 500^oC. При такой температуре концентрация паров индия в объеме источника достаточна для обеспечения процесса. Трафарет 10 представляет собой пластину из плавленного кварца с нанесенным на нее негативным изображением топологии проводящих участков микросхемы, выполненным с увеличением в 400 раз.

Зеркала аксиконов 3, 12, 18 выполнены из диэлектрического материала с напыленным отражающим слоем. Зеркала-фильтры 8, 15 получены протягиванием стеклянных трубок через фильеру с последующим срезом под углом Брюстера, полировкой поверхностей среза и напыления отражающего слоя.

Предлагаемое решение обладает следующими преимуществами:
- позволяет формировать более четкое и контрастное изображение на микрообъекте;
- позволяет достигать большую однородность состава формируемого пучка;
- позволяет достигать большую однородность по энергиям атомов в формируемом пучке;
- позволяет более эффективно и оперативно управлять процессом обработки микрообъекта за счет возможности изменения выходной скорости пучка и степени компрессии без изменения конструкции;
- расширяет область применения установки;
- устранено вредное влияние излучения на микрообъект.

Источники информации
1. Миногин В.Г., Летохов B.C. Давление лазерного излучения на атомы. -М. : Наука, 1986, 147 с.

2. Авторское свидетельство СССР 1672865.

3. Яворский Б. М., Детлаф А.А. Справочник по физике. -М.: Наука, 1964, 847 с.

Изобретение относится к технике и технологии обработки микроструктур и может быть применено в производстве изделий микроэлектроники. Технический результат: повышение контрастности и четкости изображения, наносимого на микрообъект. Пучок нейтральных атомов формируют лазерным излучением оптического диапазона в три стадии: 1. Атомы охлаждают в интерференционных узлах трехмерной стоячей волны, движущейся параллельно оси пучка со скоростью ν 2. Осуществляют резонансное взаимодействие атомов в вакууме с полем стоячей световой волны излучения, полем бегущей волны охлаждающего оптического излучения и полем бегущей световой волны с заданным поперечным распределением интенсивности. 3. Охлаждаемые попутным излучением атомы разгоняют до рабочей скорости ν₁ вдоль сходящихся линий минимумов интерференционной картины попутного излучения. После выхода из условий резонанса с излучением атомы по инерции достигают обрабатываемой поверхности. Описано устройство для осуществления способа формирования пучка нейтральных атомов, включающее в себя источник нейтральных атомов, оптомагнитный сепаратор, источники когерентного излучения, зеркала с отверстиями, зеркальные аксиконы. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ формирования пучка нейтральных атомов, основанный на резонансном взаимодействии их в вакууме с полем стоячей световой волны излучения частотой ω₁, полем бегущей волны охлаждающего оптического излучения частотой ω₂ и полем бегущей световой волны с заданным поперечным распределением интенсивности частотой ω₃, частоты которых смещены в длинноволновую область спектра относительно центральной частоты ω₀ основного разрешенного перехода атомов пучка, отличающийся тем, что предварительно формируют параллельный атомный пучок, охлаждая атомы до постоянной скорости υ, воздействуя на них дополнительно стоячей световой волной частотой где c - скорость света, направленной попутно движению атомов, и световой волной частотой где γ -\естественная полуширина линии, направленной встречно движению атомов, затем, сохраняя параллельность пучка, задают требуемое поперечное распределение атомов, после чего масштабируют поперечное распределение пучка и одновременно разгоняют атомы до рабочей скорости υ₁, воздействуя на них попутно полем стоячей световой волны частотой
ω_н= ω₁•(c+(υ₁-υ)/2)/(c-(υ₁-υ)/2).
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждающее излучение свипируют по частоте в диапазоне, соответствующем скоростному разбросу атомов в пучке. 3. Устройство для формирования пучка нейтральных атомов, включающее в себя источники когерентного электромагнитного излучения, микроканальное зеркало-фильтр с отверстиями, расположенное в пространстве формирования, и источник нейтральных атомов, отличающееся тем, что пространство формирования дополнено одним микроканальным зеркалом-фильтром и разграничено двумя этими зеркалами на три специализированных участка - подготовки, структурирования и компрессии, причем в начале участка подготовки помещены источники излучения с частотами в начале участка компрессии расположены источники излучения с частотами ω₃, ω₂, в конце участка подготовки размещены источники излучения частотами с в конце участка структурирования размещены источники излучения с частотой а в начале участка компрессии расположены источники излучения с частотами ω₄ и ω₂.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что каждый из источников с частотами выполнен разделенным на 4 потока и наклонен к оси пространства формирования. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что во все специализированные участки помещено по восемь плоских зеркал, причем нормали зеркал участков подготовки и структурирования перпендикулярны оси пространства формирования, а нормали зеркал участка компрессии наклонены к ней. 6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что источники электромагнитного излучения частоты снабжены устройствами для свипирования частоты.