СПОСОБ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОАСПЕКТНЫХ ПРОТЯЖЕННЫХ СТРУКТУР С ДИАМЕТРАМИ СУБМИКРОННЫХ РАЗМЕРОВ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КРИСТАЛЛЕ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ РЕНТГЕНОВСКИМИ ИМПУЛЬСАМИ Российский патент 2024 года по МПК H01L21/268 B23K26/55 B82Y20/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении нано-оптики. В частности, способ создания канала с диаметром субмикронных размеров и высоким аспектным соотношением в диэлектрическом кристалле LiF с помощью когерентных фемтосекундных рентгеновских импульсов может применяться для изготовления фотонных кристаллов (ФК) или фотонных волноводов (ФВ). Изобретение относится к микроструктурным технологиям и может быть использовано при производстве трехмерных структур в виде полостей с высоким аспектным соотношением в кристаллическом диэлектрике. В частности, речь идет о рентгеновской литографии с фотонами субнанометровой длины волны.

Практическая применимость данного способа определяется возможностью его использования для организации в кристаллах LiF протяженных структур в виде полостей с целью создания фотонных кристаллов (ФК) и фотонных волноводов (ФК).

Кристаллический диэлектрик фторида лития LiF широко используется в качестве пропускающей оптики для области спектра от вакуумного ультрафиолетового до инфракрасного. Кроме того, данный кристалл широко используется в качестве флуоресцентного детектора рентгеновского излучения, что обеспечивается возможностью активации в нем центров окраски (ЦО) при воздействии на него электромагнитного излучения с энергией фотонов более 14 эВ.

Технологии микроэлектроники позволяют создавать структуры с модуляциями диэлектрической проницаемости на микронных и субмикронных масштабах. Однако, они в первую очередь адаптированы под такие материалы как кремний, германий, различные виды фоторезистов, вольфрам, но непригодны для диэлектриков. Подавляющее большинство экспериментальных образцов ФК состоят из кремниевых или кварцевых структур.

Способы обработки материалов с использованием мощного лазерного излучения известны из предшествующего уровня техники и широко используются для задач литографии (см. например, Sharma Е at al. «Evolution in Lithography Techniques: Microlithography to Nanolithography», Nanomaterials, 2022, 12(16):2754). Фемтосекундные лазерные импульсы оптического, ближнего инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов активно применяются для приложений, связанных с обработкой вещества при помощи абляции. Использование таких ультракоротких импульсов имеет некоторые преимущества в сравнении с наносекундными и микросекундными импульсами. В частности, при лазерном сверлении значительно снижаются боковые потери энергии, а качество отверстий и пропилов значительно повышается. Принципиально меняются механизмы формирования поверхностной структуры. В случае наносекундного воздействия это испарение вещества, а возникновение регулируемых по амплитуде термомеханических напряжений и термомеханическая обработка вещества связаны со сверхбыстрым воздействием.

Известен способ изготовления микро- и наномеханических компонентов, содержащий этап абляции с помощью фемтолазера (по патенту RU 2371290 C2). Однако данный способ позволяет обрабатывать только поверхность материала без создания протяженных полостей в объеме материала.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ по патенту RU2592732C1, в котором описывается способ создания сквозных микроканалов с диаметрами микронных и субмикронных размеров в кристалле кремния с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. В указанном изобретении предлагается использовать фотоны с длиной волны 1240 нм, которые фокусируются в пятно микронного масштаба с интенсивностью 10¹⁶-10¹⁸ Вт/см². Однако такой подход при использовании его для прозрачного кристаллического диэлектрика приведет к оптическому пробою, что не позволит создать протяженный канал в виде полости.

Техническим результатом предложенного способа является обеспечение возможности создания протяженных полостей субмикронного диаметра с высоким аспектным соотношением порядка 1:1800 (отношение диаметра канала к его длине) в кристалле LiF и контролем поверхностной и глубинной морфологии полости.

Технический результат достигается способом создания высокоаспектных протяженных структур с диаметрами субмикронных размеров в диэлектрическом кристалле фемтосекундными рентгеновскими импульсами, включающим прошивку полости в образце лазерным методом за счет наведения фокального пятна на поверхность кристалла. Предлагаемый способ отличается тем, что в качестве образца используют кристалл LiF, прошивку полости в кристалле осуществляют сфокусированным до субмикронных размеров когерентным фемтосекундным (20 фс) рентгеновским пучком с плотностью мощности не менее 7×10¹⁷ Вт/см² и длиной волны фотонов λ=1.3776 Å, при которой длина затухания в структуре LiF равна 475 мкм, после чего осуществляют контроль поверхностной и глубинной морфологии полости посредством послойной регистрации сигнала флуоресценции центров окраски F₂ и F₃⁺ типа с помощью лазерного конфокального сканирующего микроскопа с возбуждающей длиной волны в диапазоне 400-500 нм.

В частном варианте реализации способа для создания периодических структур в кристалле LiF в виде таких полостей образец перемещают с частотой совпадающей с частотой следования импульсов с помощью моторизированных держателей с заданным шагом (не менее 2.5 мкм) относительно фокального пятна рентгеновского пучка, формируя структуры посаженные «квадратно-гнездовым способом».

Указанный технический результат достигается тем, что в способе используется сфокусированный до субмикронных размеров когерентный фемтосекундный рентгеновский пучок с длиной волны фотонов порядка 1 Å и плотностью мощности излучения в фокальном пятне 7×10¹⁷ Вт/см². Учитывая длину затухания указанных фотонов равную 475 мкм в кристалле LiF и длительность пучка 20 фс, плотность поглощенной энергии на поверхности кристалла составляет 0.3 МДж/см³.

Предлагаемый способ обработки поверхности диэлектриков основан на использовании ультракоротких импульсов с малой длиной волны рентгеновского диапазона. При этом переход к потокам фотонов с энергией выше потенциала ионизации внутренних оболочек атомов принципиально меняет физику процесса взаимодействия, в частности, качественно меняются процессы абсорбции в веществе. Если в оптическом случае в поглощении участвуют электроны валентных зон, то в рентгеновском случае основной вклад в абсорбцию связан с глубокими электронными оболочками. Соответственно нивелируется разница на этапе поглощения между металлами с одной стороны и диэлектриками с другой. Из-за щели в электронном спектре диэлектриков имеет место такое явление, как оптический пробой. Тогда как при облучении жесткими фотонами и возбуждении глубоких оболочек металлы с одной стороны и диэлектрики с другой ведут себя схожим образом (исчезает резкая нелинейная зависимость от амплитуды и лучевой пробой). Это открывает возможность обработки изделий из диэлектриков без оптического пробоя. В такой ситуации обработка, во-первых, происходит без сильного перегрева вещества, которое характерно для оптического пробоя, и, во-вторых, очень важно, что появляются возможности модификации именно тончайшего поверхностного слоя диэлектриков.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где проиллюстрирован заявляемый способ:

- на фиг. 1 показана принципиальная схема осуществления способа;

- на фиг. 2 показана фотография поверхности образца с отверстием, сделанная с помощью электронного микроскопа;

- на фиг. 3 показана морфология отверстия на глубине, полученная с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа

- на фиг. 4 показан график зависимости диаметра отверстия (канала) от глубины внутри кристалла.

На фиг. 1 обозначено: фемтосекундный когерентный рентгеновский пучок 1, система фокусировки пучка 2, сфокусированный рентгеновский пучок 3, образец 4.

Предложенный способ поясняется схемой на фиг. 1. Схема включает фемтосекундный когерентный рентгеновский пучок 1. В качестве до субмикронного размера используется набор составных рефракционных бериллиевых линз.

Сфокусированный рентгеновский пучок 3 направляется на поверхность образца. В качестве образца 4 используется кристалл LiF (толщиной в несколько длин затухания используемых фотонов), установленный в фокальной плоскости пучка.

Пример конкретного осуществления способа.

В качестве образца 4 был взят квадратный кристалл LiF со стороной 20 мм и толщиной 2 мм, которая составляет порядка 4-х длин затухания фотонов с длиной волны λ=1.3776 Å. Когерентный рентгеновский пучок 1 длительностью 20 фс, проходя через рефракционную систему фокусировки из бериллиевых линз 2, собирался в фокальное пятно размером 400 нм на поверхности образца 4. Плотность мощности лазерного излучения в фокальном пятне составляла 7×10¹⁷ Вт/см² за один рентгеновский импульс. Облучение было произведено одним импульсом.

После воздействия морфология поверхности кристалла LiF была проанализирована с помощью электронного микроскопа (фиг. 2). Фиг. 2 демонстрирует наличие круглого отверстия диаметром 1.2 мкм в области взаимодействия рентгеновского пучка с поверхностью кристалла. Стоит отметить, что измерение морфологии отверстия на глубине с помощью Атомно-Силового Микроскопа (АСМ) затруднительно для таких экспериментальных условий. Динамический диапазон (максимальное значение) измерения вертикальной глубины канала составляет несколько мкм для большинства современных АСМ. Поскольку диаметр сформированного отверстия составляет порядка 1.2 мкм, острие кантилевера АСМ не может достичь дна глубоких отверстий (ширина становится больше по мере ближе к основанию консоли).

Для анализа морфологии отверстия на глубине использовался конфокальный лазерный сканирующий микроскоп. Поскольку кристалл LiF является флуоресцентной средой, при облучении его ионизирующим излучением в нем образуются центры окраски (ЦО), распределение которых соответствует области облучения. Лазер микроскопа с длиной волны накачки 488 нм позволял возбуждать центры окраски F-типа (F₂ и F₃⁺) в облученном кристалле LiF, спектр излучения которых лежит в оптическом диапазоне (500-800 нм) (см. например, G. Baldacchini et al., «Soft x-ray submicron imaging detector based on point defects in LiF», Rev. Sci. Instrum. 76(11), 1-12 (2005).). Сигнал считывался в диапазоне глубин z=0-1200 мкм с толщиной слоя считывания Δz=1.4 мкм. Наличие сформированного канала под воздействием когерентных фемтосекундных рентгеновских импульсов подтверждается Фиг. 3. Диаметр сформированного канала имеет практически постоянный диаметр 0.6 мкм вплоть до глубины z=1100 мкм, на больших глубинах канал исчезает (Фиг. 4). Таким образом, предлагаемый нами способ позволяет создать структуру в виде полости с субмикронным диаметром и с аспектным соотношением порядка 1:1800 внутри кристаллического диэлектрика LiF.

Для создания периодических структур в кристалле LiF в виде таких полостей необходимо перемещать образец с помощью моторизированных держателей с заданным шагом (не менее 2.5 мкм) относительно фокального пятна рентгеновского пучка. Таким образом, можно создать двумерный фотонный кристалл (ФК), например, формируя периодическую структуру таких вертикальных длинных полостей, посаженных «квадратно-гнездовым способом» на кристалле LiF. Такой двумерный ФК будет состоять из двух чередующихся в плоскости материалов - LiF (показатель преломления n₁=1.4) и воздуха, которым наполнены цилиндрические отверстия (показатель преломление n₂=1). Отверстия имеют диаметр d1 равный 1.2 мкм, а начиная с глубины 30 мкм диаметр равный 0.6 мкм, и упорядочены в квадратной кристаллической решетке с периодом Т равным 2.5 мкм. При такой упаковке отверстий отношение радиуса отверстий к периоду решетки будет d₁/(2T)=0.24 и d₂/(2T)=0.12 соответственно. Одной из основных областей применения таких фотонных кристаллов могут быть оптические волноводы.

Контроль поверхностной морфологии созданного отверстия предлагается проводить с помощью электронного микроскопа. Контроль внутренней структуры протяженных полостей - с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа посредством регистрации наличия или отсутствия флуоресцентного сигнала внутри изображения пучка.

Таким образом, был разработан способ формирования высокоаспектных субмикронных структур в диэлектрическом кристалле фемтосекундными рентгеновскими импульсами, обеспечивающий создание протяженных полостей субмикронного диаметра с высоким аспектным соотношением порядка 1:1800 в кристалле LiF и контролем поверхностной и глубинной морфологии полости.

Изобретение относится к нанотехнологиям и микроструктурным технологиям. Сущность изобретения заключается в том, что способ создания протяженных полостей с диаметрами субмикронных размеров в кристалле LiF с помощью когерентных рентгеновских импульсов заключается в прошивке отверстия в кристалле LiF лазерным методом за счет наведения фокального пятна на поверхность кристалла и перемещения этого пятна с микронной точностью по поверхности кристалла, при этом для получения глубоких полостей с диаметрами субмикронных размеров в кристалле LiF используют когерентные фемтосекундные (20 фс) рентгеновские импульсы с длиной волны фотонов λ, равной 1,3776 Å, при которой длина затухания в структуре LiF равна 475 мкм. Изобретение обеспечивает возможность упрощения способа создания протяженных полостей субмикронного диаметра с аспектным соотношением порядка 1:1800 в кристалле LiF для создания фотонных кристаллов и фотонных волноводов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

1. Способ создания высокоаспектных протяженных структур с диаметрами субмикронных размеров в диэлектрическом кристалле фемтосекундными рентгеновскими импульсами, включающий прошивку полости в образце лазерным методом за счет наведения фокального пятна на поверхность кристалла, отличающийся тем, что в качестве образца используют кристалл LiF, прошивку полости в кристалле осуществляют сфокусированным до субмикронных размеров когерентным фемтосекундным рентгеновским пучком с длительностью 20 фс, с плотностью мощности не менее 7×10¹⁷ Вт/см² и длиной волны фотонов λ=1,3776 при которой длина затухания в структуре LiF равна 475 мкм, после чего осуществляют контроль поверхностной и глубинной морфологии полости посредством послойной регистрации сигнала флуоресценции центров окраски F₂ и F₃⁺ типа с помощью лазерного конфокального сканирующего микроскопа с возбуждающей длиной волны в диапазоне 400-500 нм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для создания периодических структур в кристалле LiF в виде таких полостей образец перемещают с частотой, совпадающей с частотой следования импульсов с помощью моторизированных держателей с заданным шагом не менее 2,5 мкм относительно фокального пятна рентгеновского пучка, формируя структуры, посаженные «квадратно-гнездовым способом».