WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 8 06;12 Получение фотонных кристаллов в структурах на основе полупроводников и полимеров с использованием метода наноимпринта © Е.М. Аракчеева,1 Е.М. Танклевская,1 С.И. Нестеров,1 М.В. Максимов,1 С.А. Гуревич,1 J. Seekamp,2 C.M. Sotomayor Torres2 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 2 Department of Electrical and Information Engineering, Institute of Materials Science, University of Wuppertal, 42097 Wuppertal, Germany e-mail: kathy.quantum@mail.ioffe.ru (Поступило в Редакцию 4 октября 2004 г.) Описана технология получения фотонных кристаллов с использованием метода наноимпринта. Для изготовления одномерных и двумерных фотонных кристаллов на основе полиметилметакрилата использовалось непосредственное продавливание полимера штампами Si, полученными методами интерференционной литографии и реактивного ионного травления. Период двумерных фотонных кристаллов, представляющих квадратную решетку отверстий, находился в диапазоне 270-700 nm, диаметр отверстия соответствовал половине периода. Отверстия имели круглую форму с ровными краями. Одномерные фотонные кристаллы на основе GaAs изготавливались путем реактивного ионного травления через маску, сформированную при помощи литографии наноимпринта. Полученные в результате травления GaAs на глубину 1 µm одномерные фотонные кристаллы имели период 800 nm, ширину гребешка 200 nm и очень гладкие и почти вертикальные боковые стенки.

Введение недорогих, мягких по воздействию на материал технологических методов. Весьма перспективным являПолучение и исследование фотонных кристалов в на- ется предложенный в 1995 г. метод наноимпринтной стоящее время является бурно развивающейся областью литографии. По существу наноимпринт заключается в оптоэлектроники. Вследствие своих уникальных свойств прессовании штампом тонкой пленки полимера и тем фотонные кристаллы могут обладать дисперсией, в сот- самым перенесении на нее топологии штампа. Высокая ни раз превышающей дисперсию обычных призм [1], производительность и относительная дешивизна вместе а также обеспечивать эффективную коллимацию ла- с возможностью получения суб-25 nm структур делают зерного пучка [2]. Фотонные кристаллы чрезвычайно его перспективным для серийного изготовления оптиперспективны для реализации элементов волноводных ческих интегральных схем на основе фотонных криоптоэлектронных устройств, таких как разветвители [3] сталлов. В данной статье мы описываем технологию и фильтры [4]. Их размер может составлять всего получения одномерных и двумерных фотонных кристалнесколько микрон, что на несколько порядков меньше, лов, предназначенных для использования в качестве чем в случае традиционных полосковых волноводных пассивных элементов в структурах на основе полимеров устройств. Ожидается, что успехи в разработке актив- и полупроводников (GaAs).

ных [5,6] и пассивных элементов на основе полупроводниковых фотонных кристаллов приведут к созданию Основы метода литографии оптических интегральных схем.

В связи с успехами в создании эффективных светоиз- наноимпринта лучающих приборов на основе полимерных и органических соединений фотонные кристаллы на основе данных Основные этапы наноимпринтной литографии [7] материалов привлекают к себе значительное внимание. представлены на рис. 1. Сначала на поверхность подНедостатком таких фотонных кристаллов является мень- ложки наносится слой полимера, имеющего подходяшая величина типичного показателя преломления по щую для наноимпринта температуру стеклования Tg сравнению с полупроводниковыми аналогами. В то же и молекулярный вес. Как правило, толщина полимера время фотонные кристаллы на основе полимерных и составляет несколько сотен нанометров. Затем полимер органических соединений обладают такими преимуще- нагревается до температуры, превышающей Tg, и осуствами, как дешевизна и простота в изготовлении.

ществляется его прессование (продавливание) штампом, Для промышленного изготовления полупроводнико- имеющим необходимую топологию. В течение нановых и полимерных фотонных кристаллов постоянно импринта, продолжающегося, как правило, несколько ведется поиск высокопроизводительных, относительно минут, жидкий полимер перераспределяется, заполняя Получение фотонных кристаллов в структурах на основе полупроводников и полимеров... Оборудование для наноимпринта должно обеспечивать очень высокую точность контроля температуры и давления, а также параллельность штампа относительно подложки в течение всего процесса печати, что необходимо для получения однородного по толщине остаточного слоя резиста. Также трудно избежать температурного градиента, используя подходящие элементы нагрева и охлаждения. Эти условия и определяют требования к литографическому оборудованию для наноимпринта.

Воспроизводимость процесса печати и долговечность штампа — два ключевых момента, определяющих перспективность наноимпринта с точки зрения применения в промышленной технологии. Один и тот же штамп обычно используется для печати в ПММА более 30 раз, Рис. 1. Схема принципа наноимпринта: a —штамп и поди при этом не наблюдается никаких заметных изменений ложка с полимерной пленкой, b — продавливание полимера, как в профиле ПММА, так и в штампе.

c — снятие штампа.

Примеры применения наноимпринта объем, определяемый рельефом штампа (рис. 1, b). При Получение фотонных кристаллов на осноэтом топология штампа переносится на полимерную в е п о л и м е р о в. Наноимпринт может быть использопленку. После охлаждения штампа и полимера штамп ван для непосредственного получения полимерных или отделяется от подложки (рис. 1, c).

органических фотонных структур на различных типах В первом приближении предельное разрешение литоподложек. В качестве примера рассмотрим получение графии наноимпринта зависит от минимального размера фотонных кристаллов на основе ПММА на подложке Si.

элемента в штампе. Штампы, характерные размеры Маски для травления штампов Si в виде периодиэлемента которых меньше 100-200 nm, изготовляются ческих полос или квадратных сеток, в узлах которых методами электронно-пучковой литографии и сухого расположены круглые отверстия, были сформированы травления из материала, имеющего высокую прочность методом интерференционной фотолитографии, основан(металл, кремний и т. д.). В случае большего размера ным на экспонировании фоторезиста полосатой интерэлемента обычно применяется оптическая, в том числе ференционной картиной, возникающей при интерференинтерференционная, литография.

ции двух лучей от He–Cd лазера (длина волны 442 nm).

Конфигурация штампов и свойства полимера, котоПериод такой интерференционной картины опредяется рый будет продавливаться, должны соответствовать друг длиной волны излучения лазера и углом между индругу. В качестве полимера часто используется резист терферирующими лучами и может контролироваться полиметилметакрилат (ПММА). Резист ПММА покас высокой точностью. После однократного экспонирозал превосходные свойства для наноимпринта: малый вания и проявления фоторезиста получается маска в коэффициент теплового расширения 5 · 10-5 на 1C виде параллельных периодических полос. Пример маски и малый коэффициент сжатия давлением 5.5 · 10-11 представлен на рис. 2, a. Если образец после первого на 1 Pa. Давление и температура, при которых осуэкспонирования, не проявляя, повернуть на 90 вокруг ществляется наноимпринт, определяются свойствами перпендикулярной его плоскости оси и вторично прополимера. Для ПММА, который имеет температуру экспонировать, то после проявления образуется маска стеклования около 105C, температура печати обычно в виде квадратной сетки. В качестве фоторезиста были находится в диапазоне 140-180C и давление — от использованы термически напыленные в вакууме слои до 13 MPa. Для таких условий тепловое сжатие ПММА халькогенидного стекла As2S3 толщиной 150 nm. Достоменьше 0.8% и сжатие давлением меньше 0.07% (наиинствами этого неорганического фоторезиста являются меньшее значение достигается при большем давлении), высокое разрешение и высокий контраст проявления, следовательно, рельеф в ПММА должен соответствообеспечивающий вертикальный край масок. На полученвать рельфу штампа. Как правило, толщина наносимого ную после проявления первичную маску из халькогенидрезиста больше, чем максимальная глубина рельефа, ного стекла электронно-лучевым испарением наносился что позволяет предотвратить соприкосновение штампа слой никеля толщиной 50 nm, после чего первичная с подложкой и продлевает время его жизни. Типичное маска растворялась в слабощелочном растворителе.

отношение глубины продавливания к толщине оставшеВ результате удалялся также слой никеля, напыленный гося резиста составляет около 3 : 1.

на халькогенидную маску, а на поверхности кремниеДля того чтобы уменьшить возникновение пузырей вой подложки оставался только никель, напыленный на воздуха в резисте, процесс печати проводится в вакууме. участки поверхности, не закрытые первичной маской.

6 Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 82 Е.М. Аракчеева, Е.М. Танклевская, С.И. Нестеров, М.В. Максимов, С.А. Гуревич, J. Seekamp...

метры травления полупроводника выбирались, исходя из необходимости получения структуры, в которой боковые поверхности имеют относительно вертикальный профиль. Травление Si проводилось в плазме газа SF6 [8] со следующими параметрами: поток SF6 10 sccm (стандартных единиц газовых потоков); давление газа в реакторе 0.6 Pa (реактор предварительно откачивается до 5 · 10-4 Pa) и напряжение автосмещения, равное 200 V. Средняя скорость травления в таком режиме была 140 nm/min.

На рис. 2, c и 3, a приведены снимки штампов из Si, представляющих собой одномерный и двумерный фотонный кристаллы соответственно. Размер полос и микростолбиков соответствует размеру маски, стенки достаточно вертикальны, что чрезвычайно важно для качественного проведения наноимпринта.

Наноимпринт осуществлялся и Университете г. Вупперталь (Германия). Для увеличения разницы показателей преломления между полимером и подложкой на ее поверхности путем термического окисления создавался оксид кремния, имеющий показатель преломления 1.45.

После этого на подложку наносился слой ПММА и проводился импринт. На рис. 3, b представлен снимок двумерного полимерного фотонного кристалла, полученного методом наноимпринта. Отверстия имеют круглую форму с ровными краями.

Рис. 2. Первичная маска из ХСП с периодом 550 nm на кремнии (a), Ni маска на кремнии (b) и кремниевый шаблон в виде одномерных фотонных кристаллов, полученный травлением Si через Ni маску (c).

Таким образом, на поверхности кремниевой подложки формировались маски из никеля в виде полос (рис. 2, b) или квадратных сеток из металлических дисков. Период масок составлял 270-700 nm, а ширина полос или диаметров дисков были близки к половине периода.

Полученные маски имели достаточную плазмостойкость и были использованы для последующего реактивноионного травления кремния.

В настоящей работе использовалась установка диодноРис. 3. Кремниевый шаблон в виде двумерного фотонного го типа для реактивного ионного травления в радиочакристалла с периодом 700 nm, полученный травлением Si стотной плазме — RDE-300 производства французской через Ni маску (a), и двумерный полимерный фотонный фирмы „Alcatel“ с компьтерным управлением. Пара- кристалл (b).

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Получение фотонных кристаллов в структурах на основе полупроводников и полимеров... Литография наноимпринта С точки зрения технологии получения опто- и микроэлектронных полупроводниковых приборов, имеющих субмикронный размер, чрезвычайно перспективной является литография наноимпринта, т. е. создание при помощи наноимпринта маски для последующего травления. Преимуществами литографии наноимпринта по сравнению с традиционными нанотехнологическими методами являются простота и отсутствие дорогостоящих технологических операций, таких как электроннолучевая литография. В отличие от стандартных литографических методов наноимпринт сам по себе не использует никаких энергетических пучков. Поэтому разрешение наноимпринта не ограничено эффектами волновой дифракции, рассеяния, отражения от подложки и интерференции в резисте. Дополнительным преимуществом наноимпринта по сравнению с электроннопучковой литографией является тот факт, что образец не подвергается воздействию электронов высоких энергий, проникающих в верхние слои образца и могущих привести к деградации качества материала.

Работа по выяснению возможности применения литографии наноимпринта для создания полупроводниковых фотонных кристаллов проводилась нами совместно с Университетом г. Вупперталь (Германия). В Германии были изготовлены продавливанием в резисте ПММА на GaAs подложке различные рисунки: полоски шириной 5 µm через 5 µm, 0.2 µm через 0.08 µm, а также другие рисунки с линейными размерами от 1 до 20 µm.

В нашу задачу входило перенести имеющийся в резисте контраст в GaAs на возможно большую глу бину с сохранением разрешения. С помощью профилометра Dektak был определен контраст в ПММА:

в непродавленных местах толщина ПММА оказалась Рис. 4. Кремниевый шаблон с периодом 800 nm, изготовленравной 400 nm, толщина перемычки — 100 nm. Обра- ный в Финляндии (a), продавленный ПММА на подложке зец был подвергут реактивному ионному травлению SiO2 (изготовлен в Германии) (b) и одномерный фотонный кристалл, полученный травлением GaAs через Ni маску в кислородной плазме со следующими параметрами:

(в ФТИ) (c).

напряжение автосмещения 50 V, поток O2 20 sccm и давление газа в реакторе 1.0 Pa. Скорость травления ПММА в таком процессе 40 nm/min. В результате перемычка была стравлена, а на подложке остался Полосы шириной 200 nm и глубиной 1 µm (рис. 4) рисунок с резистом ПММА толщиной 300 nm. ПММА имеют очень гладкие и почти вертикальные боковые не является плазмостойким резистом, и травить сквозь стенки. Это доказывает, что в течение травления в него GaAs не представляется возможным. Маску для кислородной плазме продавленные места (перемычки) травления получали методом „обратной маски“ — на полностью стравливались и, значит, рисунок на подрисунок из ПММА был напылен слой Ni 80 nm. Затем ложке полностью соответствует рисунку на штампе. На участки ПММА с напыленным на них Ni удаляли в рис. 4 представлены снимки штампа (a), продавленного диметилформамиде. Никелевой маски толщиной 80 nm ПММА (b) и протравленного полупроводника (c).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.