2광자 중합에 의한 100nm 미만의 갭 크기를 갖는 고해상도 주기적 구조의 나노제작

결과 및 토론

처리 매개변수는 구조의 피쳐 크기를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 그 중 레이저 강도는 구조물 형성에 효과적으로 영향을 줄 수 있는 파라미터 중 하나이며 정확하고 편리하게 제어할 수 있습니다. 이 매개변수는 ref [28]

여기서 P 평균 레이저 출력을 나타냅니다 [4, 28], T 대물렌즈/시스템의 투과 계수(T =15% [4]), 엠 ² M의 빔 품질 ² =1.1, f 반복률, τ 펄스 지속 시간 및 w ₀ 스폿 반경 \(w_{0}=0.61 \frac {\lambda }{NA}\) (w ₀ ≈223.5nm). 이 공식에서 \(\frac {P}{f}\) 및 \(\frac {P}{f\tau }\)는 각각 펄스당 에너지와 펄스당 평균 전력을 나타냅니다. 강도 단위 kW/ μ m ² TW/cm ² 대신 사용됩니다. (1 TW/cm ² =10kW/ μ m ² ) 마이크로스케일(\(\pi w_{0}^{2} \approx 0.16\) μ m ² ). 여기에서 단일 라인 치수에 대한 레이저 강도의 영향에 대한 조사가 수행되었습니다. Zr-hybrid 재료와 E-shell 300 모두 연구에 적용되었습니다. 레이저 강도 I에 대한 두 재료의 선폭과 높이 도 3a(Zr-하이브리드 재료) 및 도 3b(E-쉘 300)에 각각 도시되어 있다. 7 μ의 속도 m/s는 제작에 사용되었습니다. 레이저 강도 I 범위는 0.67–0.78kW/ μ입니다. m ² (해당 레이저 출력 범위 1.44–1.69 mW) Zr 하이브리드 재료 및 0.78–1.02 kW/ μ m ² (레이저 출력 범위 1.69–2.20 mW) E-shell 300의 경우 레이저 강도가 증가함에 따라 피처 크기(직경 및 높이 모두)가 증가하는 것을 볼 수 있습니다. Zr-hybrid 재료의 경우(그림 3a), 약 0.67 kW/ μ의 레이저 강도로 m ² , 복셀의 측면 치수는 회절 한계(회절 한계 \(\frac {\lambda }{2NA}=185\) nm) 미만인 약 115 nm로 축소될 수 있습니다. 가로 세로 비율(높이 대 너비)이 2.5–4 범위에 있는 것으로 계산할 수도 있습니다. E-shell 300(그림 3b)의 경우 레이저 강도가 0.78kW/ μ일 때 178nm의 선폭이 실현되었습니다. m ² . 이 피쳐 치수는 회절 한계(185nm) 미만입니다. 위의 조사를 바탕으로 피처 크기는 적용된 레이저 강도에 의해 효과적으로 영향을 받는다는 결론을 내릴 수 있습니다. 레이저 강도를 줄이면 더 작은 피처 크기를 구현할 수 있습니다.

선 치수 대 레이저 강도 I . 구조화에 사용된 속도는 7 μ입니다. m/s. 빨간색과 파란색 선은 각각 복셀 너비와 높이의 선형 맞춤 결과입니다. 아 Zr-hybrid 재질로 만들어진 한 줄의 너비와 높이입니다. ㄴ E-shell 300으로 만든 한 줄의 너비와 높이

2PP에 의한 구조 형성에 대한 다양한 재료의 영향

구조 형성에 대한 재료의 영향에 대한 조사를 위해 "재료" 섹션에서 소개한 재료를 사용하여 다양한 주기적 격자선을 제작했습니다. 7 μ 쓰기 속도 m/s가 적용되었습니다. 그림 4a와 b는 각각 Zr-hybrid 재료와 E-shell 300으로 만들어진 주기적인 격자선의 주기적인 거리(PD , 그림 1)의 1 μ 중. 제작에 적용된 레이저 강도는 1.25kW/ μ였습니다. m ² (레이저 출력 2.7mW에 해당) Zr 하이브리드 재료 및 1.02kW/ μ용 m ² (레이저 출력 2.2mW에 해당) E-shell 300용입니다. 두 재료로 구성된 격자 선이 매끄럽다는 것을 알 수 있습니다. 그림 4c와 d는 P가 있는 Zr-hybrid 재료와 E-shell 300으로 만들어진 주기적 격자선의 SEM 이미지를 나타냅니다. 디 =400 nm, 각각. 주기적 거리가 감소함에 따라 제조에 사용되는 레이저 강도도 감소하여 고해상도를 달성하고 동시에 인접한 피쳐 사이의 공간 내부의 과잉 중합을 방지합니다. 이 조사에서 0.69kW/ μ의 레이저 강도 m ² 두 재료로 제작에 적용되었습니다. 감소된 PD로 , Zr-하이브리드 재료로 만든 격자선은 입자가 거친 반면(그림 4c), E-쉘 300으로 만든 격자선은 거칠기가 적습니다(그림 4d). Zr-하이브리드 재료로 만들어진 격자 선의 입자성은 재료의 중합 임계값에 감소된 레이저 출력의 근접성으로 인해 발생하는 불안정한 중합으로 인해 발생할 수 있습니다. 이 비교는 E-shell 300이 나노 규모의 주기적인 거리를 가진 구조물의 제작에 더 적합하다는 것을 보여줍니다. 또한 SEM으로 관찰된 모든 구조는 20nm 두께의 금층으로 증착됩니다.

다른 재료로 제작된 격자선의 SEM 이미지. 제작 속도는 7 μ입니다. m/s. 아 소재:Zr-하이브리드 소재; 피 디 =1 μ 중; 레이저 강도:1.25kW/ μ m ² . ㄴ 재질:E-쉘 300; 피 디 =1 μ 중; 레이저 강도:1.02kW/ μ m ² . ㄷ 소재:Zr-하이브리드 소재; 피 디 =400nm; 레이저 강도:0.69kW/ μ m ² . d 재질:E-쉘 300; 피 디 =400nm; 레이저 강도:0.69kW/ μ m ²

레이저 초점 위치에 따른 구조 형성 조사

유리 기판의 표면에 나노구조를 배치하기 위해 레이저 빔은 2PP 공정 동안 기판/포토레지스트 계면에 집속되어야 합니다. 따라서 복셀의 일부만이 포토레지스트의 중합을 시작할 수 있습니다. 복셀의 다른 부분은 구조의 접착을 보장하기 위해 유리 기판에 있습니다. 복셀 기하학은 타원형이기 때문에 단면 크기의 변형이 장축을 따라 존재합니다. 고해상도 마이크로 및 나노 제조에서 기판과 포토레지스트의 경계면에서 복셀 단면 크기의 변화는 구조 형성 및 피쳐 크기에 영향을 미치는 데 많은 관심을 가집니다.

그림 5는 z에 따른 레이저 초점 조정의 개략도입니다. 방향. 포토레지스트와 기판 사이의 경계면 위치는 기준 초점 위치 z로 정의됩니다. ₀ (그림 5a). 포토레지스트 방울이 유리 기판의 바닥면에 있기 때문에 레이저 초점 스폿이 기준 위치 z에서 아래로 이동합니다. ₀ 포토레지스트에. 현재 레이저 초점 위치 사이의 거리 z 및 기준 위치 z ₀ Δz로 표시됩니다. =∣z -z ₀ ∣. 도 5b 및 c에서 짙은 녹색으로 표시된 영역은 포토레지스트 내부의 레이저 초점 영역을 나타내며, 이는 중합 임계값 이상의 광 강도로 중합을 가능하게 한다. 다른 z에 레이저 초점을 배치하여 다양한 기능 크기를 실현할 수 있습니다. 위치. 기능 크기 w 동일한 z에서 제작된 피처의 평균 전체 너비 절반 최대값(FWHM, 그림 5c)이 특징입니다. 하나의 배열에서 위치

z에 따른 레이저 초점 위치의 변화 그림 방향

서로 다른 레이저 초점 위치로 제작된 주기적인 격자 선은 그림 6과 같이 얻어졌습니다. 주기적인 거리(PD ) 격자선 사이는 1 μ입니다. 중. 이렇게 PD와 함께 , Δ로 레이저가 집속될 때 간격 영역에서 추가 중합을 통해 인접한 피쳐가 서로 연결되기 시작합니다. z =500 nm(그림 6a). 격자 선 밖으로 클러스터는 추가 중합의 결과입니다. 2PP 공정에서 광개시제 분자의 레이저 유도 결합 절단을 통해 자유 라디칼이 생성됩니다. 이러한 라디칼은 인접한 피쳐 사이의 작은 간격에 축적되어 라디칼 농도가 증가합니다. 이 높은 라디칼 농도는 중합 임계값을 초과하여 원하지 않는 중합을 유발할 수 있습니다. 또한, 중합된 구조가 기판에 불안정하게 접착될 수도 있습니다. 이 경우 구조는 개발 과정에서 쉽게 씻겨 나갈 수 있습니다. 레이저 빔의 초점이 기판 내부에 더 많으면 포토레지스트가 덜 중합됩니다. 도 6b에 제시된 바와 같이, 이 경우 78 nm의 폭을 갖는 격자선이 달성되었다. 그러나 구조의 약한 가시성도 볼 수 있습니다. 따라서 더 높은 해상도뿐만 아니라 기판에 구조의 더 나은 접착을 위해 중합 과정에서 적절한 레이저 초점 위치를 갖는 것이 매우 중요합니다.

구조 형성에 대한 레이저 초점 위치의 영향. 재질:E-shell 300. a 포토레지스트 내부에 레이저 초점을 맞춰 수직 격자선을 제작했습니다. 제작을 위한 레이저 강도 I =0.71kW/ μ m ² (레이저 출력 1.55mW에 해당), 상대 레이저 초점 거리 Δ z =500nm. 피처 간의 추가 중합이 생성되고 인접한 피처가 연결됩니다. ㄴ 레이저 초점으로 제작된 수직 격자선은 기판 내부에 더 많이 있습니다. 제작을 위한 레이저 강도 I =0.65kW/ μ m ² (레이저 출력 1.4mW에 해당), 상대 레이저 초점 위치 Δ z =0 nm

피처 크기에 대한 레이저 초점 위치의 영향에 대해 x에서 제작된 격자선에 미치는 영향 조사 -와 비행기를 실시했다. 상대 거리 Δz 증가 , 다른 레이저 초점 위치에서 제작된 격자선을 얻었다. 격자선의 측정된 너비 w _나 상대 레이저 초점 위치에 따라 그림 7a에 표시된 점으로 표시됩니다. 제작에 사용된 레이저 강도는 0.85kW/ μ입니다. m ² (레이저 출력 1.84mW에 해당). 빨간색 곡선은 장축이 z와 일치하는 타원형 맞춤 결과를 나타냅니다. 중심선. 해당 타원은 타원 공식 \(\left (\frac {x}{a}\right)^{2}+\left (\frac {400-y }{b}\right)^{2}=1\), 여기서 (400,0)은 타원의 중심, b =90은 반단축, a =5.65b 반장축은 x입니다. 상대 거리 Δz를 나타냅니다. 장축을 따라, 그리고 y 초점 크기 L의 절반을 나타냅니다. 단축을 따라 있는 것입니다. 결과는 선 너비가 복셀 타원형 기하학의 장축을 따라 변하는 레이저 초점 단면 크기를 따른다는 것을 보여줍니다. 상대 위치 Δz일 때 =50 nm, w 크기의 격자선 _나 =130 nm가 실현되었습니다(그림 7b). 또한 레이저 강도를 줄임으로써 w _나 =100 nm는 그림 7c에 제시된 것과 동일한 레이저 초점 위치에서 얻어졌습니다.

x에서 제작된 격자선 -와 다른 상대 레이저 초점 거리 Δz에 대한 평면 . 재질:E-shell 300. 쓰기 속도 7 μ m/s가 적용되었습니다. 아 다른 Δz에 대한 측정된 선 너비 및 적합 곡선 . 오른쪽 아래 모서리에 있는 그림은 적합선에 해당하는 타원을 재구성한 것입니다. ㄴ I의 레이저 강도로 제작된 격자선 =0.85kW/ μ m ² (레이저 출력 P =1.84mW). 상대 레이저 초점 거리는 Δz입니다. =50nm. ㄷ I의 레이저 강도로 제작된 격자선 =0.78kW/ μ m ² (레이저 출력 P =1.69mW). 상대 레이저 초점 거리는 Δz입니다. =50nm

기둥의 피처 크기에 대한 레이저 초점 위치의 영향도 조사되었습니다. 기둥은 복셀의 장축(x -z 또는 y -z 비행기). z를 따라 레이저 빔을 움직여 단일 기둥을 제작했습니다. 1 μ 거리의 방향 중. 그림 8a는 서로 다른 레이저 강도와 상대 거리 Δz로 제작된 기둥의 SEM 이미지입니다. . 인접한 기둥의 중심 사이의 거리는 x를 따라 400nm입니다. 방향 및 y를 따라 500nm 방향. 레이저 강도는 왼쪽에서 오른쪽으로 약 0.23kW/ μ 단계로 증가했습니다. m ² (레이저 출력 0.5mW에 해당). 레이저 초점 위치 사이의 상대 거리 z 및 기준 위치 z ₀ 수직 방향을 따라 아래쪽에서 위쪽으로 증가했습니다. 그림 8b는 측정된 기둥 직경 w을 보여줍니다. _p 레이저 강도 및 상대 거리 Δz 관련 . 기둥의 지름 w _p FWHM을 측정하여 얻습니다. 레이저 강도는 0.74–0.96kW/ μ 범위입니다. m ² . w _p Δz의 감소로 감소합니다. 그리고 레이저 강도. Δz일 때 =150 nm, 직경이 w인 기둥 _p ≈110 nm는 비교적 큰 레이저 강도 범위(0.74–0.81 kW/ μ m ² ). 또한 I의 레이저 강도로 제작된 기둥 어레이의 SEM 이미지인 그림 8c–d와 같이 기둥 어레이를 제작할 때 기둥 크기에 대한 상대적으로 안정적인 창이 있습니다.> =0.74kW/ μ m ² 및 Δz의 상대 거리 =300nm. 기둥의 종횡비는 약 2입니다. 기둥의 재현성이 매우 우수함을 나타냅니다.

서로 다른 레이저 강도와 레이저 초점 상대 거리 Δz로 제작된 기둥 어레이 . 재질:E-shell 300. a 다른 레이저 강도와 상대적인 레이저 초점 위치로 제작된 기둥의 SEM 이미지. ㄴ 측정된 기둥 직경 w _p 레이저 강도와 관련하여 I 및 상대 거리 Δz . 레이저 강도는 각각 0.74kW/ μ입니다. m ² , 0.81kW/ μ m ² , 0.90kW/ μ m ² 및 0.96kW/ μ m ² 레이저 출력 1.59mW, 1.75mW, 1.94mW 및 2.07mW에 해당합니다. ㄷ 기둥 어레이의 평면도. d 45 ^∘ 로 본 기둥 배열의 SEM 이미지

회절 한계 미만의 피처 크기 및 간격 크기를 갖는 주기적 구조 제작

주기적 격자선(x에서 제작됨)의 피처 크기에 대한 각각의 조사를 기반으로 합니다. -와 평면)과 기둥을 이용하여 격자선과 기둥으로 구성된 제안된 고해상도 주기 구조를 제작하였다. 크기는 20×20 μ입니다. 격자 선의 중심과 기둥 사이의 주기적인 거리가 200 nm인 m. 이 연구에서는 격자 선과 기둥을 별도로 제작하여 주기적인 거리가 200nm인 고해상도 구조를 구현하는 전략을 제시합니다. 이 경우 주기적인 거리 PD 인접한 격자선과 인접한 기둥 사이의 거리는 400nm입니다. 중합 과정에서 격자 선과 기둥을 별도로 제작할 때 피쳐 사이에 더 큰 간격 영역이 존재합니다. 일시적으로 넓어진 갭 영역은 라디칼의 축적을 감소시켜 갭 영역에서 원하지 않는 중합을 유발할 수 있습니다. 레이저 초점 위치도 제조 과정에서 조정되어야 한다는 점에 유의해야 합니다. 부적절한 레이저 초점 위치로 제작된 구조는 그림 9a 및 b에 나와 있습니다. 포토레지스트 내부에 레이저 포커스가 과도하게 쏠렸을 때 선과 기둥이 연결되어 있음을 알 수 있다. 그림 9c–f는 잘 배치된 레이저 초점이 있는 구조의 SEM 이미지입니다[23]. 레이저 초점 위치를 적절하게 배치하고 위에 제공된 제조 전략을 활용하여 회절 한계(선폭 110nm, 기둥 직경 135nm 및 갭 크기 65nm) 미만의 치수를 갖는 구조가 다음과 같이 실현되었습니다. 그림 9e.

P를 사용하여 2PP로 제작된 주기적 구조의 SEM 이미지 디 =200 nm. 재질:E-shell 300. 격자선 제작에 사용되는 강도:I =0.83kW/ μ m ² ; 기둥:나 =0.6kW/ μ m ² . 격자 선과 기둥의 제조를 위한 상대 레이저 초점 거리는 300nm입니다. 아 –b 포토레지스트 내부에 레이저 초점 위치 설정으로 제작된 주기적 구조. ㄷ –d 적절한 레이저 초점 위치를 가진 주기적 구조의 SEM 이미지. 이 적절한 레이저 초점 위치로 제작된 구조의 평면도. 에 전체 어레이의 SEM 이미지