Разработка технологии управляемой наносферной литографии

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3350 (2023) Цитировать эту статью

1354 Доступа

10 Альтметрика

Подробности о метриках

Данная работа посвящена развитию технологии наносферной литографии (НСЛ), которая представляет собой недорогой и эффективный метод формирования наноструктур для наноэлектроники, а также оптоэлектронных, плазмонных и фотоэлектрических приложений. Создание маски наносфер методом центрифугирования — перспективный, но недостаточно изученный метод, требующий большой экспериментальной базы для разных размеров наносфер. Итак, в данной работе мы исследовали влияние технологических параметров НСЛ методом центрифугирования на площадь покрытия подложки монослоем наносфер диаметром 300 нм. Установлено, что площадь покрытия увеличивается с уменьшением скорости и времени отжима, содержания изопропила и пропиленгликоля, а также с увеличением содержания наносфер в растворе. Кроме того, детально изучен процесс управляемого уменьшения размеров наносфер в индуктивно-связанной кислородной плазме. Установлено, что увеличение скорости потока кислорода с 9 до 15 см3 не меняет скорость травления полистирола, тогда как изменение мощности ВЧ с 250 до 500 Вт увеличивает скорость травления и позволяет с высокой точностью контролировать уменьшение диаметра. На основе экспериментальных данных были выбраны оптимальные технологические параметры НСЛ и создана маска наносферы на подложке Si с площадью покрытия 97,8% и воспроизводимостью процесса 98,6%. Последующее уменьшение диаметра наносфер позволяет получить наноиглы различных размеров, которые можно использовать в автоэмиссионных катодах. В данной работе уменьшение размера наносфер, травление кремния и удаление остатков полистирола происходило в едином непрерывном процессе плазменного травления без выгрузки образца в атмосферу.

Создание упорядоченных массивов кремниевых наноструктур представляет большой интерес для исследователей из-за их уникальных свойств и потенциальных применений в различных компонентах электронных1,2, плазмонных3,4, фотонных5, фотоэлектрических6,7 устройств, а также поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии ( СЭРС)8. Например, авторы работы9 создали прототип вертикально-интегрированных нанопроволочных полевых транзисторов (SiNW-FET) на основе вертикально ориентированных кремниевых структур. Кроме того, SiNW-FET перспективны для биосенсоров благодаря своей сверхчувствительности, селективности, а также возможностям обнаружения без меток и в реальном времени10. Известно также, что солнечные элементы, изготовленные на основе кремниевых вертикально ориентированных наноструктур, перспективны в солнечной энергетике. Это связано с такими преимуществами, как повышенная эффективность улавливания света за счет его многократного рассеяния внутри структуры, при значительно меньшей массе и толщине ячейки по сравнению с планарными ячейками11. Еще одним перспективным применением кремниевых вертикально ориентированных наноструктур, а именно наноигл, является их использование в качестве автоэмиссионных (холодных) катодов в электровакуумных устройствах. В отличие от термоэмиссионных катодов, в этом случае нет необходимости предварительного возбуждения электронов для их эмиссии под действием электрического поля12,13.

Однако одной из основных проблем развития технологий в этом направлении является отсутствие простых способов формирования рисунка на поверхности подложки для получения необходимой топологии. Обычно традиционные методы литографии, такие как литография в крайнем ультрафиолете (EUV) и электронно-лучевая литография (EBL) в сочетании с процессом сухого плазменного травления, используются для создания наноструктур контролируемого размера и формы. Например, в работе14 авторы демонстрируют свой датчик показателя преломления на основе массива резонансных кремниевых нанодисков диаметром 330 нм, изготовленных с использованием ЭЛС и реактивного ионного травления. В другой статье15 авторы представляют процесс изготовления массива металлических нанопроволок диаметром менее 100 нм с использованием EUV и плазменного травления в кислороде. Несмотря на то, что использование коротковолнового излучения и альтернативного метода воздействия позволило уменьшить размеры получаемых структур, эти методы характеризуются значительными финансовыми и временными затратами, а также технической сложностью при их реализации16. В связи с этим поиск и исследование более простых, дешевых и производительных подходов к формированию наноструктур с определенными параметрами приобрел первостепенную актуальность и практическую значимость.