CZ307593B6 - Způsob přípravy dvou a tří rozměrných objektů z pevných látek pomocí elektronového svazku - Google Patents

Abstract

Způsob přípravy dvou nebo tří rozměrných objektů z pevných látek řízeným přesunem hmoty spojovaných materiálů pomocí elektronového svazku ve směru k tomuto elektronovému svazku zahrnuje kroky: připraví se pevný substrát, definuje se oblast pro expozici elektronovým paprskem, určí se rozměr elektronového svazku, urychlovací napětí a proud, provede se expozice substrátu alespoň jedním elektronovým svazkem. Doba expozice je úměrná požadovanému objemovému růstu dvou nebo tří rozměrných objektů. Elektronový svazek se pohybuje v opakujícím se rastrovacím vzoru exponované oblasti. Modulace elektronového svazku se provede elektronovou optikou. Substrátem je krystalická látka nebo sklo nebo keramika. Urychlovací napětí je v rozsahu 0,1 až 10 kV.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká metody přípravy dvou a tří rozměrných objektů z pevných látek pomocí elektronového svazku.

Dosavadní stav techniky

Aplikace elektronového svazku pro tvarování objektů je často alternativou litografických metod pro vzorování kovových a polovodičových materiálů, nebo je elektronový svazek použit pro tvorbu trojrozměrných objektů složených z vrstev vznikajících z kovových práškových materiálů, které slouží jako zdroj materiálu.

Tyto dvě skupiny metod se liší zejména v intenzitě a rozměry použitého elektronového svazku. Litografie elektronovým svazkem, tzv. EBL, a jí podobné metody mají obecně vyšší rozlišení pří tvorbě vzoru než foto litografie, tj. pod 100 nm, a proto používají elektronový svazek menších rozměrů. Oproti tomu, tavení elektronovým svazkem a odvozené metody používané pro přípravu třírozměrných objektů z práškových materiálů mají nízké rozlišení, tj. něco přes 10 pm, a vyžadují vysokou intenzitu elektronového svazku.

Velmi omezený počet malých dvou a třírozměrných objektů, tj. pod 100 nm, bylo dosud připraveno přímou výrobou nebo přímým psaním. Metody přímého psaní jsou pojmenovány podle schopnosti vyprodukovat libovolné vzory daného materiálu v jednom kroku nebo ve velmi málo krocích. Přímé psaní může být rovněž použito pro přípravu litografické masky pro následný přenos vzoru. Zde však termín přímé psaní je dále používán pro metody nepoužívající masku. V poslední době metody přímého psaní pomocí elektronového svazku dosáhly rozlišení srovnatelného s litografií. Takovými metodami jsou:

- depozice indukované elektronovým svazkem, v originále Electron Beam Induced Deposition - tj. EBID,

- rastrovací tunelová mikroskopie kombinovaná s chemickou depozicí par, v originále Scanning Tunneling Microscopy-Chemical Vapor Deposition - tj. STM-CVD,

- skenovací elektrochemická mikroskopie, v originále Scanning Electrochemical Microscopy -tj. SCEM,

- přímý zápis elektronové litografie, v originále Direct Write Electron Beam Lithography - tj. Direct-write EBL.

Tato skupina metod přímého psaní používá elektronový svazek k chemické reakci na povrchu, disociaci plynné nebo kapalné fáze z prekurzorů, přenosu náboje, například elektrochemicky. Pomocí těchto reakcí je pak vytvořena požadovaná část formovaného tvaru.

Metody založené na elektronové litografii vyžadují přítomnost filmu, obvykle polymemího, který po expozici elektronovým svazkem vytvoří vzor v řádu nanometrů. Následně jsou aplikovány různé procesní kroky nutné k transformaci daného vzoru na požadovaný film, např. chemická expozice, přenos vzoru, odstranění masky atp. Metody využívající elektronový svazek zahrnují i používání plynných prekurzorů disociovaných pomocí elektronového svazku vedoucímu k lokalizované depozici materiálu. Rozměr výsledného produktu závisí na fokusaci elektronového svazku a zároveň i na době výdrže, tj. času, který elektronový svazek stráví v jedné pozici. Obvykle je pak rozlišení metody EBID lepší než metody EBL, avšak kritickou nevýhodou metody EBID je obvyklá kontaminace uhlíkem, a to buď ze samotného elektronového mikroskopu, nebo z prekurzorů založených na kovově-organických látkách. Vysoké rozlišení metody EBID může být dále zlepšeno použitím skenovací tunelové mikroskopie, tj. STM,

- 1 CZ 307593 B6 která umožňuje manipulaci s jednotlivými atomy. Celkový proces je však velmi pomalý. Zrychlení metody STM je možné pomocí chemické depozice par CVD, kdy je možné přímo disociovat kovově-organické páry a chemické reakce jsou lokalizovány přímo v oblasti hrotu. Následná depozice čar a částic o velikosti nanometrů, pomocí skenování, jsou připraveny v jednom kroku, nicméně problémy s nečistotami jsou podobné jako je tomu u metody EBID.

Tavení pomocí elektronového svazku a odvozené metody mohou vyprodukovat třírozměrné objekty z práškového materiálu pomocí tavení jednotlivých a na sebe naskládaných vrstev, které pak vytvářejí pevnou strukturu. Slinování, tavení prášku a jeho tuhnutí je dáno pohybem paprsku nad pracovní plochou. Obecná snaha v této oblasti je zvýšení produktivity a zlepšení kvality produktu. Velké úsilí je zaměřeno na optimalizaci procesu ozařování materiálu elektronovým svazkem pomocí kombinace rychlosti, intenzity, skenovacího vzoru a rovněž vylepšení použitého prášku, tj. různým chemickým složením, rozdělením částic, atp. Hlavním omezením této skupiny metod je kompromis mezi produktivitou, získaným rozlišením a nutností použít práškový materiál.

Přímá aplikace elektronového svazku pro přípravu dvou a tří rozměrných objektů vícestupňový proces, kde je třeba rovněž identifikovat vhodný prekurzor pro materiál, ze kterého se má daný objekt vytvořit. Proto existuje velký počet konkurenčních faktorů a je třeba učinit kompromisy během přípravy 2D a 3D struktur. To je další výraznou nevýhodou stavu techniky.

Spis WO 2004/067445 AI popisuje růst nanostruktur na povrchu křemíkové destičky po ohřevu s použitím elektronového svazku. Tento elektronový svazek dopadá na oblast o průměru přibližně 1 mm a jeho pohybem vzniká celá ovlivněná oblast, kde dochází k ohřevu a tímto je definována teplota. Následkem toho vznikají objekty v odborné literatuře označované jako nano tečky a individuálně jsou považovány za ID fenomén. Mezí nano objekty je vždy mezera, která na ozařování nereagovala růstem objektu. Ze spisu je patrné, že není možné kontrolovat umístění jednotlivých objektů, protože vznikají na místě statistických defektů krystalové mříže, nebo defektů vzniklých dopadem implantovaných iontů, jejichž tok není na úrovni velikosti následně vzniklých objektů kontrolovatelný. Ve všech případech jsou nově vzniklé objekty vytvářeny na definovaných rovinách křemíku. Postupem popsaným ve spise nelze připravit kontinuální trojrozměrný objekt v oblasti definované elektronovým svazkem, protože daný svazek je na rozdíl o navrženého patentu cca 10 OOOx větší než vzniklé struktury.

Cílem vynálezu je představit metodu přípravy dvou a tří rozměrných objektů z pevných látek pomocí elektronového svazku, která by výše uvedené nevýhody stávajících typů metod odstranila.

Podstata vynálezu

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry metoda přípravy dvou nebo tří rozměrných objektů z pevných látek řízeným přesunem hmoty spojovaných materiálů pomocí elektronového svazku ve směru k tomuto elektronovému svazku, jehož podstata spočívá v tom, že připraví se pevný substrát, definuje se oblast pro expozici elektronovým paprskem, určí se rozměr elektronového svazku, urychlovací napětí a proud, provede se expozice substrátu alespoň jedním elektronovým svazkem, přičemž doba expozice je úměrná požadovanému objemovému růstu dvou nebo tří rozměrných objektů, a elektronový svazek se pohybuje v opakujícím se rastrovacím vzoru exponované oblasti, kde modulace elektronového svazku se provede elektronovou optikou, substrátem je krystalická látka nebo sklo nebo keramika, a urychlovací napětí je v rozsahu 0,1 až 10 kV.

Ve výhodném provedení je dopadová energie elektronů v rozmezí 100 až 10 000 eV.

-2CZ 307593 B6

V jiném výhodném provedení je doba expozice substrátu elektronovým svazkem pro každý elektronový svazek jiná.

V jiném výhodném provedení se materiál přesune ze spojovaných zrn spojovaných materiálů.

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry rovněž užití metody podle některého z nároků 1 až 4 pro vytvoření pevného spojení pevných materiálů.

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry rovněž užití metody podle některého z nároků 1 až 4 pro elektronové psaní.

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry rovněž užití metody podle některého z nároků 1 až 4 pro iniciaci růstu zrn krystalického materiálu.

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry rovněž užití metody podle některého z nároků 1 až 4 pro spojení dvou a více amorfních nebo krystalických struktur.

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry rovněž užití metody podle některého z nároků 1 až 4 pro vytváření chemických a fázových přeměn materiálu.

Objasnění výkresů

Vynález bude dále přiblížen pomocí obrázků, kde obr. la představuje definovanou oblast skenovanou elektronovým svazkem, obr. lb představuje konečnou strukturu, která vznikla po expozici elektronovým svazkem, obr. 2 představuje vývojový diagram jednotlivých po sobě následujících kroků metody podle vynálezu pro přípravu dvou a tří rozměrných objektů z pevných látek pomocí elektronového svazku, obr. 3a představuje obrázek ze skenovacího elektronového mikroskopu se změnou tvarů po působení elektronovým svazkem, obr. 3b představuje porovnání různého chemického a fázového složení běžného lahvového skla typu El5 skenované oblasti a neskenované oblasti pomoci zpětně odražených elektronů, obr. 4 představuje zrna vystavená různě dlouhé expozici elektronového svazku s konstantními parametry, obr. 5a představuje strukturu tří krystalických zrn před provedením jejich spojení pomocí elektronového svazku, a obr. 5b představuje strukturu tří krystalických zrn po provedení spojení pomocí elektronového svazku.

Příklady uskutečnění vynálezu

Principem metody podle vynálezu pro přípravy dvou a tří rozměrných objektů z pevných látek pomocí elektronového svazku je, že pro tvorbu 2D a 3D struktur nevyžaduje prekurzor, tedy materiál pro vytváření nové struktury. Zdrojem materiálů nově vybudované části je pevný substrát, například sklo nebo keramika, na němž a z něhož je daná část vystavěna. V extrémním případě může dojít k oddělení nově vybudovaných objektů od substrátu, a to, pokud je tloušťka substrátu pod nově budovaným objektem srovnatelná s výškou nově vzniklého objektu. Mluvíme-li o 2D objektech máme na mysli takové struktury, jejichž výška z je téměř nepatná.

Proces je postupný, kdy každá expozice materiálu elektronovým svazkem utváří určité přidání hmoty na ozářeném místě. Struktura tedy roste pouze v místech, které jsou vystaveny elektronovému svazku a v jejich bezprostřední blízkosti, a závisí na modulaci elektronového svazku a na době expozice substrátu tímto elektronovým svazkem Toto se může opakovat, dokud se nevytvoří kompletní část. Příklad takové struktury vytvořené pomocí expozice elektronovým svazkem je zobrazen na obr. la a na obr. lb, kdy oblast vymezená před skenováním je představena na obr. la a konečný produkt je představen na obr. lb.

-3CZ 307593 B6

Modulace elektronového paprsku se provádí zaostřováním a pohybem elektronového paprsku s různou hodnotou napětí a elektrického proudu. Důležitým parametrem pro růst budované částí je čas. V případě, že parametry elektronového paprsku jsou konstantní, pak delší expozice elektronovým svazkem znamená vytvoření větší budované struktury, a to v jednom nebo ve všech třech směrech X, Y, Z. Obecně tedy, větší povrch, respektive objem, vyžaduje delší čas expozice. Doba expozice je upravena s ohledem na velikost exponované plochy.

Je možno použít i více jak jeden elektronový svazek, přičemž jejich doba expozice nutná k dosažení stejného růstu objektu může být různá pro různě urychlené elektronové svazky stejné intenzity, jakož i pro stejně urychlené elektronové svazky různé intenzity.

Parametry lze měnit tak, aby došlo ke zpřesnění konečného tvaru a rozměrů. Rozlišení nejmenší vybudované části je dáno hlavně schopností řízení elektronového paprsku v cílové oblasti a schopností modulovat daný elektronový svazek. Možné rozlišení se může pohybovat v řádu nanometrů až stovek mikrometrů.

Elektronový paprsek je výhodně upraven za pomoci elektronové optiky pracující na shodném principu, jako je aplikován pro řízení elektronového svazku ve skenovacím elektronovém mikroskopu, ve zkratce SEM, kdy elektrony vycházející ze zdroje, tj. elektronové trysky, jsou urychlovány směrem ke vzorkům urychlovacím napětím, typicky o hodnotě 0,1 až 30 kV, přičemž je svazek elektronů upravován a zaostřován elektromagnetickými čočkami. Přímé použití SEM je možné jen ve zvláštních případech, pokud intenzita elektronového svazku a urychlovací napětí postačuje k iniciaci popsaného procesu.

Urychlovací napětí elektronového svazku je zvoleno tak aby dopadová energie elektronů byla v rozmezí 100 až 10 000 eV.

Použitým substrátem může být pevná anorganická látka, hutný porézní materiál nebo pevná amorfní nebo krystalická látka.

Exponovaná plocha je definována softwarem, který pohybuje elektronovým svazkem v opakujícím se rastrovacím vzoru exponované oblasti.

Vývojový diagram zobrazený na obr. 2 představuje následnost jednotlivých kroků představené metody podle vynálezu. Těmito kroky jsou:

- příprava pevného substrátu,

- definice oblasti pro expozici elektronovým paprskem,

- definice x-y rozměru elektronového svazku, napětí, proudu, a expozice nad definovanou oblastí,

- expozice vymezené oblasti definovaným elektronovým svazkem po daný čas,

- kontrola rozměrů vytvářeného objektu, a

- vytvoření konečného objektu.

Některé z kroků je možno opakovat až do doby, než se dosáhne požadovaného výsledku, přičemž pořadí kroků definice oblasti pro expozici elektronovým svazkem a definice x-y rozměru elektronového svazku, napětí, proudu, a expozice nad definovanou oblastí je možné zaměnit.

Tvorba 2D a 3D struktur pomocí modulovaného elektronového svazku může vést rovněž k chemickým a fázovým přeměnám pevného substrátu. Během těchto změn jsou možné i negativní změny objemu. Změny v chemickém a fázovém sloužení, jako například chemický rozklad, nebo krystalizace amorfní fáze mohou být řízeny modulací elektronového svazku nebo dobou expozice. Jeden typ možných změn exponované oblasti je zobrazen na obr. 3a obr. 3b, kde obr. 3a ukazuje objemové změny tvaru na obrázku ze SEM po působení elektronovým svazkem, ohraničeno čárovanou oblastí, kde došlo k narušení rovné plochy, tj. oblasti mimo čárkovanou

-4CZ 307593 B6 oblast, a vytvoření prohlubně v důsledku chemické a fázové přeměny materiálu, v tomto případě skla typu E15, a obr. 3b ukazuje změny v chemickém nebo fázovém složení na obrazu zpětně odražených elektronů, v originále Back Scattered Image, ve zkratce BSE. Z obrázků je patrné, že před vystavením substrátu elektronovému svazku, tedy oblast, která je na obr. 3b mimo vyznačenou výseč, bylo fázové složení homogenní, jako je tomu mimo oblast vyznačenou přerušovanou čárou. Jako příklad bylo použito sklo typu El5, které může být tvarováno pomocí modulovaného elektronového svazku a zároveň u něj dochází ke změnám v chemickém a fázovém složení.

Metoda podle vynálezu je použitelná především pro přímou výrobu pevných 2D a 3D struktur s jemnými detaily. Anorganický pevný podklad slouží jako zdroj materiálu pro růst 3D struktur a rovněž jako podpora pro růst 2D struktur.

Představená metoda může být dále použita pro iniciaci růstu zrn krystalického materiálu z důvodu jeho zhutňování, kdy míra růstu zrn a zhutnění závisí na době jeho expozice modulovaným elektronovým svazkem. Příklad takového chování, kdy doba expozice je spojena s růstem velikosti zrn je zobrazen na obr. 4, kde velikost zrn a hustota v části a) odpovídá několika sekundám expozice, v části b) odpovídá desítkám sekund a v části c) odpovídá dlouhým expozičním časům, v řádu minut. Rychlost růstu zrn a zhutnění rovněž závisí na modulaci elektronového svazku a typu exponovaného materiálu.

Jinou možností použití představené metody podle vynálezu je spojení dvou a více amorfních nebo krystalických struktur, kterého může být dosaženo pomocí modulace elektronového svazku, která způsobí požadovaný přenos materiálu na nové místo. Pro spojování struktur je možno použít např. prostředí obdobné skenovacímu elektronovému mikroskopu SME, kde materiál ze spojovaných částí nebo materiál z okolí vytvoří pevné spojení. Vytvořené spojení je uskutečněno pohybem materiálu pomocí elektronového svazku, kde přesunutý materiál má schopnost vytvořit pevné spojení s povrchem spojených částí. Žádný externí materiál ani prekurzor není pro tento spojovací proces nutný. Příklad spojení krystalických zrn je zobrazen na obr. 5, kde obr. 5a představuje strukturu tří krystalických zrn před provedením jejich spojení a obr. 5b představuje strukturu tří krystalických zrn po provedení spojení. Modulovaný elektronový svazek zde přenesl materiál nutný k vytvoření spojení přímo ze spojovaných zrn. Nová spojení nevykazují obvyklé hranice mezi původními a spojenými částmi. Použití více než jednoho nezávislého elektronového svazkuje pro sestavení vhodného tvaru spojení žádoucí.

Metoda podle vynálezu na rozdíl od konvenčních způsobů přímého psaní, nevyžaduje žádný další krok po závěrečné expozici elektronového paprsku.

Metoda podle vynálezu nevyžaduje žádný prekurzor pro tvorbu 2D a 3D struktur, jelikož zdrojem materiálu u nově vybudované části je pevný substrát, na němž je daná část vystavěna. Proces je postupný, kdy každá expozice materiálu elektronovým svazkem utváří určité přidání hmoty na ozářeném místě. Toto se může opakovat, dokud se nevytvoří kompletní část, zdroj materiálu pro každou vrstvuje původně pevný substrát.

Vynález není omezen výše uvedeným provedením, ale může být modifikován způsoby popsanými rozsahem patentových nároků.

Claims (9)

1. Způsob přípravy dvou nebo tří rozměrných objektů z pevných látek řízeným přesunem hmoty spojovaných materiálů pomocí elektronového svazku ve směru k tomuto elektronovému svazku, vyznačující se tím, že

-5CZ 307593 B6

- připraví se pevný substrát,

- definuje se oblast pro expozici elektronovým paprskem,

- určí se rozměr elektronového svazku, urychlovací napětí a proud,

- provede se expozice substrátu alespoň jedním elektronovým svazkem,

- přičemž doba expozice je úměrná požadovanému objemovému růstu dvou nebo tří rozměrných objektů,

- a elektronový svazek se pohybuje v opakujícím se rastrovacím vzoru exponované oblasti,

- kde modulace elektronového svazku se provede elektronovou optikou,

- substrátem je krystalická látka nebo sklo nebo keramika, a

- urychlovací napětí je v rozsahu 0,1 až 10 kV.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že dopadová energie elektronů je v rozmezí 100 až 10 000 eV.

3. Způsob podle některého zvýše uvedených nároků, vyznačující se tím, že doba expozice substrátu elektronovým svazkem je pro každý elektronový svazek jiná.

4. Způsob podle některého zvýše uvedených nároků, vyznačující se tím, že materiál se přesune ze spojovaných zrn spojovaných materiálů.

5. Užití způsobu podle některého z nároků 1 až 4 pro vytvoření pevného spojení pevných materiálů.

6. Užití způsobu podle některého z nároků 1 až 4 pro elektronové psaní.

7. Užití způsobu podle některého z nároků 1 až 4 pro iniciaci růstu zrn krystalického materiálu.

8. Užití způsobu podle některého z nároků 1 až 4 pro spojení dvou a více amorfních nebo krystalických struktur.

9. Užití způsobu podle některého z nároků 1 až 4 pro vytváření chemických a fázových přeměn materiálu.