DE19544295A1

DE19544295A1 - Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Strukturen im Submikrometerbereich

Info

Publication number: DE19544295A1
Application number: DE19544295A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Joergens; Andre Dr Rer Nat Gorbunov; Wolfgang Prof Dr Rer Nat Pompe
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1995-11-28
Filing date: 1995-11-28
Publication date: 1997-06-05

Description

Einführung

Die Erzeugung von submikrometer- und nanometerskaligen Strukturen ist ein interessantes Gebiet der Oberflächenphysik, das auch große potentielle Anwendungsmöglichkeit enthält. Es werden rastersondenmikroskopische (RSM) [1] Methoden sowie optische und Elektronen- und Röntgenlithographie eingesetzt, um solche Nanostrukturen zu erzeugen. Lithographischen Verfahren haben eine methodenspezifische Auflösungsbegrenzung, während RSM-Methoden nicht konkurrenzfähig für die Massenproduktion sind. Das Ziel dieser Arbeit ist die Ermittlung der minimalen Ausdehnung von Strukturen, die durch Anwendung einer wohlbekannten Laserstrahlbearbeitung auf kleinstem Maßstab erzeugt werden können. Hierfür wird ein Laserrastermikroskop (LSM) eingesetzt, um die Oberflächenreaktion hervorzurufen und damit Strukturen zu erzeugen, die kleiner als die Beugungsgrenze sind.

Verfahren

Die Strukturen werden mit einem kommerziellen Laserrastermikroskop [2] erzeugt, bei dem der minimale Durchmesser des fokussierten Strahls eines Argon-Ionenlasers 500 nm beträgt. Rastert man den fokussierten Strahl auf der Probenoberfläche, so bekommt man eine hochauflösende Abbildung der Oberfläche.

Dünne (3-60 nm) Titanschichten, die mittels Laserablation auf Substrate aus Floatglas aufgebracht worden sind, dienen als Untersuchungsproben. Die Laserbestrahlung dieser Proben führt zur Entstehung von Oxidstrukturen nach dem folgenden Modell. Man bestrahle die Probe mit dem Laserlicht, das eine Gaußsche räumliche Intensitätsverteilung entsprechend Gleichung (1) hat:

wo I₀ die Intensität auf der Strahlachse und R₀ der Strahlradius (auf 1/e Intensitätsniveau) sind. Die Lichtabsorption in der metallischen Schicht führt zu einer Maximaltemperatur [3]

wobei T(0) die Oberflächentemperatur auf der Achse des Strahls und I₀ die modifizierte Besselfunktion der Nullordnung sind und A für das Lichtabsorptionsvermögen der Schicht, P für die Gesamtlaserleistung, k für die Wärmeleitfähigkeit stehen.

Falls die Bestrahlung an Luft stattfindet, wird diese Temperaturerhöhung die Oxidation der Schicht hervorrufen. Nimmt man ein parabolisches Wachstumsgesetz an [4], so wird die Dicke der Oxidschicht h mit der Zeit t folgendermaßen zunehmen:

wobei w₀=330 m²/sec und Q=33000 K die parabolische Geschwindigkeitskonstante und Aktivierungstemperatur der Titanoxidation sind [5].

Wenn die Schicht dünn genug ist, wird die laterale Ausdehnung der aufgeheizten Zone nur von den thermophysikalischen Eigenschaften des Substrats bestimmt. Verwendet man ein transparentes wärmedämmendes Glassubstrat (k=0,0146 W/cm²K) und eine Laserdosis, die nahe dem Schwellwert der vollständigen Durchoxidation der Schicht liegt, wird die Reaktionszonenausdehnung infolge der Nichtlinearität der Oxidationsreaktion wesentlich kleiner als der Durchmesser des Strahls sein. Die einsetzende Transparenz der Schicht nach der Durchoxidation baut die Lichtabsorption A und dadurch die Temperatur T ab, so daß die Reaktion automatisch zum Stillstand kommt.

Das Modell wurde zunächst mit 30 nm Titanschichten auf einem 1 mm dicken Substrat mit nichtfokussierter Laserstrahlung (R₀=756 nm) geprüft. Die Bestrahlungszeit betrug 10 Sekunden. Aus dem theoretischen Modell folgt, daß die Durchoxidation der Schicht bei Laserleistungen P<3.8 W stattfinden sollte. Abb. 1 zeigt die normierten Laserstrahl-, Temperatur- und Oxidschichtdickenprofile bei P=3,9 W. Das Oxidschichtdickenprofil wurde auf die maximale mögliche Dicke des Titandioxids normiert,

wobei µ und ρ die Molmasse und die Dichte der entsprechenden Materialien sind. Der Ausdruck in den Klammern stellt das Verhältnis von Molvolumen von TiO₂ und Ti dar. Man sieht, daß trotz der großen Ausdehnung des Temperaturfeldes nur die Schichtfläche mit einem Radius von ca. 200 nm am Gipfel der Temperaturverteilung durchoxidiert worden ist. Experimentell erhält man ähnliche Ergebnisse mit P=3,5 W. Das ist in Abb. 2 dargestellt, wo das Transmissionsprofil entlang der Linie, die durch das Zentrum der Wechselwirkungszone geht, dem entsprechenden transmissionsmikroskopischen Bild überlagert ist. Der Kreis um die Wechselwirkungszone entspricht dem Radius des Laserstrahls. Trotz der Einfachheit des Modells (Näherungsannahmen zum Oxidationsgesetz, Vernachlässigung der Absorptionsänderung während der Oxidation sowie der Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit) kann man die erzielte Übereinstimmung zwischen theoretischen und experimentellen Ergebnissen als gut betrachten.

Die Reduzierung der Laserfleckgröße bis zur Beugungsgrenze führt dazu, daß Strukturen erzeugt werden können, die wesentlich kleiner als die Laserwellenlänge sind. Mit T(0)∞P/R₀ (siehe Formel 2b) benötigt man dafür eine Laserleistung von nur einigen mW. Als Beispiel ist in Abb. 3 ein zweidimensionales Gitter dargestellt, das durch Rastern einer 6 nm dicken Schicht mit dem fokussierten Strahl des Argon-Ionenlaser des LSM erzeugen worden ist. Die mittlere Halbwertsbreite der Linien (FWHM) ist 195±9 nm. Diese Linien sind mindestens um einen Faktor 2,5mal schmaler als der beugungsbegrenzte Durchmesser des fokussierten Laserstrahls, den man durch ein Gaußprofil mit einem Durchmesser von

2 R₀ ≈ 1,22 · 0,68 · λ/N.A. = 500 nm (5)

annähern kann, wobei N.A.=0,85 die numerische Apparatur des Mikroskopobjektivs und 0,68 ein Korrekturfaktor sind. Die Höhe der Oxidlinien beträgt 3,7±0,2 nm in einer Richtung und 2,9±0,3 in der anderen.

Die mittels Elektronenenergiedispersionsspektroskopie (EDS) ermittelten Profile von Sauerstoff, Titan und Silizium in den Umwandlungszonen bestätigen die Annahme einer Oxidbildung (siehe Abb. 4). Während die Konzentration des Titans unverändert bleibt, ist die Sauerstoffkonzentration in den Umwandlungszonen erhöht und das Siliziumsignal verringert, was ein Wachstum einer TiO_x-Schicht entsprechend Gleichung (4) belegt.

Ergebnisse und Diskussion

Mittels Atomkraftmikroskopie wurde die Halbwertsbreite (FWHM) und die Höhe der Oxidprofile bestimmt. Sie sind in Abb. 5 als Funktion der Ausgangsdicke der Titanschicht dargestellt.

Nach der Gleichung (2) ist die Temperatur der Oberfläche von der Lichtabsorption A abhängig. Dünnere Titanschichten absorbieren weniger und den niedrigeren Temperaturen entsprechen geringere Oxidationsgeschwindigkeiten. In dickeren Schichten beginnt die Wärmeabfuhr durch die Metallschicht mit der Wärmeableitung in das Substrat zu konkurrieren. Eine größere laterale Wärmeausdehnung erklärt eine geringe Zunahme der FWHM der 30 nm dicken Schichten. Die laterale Wärmeabfuhr in den 60 nm dicken Schichten ist so groß, daß die Temperatur, die für die rasche Oxidation notwendig ist, mit der gegebenen Laserleistung nicht mehr erreicht werden kann.

Die Abhängigkeiten der Strukturgrößen von der Laserleistung für 6 nm dicken Schichten sind in Abb. 6 dargestellt. Während die FWHM mit der Laserleistung fast linear zunimmt, erreicht die Oxidhöhe bei höheren Leistungen eine Sättigung. Weil diese Sättigungshöhe etwas kleiner als diejenige ist, die man bei der Anwendung von Gleichung (4) erhält, deutet diese Sättigung auf die Selbstbegrenzung der Reaktion bei einer Resttitanschichtdicke hin. Bei dieser Dicke ist die Lichtabsorption so gering, daß die für die rasche Oxidation notwendige Temperatur nicht mehr erreicht wird.

Die kleinsten Abmessungen der Oxidstrukturen, die sich auf 6 nm Titanschicht erzeugen lassen, sind in der Tabelle 1 zusammengestellt. Generell sind die Abmessungen der erzeugten Strukturen von dem gesamten Salz der experimentellen Parameter bestimmt:
Rastergeschwindigkeit des LSMs, Laserintensität, Wellenlänge, Durchmesser des Laserstrahls auf der Oberfläche, Schichtdicke, thermophysikalische Eigenschaften des Substrats und optische Eigenschaften der Metallschicht. Die zielgerichtete Kombination dieser Prozeßparameter ermöglicht das Erzeugen von submikrometerskaligen Strukturen.

Tabelle 1

Minimalabmessungen des erzeugten Oxidgitters auf einer 6 nm dicken Titanschicht

Zusammenfassung

Mittels laserinduzierter Oxidation konnten Strukturen auf der Submikrometerskala auch unterhalb der optischen Beugungsgrenze erzeugt werden. Die Abmessungen der Strukturen wurden mit einem Atomkraftmikroskop gemessen. Die Prozeßparameter, die das Strukturwachstum steuern, wurden bestimmt. Es konnte gezeigt werden, daß die nichtlineare Abhängigkeit der Oxidwachstumsgeschwindigkeit von der Temperatur sowie die Selbstbegrenzung des Oxidwachstums beim Erreichen der bestimmten Schichttransparenz die strukturbestimmenden Mechanismen sind. Die Erzeugung von neuartigen optischen Mikrostrukturen konnte demonstriert werden, die ein großes Anwendungspotential besitzen können.

Die erfindunsgemäß erzeugten Strukturen sind als perfekte Diffraktionsgitter für Reflexion oder Transmission, beispielsweise in der optischen Spektroskopie anwendbar. Die Gitter können als Lichteinkopplungselemente in der Optoelektronik, überrachend vorteilhaft aber auch in der optischen Nahfeldmikroskopie zur Lichteinkopplung und als Kalibrierungsmittel in der Rastersondenmikroskopie eingesetzt werden.

Literatur

1. R. Wiesendanger, Scanning probe microscopy and spectroscopy, Cambridge University Press, 1994, pp. 542-580.
2. LSM Model 320, Carl Zeiss GmbH, Oberkochen.
3. M. von Allmen, Laser beam interactions with materials, Springer-Verlag, Berlin, 1987.
4. P. Kofstad, High temperature corrosion, Elsevier Science Publishing Company, NY, 1988.
5. A. M. Prokhorov, V. I. Konov, I. Ursu, I. N. Mihailescu, Laser heating of metals, Adam Hilger, Philadelphia, 1990.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Strukturen im Submikrometerbereich, wobei die Strukturen mittels eines fokussierten Laserstrahls durch gesteuerte Bestrahlung einer dünnen Schicht aus einem oxydbildenden Material auf einem Trägermaterial mittels eines Laserrastermikroskopes erzeugt werden.

2. Verfahren zur Erzeugung von Strukturen im Submikrometerbereich, wobei die Strukturen mittels eines fokussierten Laserstrahls durch gesteuerte Bestrahlung einer dünnen Schicht aus einem oxydbildenden Material auf einem zumindest für die Laserwellenlänge transparenten Trägermaterial erzeugt werden und der Durchmesser des fokussierten Laserstrahles auf der Probenoberfläche in einem Bereich unterhalb 1000 nm liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dünne Schicht aus Titan besteht und mittels der Laserstrahlung Titanoxidstrukturen erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls in einem Bereich um 500 nm liegt.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Laser ein Argon-Ionenlaser eingesetzt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Laser ein gepulster Festkörperlaser eingesetzt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Trägermaterial ein Glassubstrat ist.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der dünnen Schicht unterhalb 40 nm liegt.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mittels des fokussierten Laserstrahls Gitterstrukturen erzeugt werden.

10. Verwendung eines nach Anspruch 9 hergestellten Gitters als Diffraktionsgitter.

11. Verwendung eines nach Anspruch 9 hergestellten Gitters in der optischen Spektroskopie.

12. Verwendung eines nach Anspruch 9 hergestellten Gitters zur Lichteinkopplung in der Optoelektronik oder der optischen Nahfeldmikroskopie.

13. Verwendung eines nach Anspruch 9 hergestellten Gitters als Kalibrierungsmittel in der Rastersondenmikroskopie.

14. Anordnung zur Erzeugung von Strukturen im Submikrometerbereich, mittels eines Laserrastermikroskopes durch gesteuerte Bestrahlung einer dünnen Schicht aus einem oxydbildenden Material auf einem Trägermaterial.

15. Anordnung zur Erzeugung von Strukturen im Submikrometerbereich, mittels eines fokussierten Laserstrahls mit Mitteln zur gesteuerten Bestrahlung einer dünnen Schicht aus einem oxydbildenden Material auf einem zumindest für die Laserwellenlänge transparenten Trägermaterial, wobei der Durchmesser des fokussierten Laserstrahles auf der Probenoberfläche in einem Bereich unterhalb 1000 nm liegt.

16. Anordnung nach Anspruch 15, wobei die dünne Schicht aus Titan besteht und mittels der Laserstrahlung Titanoxidstrukturen erzeugt werden.