JP2020508578A - 少なくとも1つの脆弱なナノ構造を含むサンプルに適した電子ビームリソグラフィプロセス - Google Patents
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Abstract
Description
サンプルと接触する下側レジスト層と、下側レジスト層の上方にある上側レジスト層とを含む少なくとも2つのレジスト層をサンプルの上方に置くことと、
光学デバイスによって、選択構造から放射を受け取り、光学デバイスを基準として、選択構造の位置およびサンプルと一体のマーカ(好ましくは少なくとも3つのマーカ)の位置を画像化または決定することと、
電子ビームデバイスによって、電子ビームデバイスを基準として各マーカの位置を画像化または決定することと、
電子ビームデバイスを基準とした各マーカの位置、および
光学デバイスを基準とした選択構造の位置およびマーカの位置によって、
電子ビームデバイスを基準として選択構造の位置を推定することと、
選択構造の位置の上方の上側レジスト層の厚さをすべて除去するために、ただし、選択構造の位置の上方の下側レジスト層の厚さはまったくまたは不完全な部分しか除去しないように、電子ビームデバイスによって、選択構造の位置の上方の上側レジスト層を電子ビームで露光することと
を含む。
選択構造からの放射の波長および/もしくは
偏光および/もしくは
強度および/もしくは
集束もしくは非集束放出特性、ならびに/または
選択構造の推定寿命に基づくことができる。
構造層の1つの第1の面は、少なくとも2つのレジスト層のうちの1つと接触することができ、かつ/または
構造層の1つの第2の面は、金属層またはブラッグミラーと接触することができる。
図1(a)〜(f)は、プラズモンパッチアンテナを製造する特定の事例において説明される、最良の実現形態である本発明によるプロセスの一実施形態の、異なるステップを示すサンプル2の側面図である。
図2は、図1のプロセスのステップ1(b)を実装するための光学デバイス8を示す図である。
図3は、光学デバイス8を用いて作成されたエミッタ1およびマーカ21の蛍光画像の図である。
図4は、図3の蛍光画像上に描かれた電子ビーム描画露光パターンを示す図である。
図5は、電子ビームに露光されたレジスト最上層4(PMMA)の部分をエッチングした後のサンプル2の反射顕微鏡画像の図である。
図6は、レジスト最下層3の化学現像後の作業領域の蛍光顕微鏡画像の図である。
図7は、電子ビームリソグラフィ前(線19)および電子ビームリソグラフィ後(線20)の選択構造1(CdSe/CdS量子ドット)の寿命の測定を示す図である。
図8(a)〜8(d)は、本発明によるプロセスの実施形態の変形形態の異なるステップを示すサンプル2の側面図である。
図9は、本発明によるプロセスによって製造することができる他の構造である、プラズモンパッチアンテナの部分斜視図(左)および側面図(右)である。
図10は、本発明によるプロセスによって製造することができる他の構造である、金属誘電体アンテナの部分斜視図(左)および側面図(右)である。
図11は、本発明によるプロセスによって製造することができる他の構造である、タム構造の部分斜視図(左)および側面図(右)である。
特定の特性(発光強度、波長、配向、偏光など)を有する量子ドット(コロイドまたはエピタキシャル)、蛍光分子、およびナノダイヤモンド窒素空孔中心のような蛍光エミッタ1(個別または集合体)が蛍光顕微鏡法によって(水銀灯15および適切な光学フィルタを使用して)画像化される。
(電子ビームリソグラフィのための)位置整合マーカ21が、エミッタ1を被覆する2つのレジスト層3、4上で(レーザ17によって実行される)光リソグラフィによってエミッタ1の周りに作成される。
ウェハ5(例えば、シリコンウェハ)上に、プラズモニック金属(例えば、金または銀)の光学的に厚い層6(約200nm)がプラズマ蒸着によって堆積される。
次いで、誘電体材料層7aがその上に(例えばスピンコーティングによって)堆積される。層7aの典型的な厚さは0nmと2μmとの間に含まれる。
次に、誘電体層7aの上に、個別のまたは複数の蛍光構造1(例えば、量子ドット、ナノダイヤモンド窒素空孔中心など)を液体(CdSe/CdS量子ドットの場合のヘキサン、またはトルエンもしくはクロロホルムなど)中に分散させる。この分散系をスピンコートする。
次いで、他の誘電体材料層7bが堆積される。層7bの典型的な厚さは0nmと200nmとの間に含まれる。最後に、誘電体材料層7a、7bに個別構造1または複数の蛍光構造1を埋め込む。
構造層7a、7bの1つの第1の面が、下側レジスト層3と接触している。
構造層7a、7bの1つの第2の面が金属層6と接触している。
光学顕微鏡によるレジスト3、4の下のエミッタ1の画像化を可能にするために十分に薄い。
エミッタ(複数可)1への電子の破壊的侵入を防ぐのに十分に厚い。
光学デバイス8によって、各構造1からの蛍光放射14を受け取るステップであって、サンプル2がステージ33上にある、受け取るステップと、
レーザ17を用いた(好ましくは同じ光学デバイス8を用いた)光リソグラフィによって、少なくとも上側レジスト層4上に(および好ましくは下側レジスト層3上にも)マーカ21を作成するステップであって、サンプル2は以前と同じステージ33上にある、作成するステップと
を含む。これは、堆積のリソグラフィ残留物を洗浄するためのプロセスがサンプル2に損傷を与え、望ましくない残留物を残す可能性があるため、サンプル2にとって破壊的な、金属位置整合マーカを作成する余分なステップを回避する。
ランプ15からの励起ビーム13がエミッタ1の位置を画像化または決定するために、エミッタ1を励起する。対物レンズ34は励起ビーム13を用いて同時にいくつかのエミッタを照明するため、図2は概略にすぎない。
ビーム13によって励起される各エミッタ1によって蛍光14が放射され、対物レンズ34によって集束される。
各選択構造1によって放出され、光学デバイス8によって検出される光14の波長および/もしくは
偏光および/もしくは
強度および/もしくは
集束もしくは非集束放出特性、ならびに/または
各選択構造1の推定寿命に基づく。この寿命推定は時間分解蛍光測定に基づくことができる。
直径600nmの多数の円22、
直径1000nmの多数の円23、および
直径1500nmの多数の円24
が描かれている。
電子ビームデバイスを基準とした各マーカ21の位置
光学デバイス8を基準とした各選択構造1の位置およびマーカ21の位置
によって、電子ビームデバイスを基準として各選択構造1の位置を推定するステップを含む。
電圧=10kV
作動距離=8mm
開口=10μm
描画フィールド=100μm
円あたりの頂点の数=128
露光線量(面積線量とも呼ばれる。下の表を参照)
1)デバイス内部の構造の制御された最適な位置決めを必要とする任意の単一構造デバイス。
2)量子情報のための有望な単一光子源およびもつれ光子源を含む単一構造発光デバイス。
3)単一光子検出器、および光子状態の検出器。
4)キャビティに最適に結合された構造のセットを有するマイクロレーザ。
5)高感度かつ低ルミネセンス構造(例えば、コロイド量子ドット、蛍光分子など)の正確なナノメートル位置決めを必要とする様々なナノ構造デバイス。
図8(a)(図1(a)のステップに対応する)、図8(b)(図1(c)のステップに対応する)、図8(c)および図8(d)に示すように、少なくとも2つのレジスト層は、3つ以上のレジスト層を含むことができる。例えば、下層3をいくつかの層3a、3bに分離することができ、図1(d)の化学現像ステップを図8(c)および図8(d)のいくつかの化学現像ステップにおいて分離することができ、結果、関心領域に到達するために、底部レジスト3a、3bが化学現像によって連続的にエッチングされ、および/または
図9に示すように、本発明によるプロセスは同じサンプル2上に複数のアンテナを作製することができ、および/または
図10に示すように、本発明によるプロセスは、少なくとも1つの金属誘電体アンテナを得るために、各アンテナの金属層11、好ましくは封入層11の上方にかつ接触して誘電体層37を堆積するステップを含むことができ、各パッチ11上に誘電体キャップ37を配置するために、リソグラフィは、最初にパッチ11を配置するために、次にパッチ11上に誘電体キャップ37を配置するために、2回実行され、および/または
図11に示されるように、サンプル2の層6は、必ずしも金属である必要はなく、存在しなくてもよく、または少なくとも1つのタム構造を得るために、例えばブラッグミラー9によって置き換えられてもよく、および/または
作製された構造において、レジスト3、4、基板5、金属膜6、誘電体層7a、7b、およびパッチ11の厚さは、必要に応じて修正することができる。同じことが材料および形状にも当てはまる。例えば、基板は、Si、ガラス、Agなどのような任意の適切な材料とすることができ、ならびに/または
構造1の上方のパッチ11は、Au、Ag、Al、Ptなどのような任意のプラズモニック金属、もしくは他の何らかの新規材料であってもよく、ならびに/または
層11は、非金属および/もしくは半導体および/もしくは誘電体層11であってもよく、ならびに/または
層5もしくは6上に直接配置される大きな構造1の場合、層7a、7bは存在しなくてもよく、ならびに/または
可能な構造1のセットは、量子ドット、ナノダイヤモンド窒素空孔中心、もしくは蛍光分子以外のはるかに多くの可能性を含み、ならびに/または
各構造1は、必ずしも光もしくは蛍光エミッタ1である必要はなく、および/もしくは構造から受け取られる放射14は、必ずしも蛍光ではなく、透過放射もしくは反射放射であってもよい。本発明の範囲は、光学デバイス8を基準としてそれらの位置を決定するために反射遠視野光学顕微鏡または透過顕微鏡によって画像化することができる、非エミッタ構造1に拡張することができる。透過光学顕微鏡が光学画像化に使用される場合、層5、6、7aおよび/または7bは十分に透明である。本発明は蛍光エミッタ1に限定されない。他の目的(これは蛍光エミッタではなくてもよく、光に対して感受性を示しても示さなくてもよい)も本発明から利益を得ることができる。例えば、構造1は、いくつかの非蛍光分子が付着した金属ディスクとすることができ、これらの分子は電子との相互作用に起因して破壊または変換することができ、そのため、光リソグラフィによって位置整合マーカ21が作成され、ディスク1および位置整合マーカ21が反射顕微鏡によって画像化される。この画像は電子ビーム露光パターンを描くために使用され、電子ビームリソグラフィによって、分子の上方の所望の位置に金属パッチ11が配置され、それゆえ、上記の説明では、「エミッタ」または「蛍光エミッタ」という表現は任意の構造に一般化することができ、および/または
選択構造1の位置の上方の下側レジスト層3の残りの厚さをすべて除去する必要はない。例えば、選択エミッタ1の上方の金属パッチ11の垂直距離を増加させるために、エミッタ1の上方に層3の一部を残すことができ、および/または
層5および/または6なしで、(例えばSiO2の)層7aと(例えばPMMAの)層7bとの間にエミッタ1を挟むことが可能である。
Claims (15)
- 少なくとも1つの構造(1)を含むサンプル(2)に対するリソグラフィプロセスであって、
前記サンプル(2)と接触する下側レジスト層(3)と、前記下側レジスト層(3)の上方にある上側レジスト層(4)とを含む少なくとも2つのレジスト層(3、4)を前記サンプル(2)の上方に置くことと、
光学デバイス(8)によって、選択構造(1)から放射(14)を受け取り、前記光学デバイス(8)を基準として、前記選択構造(1)の位置および前記サンプル(2)と一体のマーカ(21)の位置を画像化または決定することと、
電子ビームデバイスによって、前記電子ビームデバイスを基準として各マーカ(21)の位置を画像化または決定することと、
前記電子ビームデバイスを基準とした各マーカ(21)の位置、および
前記光学デバイス(8)を基準とした前記選択構造(1)の位置および前記マーカ(21)の位置によって、
前記電子ビームデバイスを基準として前記選択構造(1)の位置を推定することと、
前記選択構造(1)の位置の上方の前記上側レジスト層(4)の厚さをすべて除去するために、ただし、前記選択構造(1)の位置の上方の前記下側レジスト層(3)の厚さはまったくまたは不完全な部分しか除去しないように、前記電子ビームデバイスによって、前記選択構造(1)の位置の上方の前記上側レジスト層(4)を電子ビームで露光することと
を含む、リソグラフィプロセス。 - 前記プロセスが、前記選択構造(1)の位置の上方の前記上側レジスト層(4)のすべての厚さを除去した後、前記選択構造(1)の位置の上方の前記下側レジスト層(3)の残りの厚さの少なくとも一部を除去することを含む別の除去ステップを含むことを特徴とする、請求項1に記載のプロセス。
- 前記光学デバイス(8)を基準として前記選択構造(1)の位置を画像化または決定することは、前記マーカ(21)および前記選択構造(1)からの蛍光放射(14)を画像化する画像を取得するステップを含むことを特徴とする、請求項1または2に記載のプロセス。
- 前記マーカ(21)が光リソグラフィによって作成されることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記マーカ(21)が同じ前記光学デバイス(8)を有するレーザによって作成されることを特徴とする、請求項4に記載のプロセス。
- 前記マーカが、少なくとも前記上側レジスト層(4)上、好ましくは前記下側レジスト層(3)上および前記上側レジスト層(4)上に作成されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記下層(3)が少なくとも50nmの厚さを有することを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記上層(4)が5μm未満の厚さを有することを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記プロセスは、前記上側レジスト層(4)を電子ビームで露光し、前記選択構造(1)の位置の上方の前記上側レジスト層(4)のすべての厚さを除去する前記ステップの前に、前記選択構造(1)からの前記放射(14)に基づいて前記選択構造(1)を選択するステップを含むことを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記選択構造(1)を選択する前記ステップは、
前記選択構造(1)からの前記放射(14)の
波長および/もしくは
偏光および/もしくは
強度および/もしくは
集束もしくは非集束放出特性、ならびに/または
前記選択構造(1)の推定寿命に基づくことを特徴とする、請求項9に記載のプロセス。 - 前記プロセスは、前記上側レジスト層(4)のすべての厚さが除去された、前記選択構造(1)の位置の上方に金属層(11)を堆積するステップを含むことを特徴とする、請求項1から10のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記少なくとも1つの構造(1)が、構造層(7a、7b)の内側の前記サンプル中に含まれることを特徴とする、請求項1から11のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記少なくとも1つの構造(1)は、前記構造層を形成する同じ誘電体材料の2つの層(7a、7b)の間のサンプル中に含まれることを特徴とする、請求項12に記載のプロセス。
- 前記構造層(7a、7b)の1つの第1の面は、前記少なくとも2つのレジスト層(3、4)のうちの1つ(3)と接触し、かつ
前記構造層(7a、7b)の1つの第2の面は、金属層(6)またはブラッグミラーと接触することを特徴とする、請求項12または13に記載のプロセス。 - 各構造(1)が、量子ドット、ナノダイヤモンド窒素空孔中心、または蛍光分子であることを特徴とする、請求項1から14のいずれか一項に記載のプロセス。
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