ΟΠΤΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΛΛΟ- ΙΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΙΚΡΟ ΟΜΩΝ

Transcript

1 Μ Ε «Φυσική Των Υλικών» ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΟΠΤΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΛΛΟ- ΙΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΙΚΡΟ ΟΜΩΝ Θεοδώνη Παναγιώτα A.M

2 2

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα ερευνητική εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού ιπλώματος Ειδίκευσης «Φυσική των Υλικών» του τμήματος Φυσικής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστήμιου Αθηνών, κατά το ακαδημαϊκό έτος Θα ήθελα κατ αρχήν να ευχαριστήσω τον ρα κ. Ν. Παπανικολάου, τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Ν. Στεφάνου και τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Ε. Συσκάκη, μέλη της Τριμελούς Επιτροπής, για τα χρήσιμα σχόλια και τις παρατηρήσεις τους. Σε αυτή την εργασία μελετώνται οπτικές ιδιότητες μέταλλο διηλεκτρικών μικροδομών. Σκοπός ήταν η κατασκευή περιοδικά μορφοποιημένων μεταλλικών υμενίων πάνω σε φωτονικό κρύσταλλο Si και η μελέτη του φάσματος διέλευσης και ανάκλασης στο υπέρυθρο χρησιμοποιώντας φασματοφωτόμετρο FTIR (Fourier Transform Infra-Red). Tα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στα εργαστήρια του Ινστιτούτου Μικροηλεκτρονικής του Εθνικού Κέντρου Έρευνας Φυσικών Επιστημών (ΕΚΕΦΕ) «ημόκριτος», υπό την καθοδήγηση των ερευνητών Β βαθμίδας ρα Ν. Παπανικολάου και ρα Ι. Ράπτη. Η εκπαίδευση μου στις διεργασίες οπτικής λιθογραφίας έγινε από την ρα Μ. Χατζηχρηστίδη, ενώ ο ρας Β. Βαμβακάς με βοήθησε στη λήψη μετρήσεων με το φασματοφωτόμετρο FTIR, η ρα Π. Μπαγιάτη έκανε τις εγχαράξεις του Si και ο ρας Θ. Σπηλιώτης έκανε τις επιμεταλλώσεις στο Ινστιτούτο Υλικών του ΕΚΕΦΕ «ημόκριτος». Θέλω να τους ευχαριστήσω όλους θερμά όπως επίσης και το τεχνικό προσωπικό του Ινστιτούτου Μικροηλεκτρονικής. Ειδικότερα θα ήθελα να εκφράσω την ευγνωμοσύνη και τις θερμές ευχαριστίες μου προς τον ρ. Ν. Παπανικολάου. χωρίς το ενδιαφέρον, τις γνώσεις και την αμέριστη συμπαράσταση του οποίου η εργασία αυτή δε θα μπορούσε να έχει πραγματοποιηθεί. Η παρούσα εργασία υποστηρίχθηκε από χρηματοδότηση του ΕΚΕΦΕ «ημόκριτος» στα πλαίσια του έργου «ΗΜΟΕΡΕΥΝΑ» (Ε-1437). Π. Θεοδώνη 3

4 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο Θεωρητικά στοιχεία Εισαγωγή ιέλευση φωτός μέσω μεμονωμένων οπών ιέγερση επιφανειακών πλασμονίων 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο Πειραματικές Τεχνικές Συνθήκες Πειραματικές Τεχνικές Οπτική Λιθογραφία Επιμετάλλωση Ξηρή Εγχάραξη Υγρή Εγχάραξη Φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR) Πειραματικές Συνθήκες Καθαρισμός επιφάνειας δείγματος Θετική Αρνητική λιθογραφία Συνθήκες επιμετάλλωσης - ξηρής εγχάραξης Μάσκα Λιθογραφίας 34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο Πειραματικά Αποτελέσματα - Συμπεράσματα Μορφοποιημένα λεπτά μεταλλικά υμένια πάνω σε υπόστρωμα Si Φωτονικός κρύσταλλος Si Μορφοποιημένα λεπτά μεταλλικά υμένια πάνω σε φωτονικό κρύσταλλο Si Θεωρητική μελέτη με ηλεκτρομαγνητικές προσομοιώσεις 55 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ 61 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ - ΑΝΑΦΟΡΕΣ 63 5

6 6

7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι ιδιότητες της θερμικής εκπομπής των υλικών μπορούν να ρυθμιστούν 6 δημιουργώντας δομές διαστάσεων μικρομέτρων ( 10 m) ή νανομέτρων 9 ( 10 m) στην επιφάνεια. Μονοδιάστατοι φωτονικοί κρύσταλλοι έχουν χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη ελεγχόμενης θερμικής εκπομπής και έχουν μελετηθεί για πιθανές εφαρμογές ως φίλτρα σε θερμοφωτοβολταϊκά [1]. Επίσης έχει αναφερθεί κατευθυντική εκπομπή από μικρότερου του μήκους κύματος περιοδική δομή διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) λόγω διέγερσης επιφανειακών φωνοπολαριτονίων [2]. Παρόμοιες δομές έχουν προβλεφθεί επίσης να είναι κατευθυντικοί, μερικώς συντονισμένοι θερμικοί εκπομποί στο υπέρυθρο [3]. Οι οπτικές ιδιότητες περιοδικών δομών οπών διαμέτρου μικρότερης του μήκους κύματος σε λεπτά μεταλλικά υμένια έχουν επίσης μελετηθεί εκτεταμένα εφόσον εμφανίζουν εντυπωσιακά υψηλότερο συντελεστή διέλευσης από αυτόν που αναμένουμε από τη σκέδαση Rayleigh [4]. Το φαινόμενο παρατηρήθηκε σε οπτικές αλλά και σε υπέρυθρες συχνότητες. Ο συνδυασμός μεταλλικών υμενίων μορφοποιημένων με οπές με διαμέτρους μικρότερες από το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός, διαστάσεων μικρομέτρου, με φωτονικούς κρυστάλλους παρουσιάζει ενδιαφέρουσα θερμική εκπομπή που διαφέρει πολύ από το φάσμα μέλανος σώματος [5]. Τέτοιες δομές θα μπορούσαν να έχουν ενδιαφέρουσες εφαρμογές ως θερμικοί εκπομποί σε θερμοφωτοβολταϊκά αλλά και ως χημικοί αισθητήρες στο υπέρυθρο. Στην παρούσα εργασία κατασκευάστηκαν λεπτά μεταλλικά υμένια μορφοποιημένα με ένα τετραγωνικό πλέγμα οπών με διαμέτρους λίγων μικρομέτρων πάνω σε υπόστρωμα πυριτίου (Si) χρησιμοποιώντας τεχνικές οπτικής λιθογραφίας. Οι δομές εμφανίζουν εξαιρετικά ενισχυμένο συντελεστή διέλευσης στην περιοχή του υπερύθρου. Επιπλέον, οι δομές αυτές γίνονται αποδοτικοί θερμικοί εκπομποί μικρού εύρους όταν η δομή των οπών μεταφέρεται στο υπόστρωμα του Si με ξηρή εγχάραξη έχοντας το μέταλλο ως μάσκα. Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση των γεωμετρικών παραμέτρων, όπως το βάθος των οπών και η διάμετρός τους, στο φάσμα εκπομπής ώστε να βελτιστοποιηθούν οι οπτικές ιδιότητες. 7

8 8

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Θεωρητικά στοιχεία 1.1 Εισαγωγή Η παρουσία μικρών οπών σε αδιαφανές μεταλλικό υμένιο, με διαμέτρους μικρότερες από το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός, μπορεί να οδηγήσει σε ένα ευρύ φάσμα μη αναμενόμενων οπτικών ιδιοτήτων όπως ενισχυμένη διέλευση του φωτός μέσω των οπών, φιλτράρισμα των μηκών κύματος αλλά και αυξημένη ένταση πεδίου κοντά στις οπές. Αυτά τα φαινόμενα είναι πλέον γνωστό ότι οφείλονται στην αλληλεπίδραση του φωτός με την πυκνότητα φορτίου της επιφάνειας του μεταλλικού υμενίου και μπορούν να ελεγχθούν ρυθμίζοντας το μέγεθος και τη γεωμετρία των οπών. Αυτή η γνώση ανοίγει πολλές προοπτικές σε εφαρμογές που κυμαίνονται από την μικρότερου του μήκους κύματος οπτική και την οπτικο-ηλεκτρονική έως τη βιοφυσική [5,6]. Η ενισχυμένη διέλευση μέσω περιοδικών οπών μικρότερων του μήκους κύματος σε μεταλλικά υμένια έχει αναφερθεί αρχικά από τους Ebbesen et al. [4]. Τα τελευταία χρόνια πολλές πειραματικές και θεωρητικές εργασίες, στην απεικόνιση κοντινού πεδίου [7-9] και στη σχέση διασποράς των επιφανειακών πλασμοπολαριτονίων [10-12], συγκεντρώνονται στην ανίχνευση των μηχανισμών σύζευξης των επιφανειακών πλασμονίων με τη περιοδική δομή. Επίσης έχει αναφερθεί, θεωρητικά και πειραματικά, ενισχυμένη διέλευση και μέσω διδιάστατων περιοδικά διαμορφωμένων μεταλλικών υμενίων χωρίς οπές [13-16] που φανερώνει τη σύζευξη των επιφανειακών κυμάτων πλασμονίων που διεγείρονται ταυτόχρονα και από τις δύο πλευρές του λεπτού μεταλλικού υμενίου. Μία οπή σε μία οθόνη είναι πιθανότατα το πιο απλό δυνατό οπτικό στοιχείο και ήταν αντικείμενο περιέργειας και τεχνολογικής εφαρμογής πολύ πριν αναλυθεί επιστημονικά. Τον 16 ο αιώνα οι Φλαμανδοί ζωγράφοι με μια οπή σε μέγεθος καρφίτσας στην camera obscura προβάλανε, εάν και ανάποδα, μια εικόνα στους καμβάδες τους. Στα μέσα του 17 ου αιώνα πρώτος ο Grimaldi περιέγραψε τη διάθλαση από ένα κυκλικό άνοιγμα [17], συμβάλλοντας έτσι στη θεμελίωση της κλασικής οπτικής. Παρά την προφανή απλότητά τους και παρόλο που το μέγεθός τους ήταν πολύ μεγαλύτερο από το μήκος κύματος του φωτός, αυτές οι οπές 9

10 παρέμειναν να είναι αντικείμενο μελέτης και συζητήσεων για πολλούς αιώνες αργότερα, μιας και η ακριβής περιγραφή τους και ο πειραματικός προσδιορισμός της οπτικής τους αποδείχθηκαν να είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθούν. Τον 20 ο αιώνα το ενδιαφέρον μετατοπίστηκε σε οπές μικρότερες του μήκους κύματος της ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτές - που στο εξής θα αναφέρονται ως «μικρές» οπές - όσο η τεχνολογία κατευθύνθηκε σε μεγαλύτερα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Με αυξημένο το ενδιαφέρον στην τεχνολογία των μικροκυμάτων το 1940 περίπου, ο Bethe ασχολήθηκε με τις ιδιότητες διάθλασης μιας ιδανικής «μικρής» οπής, δηλαδή μιας οπής σε ιδανικά αγώγιμη μεταλλική οθόνη μηδενικού πάχους [18]. Οι προβλέψεις του, ειδικότερα ότι η οπτική μετάδοση θα ήταν πολύ μικρή, έγιναν η αναφορά για τα ζητήματα που συνδέθηκαν με τη μικρογράφηση των οπτικών στοιχείων και την ανάπτυξη των σύγχρονων εργαλείων χαρακτηρισμού πέρα από το όριο περίθλασης όπως το οπτικό μικροσκόπιο σάρωσης κοντινού πεδίου (Scanning Near-field Optical Microscope: SNOM). Σε αυτό το πλαίσιο, η αναφορά του φαινομένου της ενισχυμένης διέλευσης από διατάξεις οπών μικρότερων του μήκους κύματος σε μία αδιαφανή μεταλλική οθόνη προκάλεσε ιδιαίτερο ενδιαφέρον γιατί έδειξε ότι πολύ περισσότερο φως από την πρόβλεψη του Bethe μπορεί να διαπεράσει τις οπές [4,18]. Το γεγονός αυτό πυροδότησε μια πιο θεμελιώδη έρευνα και προήγαγε τις «μικρές» οπές ως το βασικό στοιχείο για νέες οπτικές διατάξεις [5,6,19]. Κεντρικό μέρος αυτού του φαινομένου είναι ο ρόλος επιφανειακών κυμάτων (επιφανειακά πλασμόνια), τα οποία ουσιαστικά είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα παγιδευμένα σε μία μεταλλική επιφάνεια μέσω της αλληλεπίδρασής τους με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μετάλλου. Ο συνδυασμός τους με τις «μικρές» οπές είναι αυτός που διαχωρίζει το φαινόμενο της ενισχυμένης διέλευσης από την ιδανική συμπεριφορά του Bethe. Επιπλέον, νέες τεχνικές νανοκατασκευής επιτρέπουν τη διαχείριση αυτού του συνδυασμού μορφοποιώντας την επιφάνεια σε κλίμακα μικρότερη του μήκους κύματος κοντά στην περιοχή του οπτικού φάσματος. Το γεγονός αυτό δημιουργεί πολλές δυνατότητες και εφαρμογές από τους χημικούς αισθητήρες μέχρι την ατομική οπτική. 10

11 1.2 ιέλευση φωτός μέσω μεμονωμένων οπών Οι οπτικές ιδιότητες από μεμονωμένες οπές ήταν αντικείμενο ενδιαφέροντος τουλάχιστον από τον 17 ο αιώνα και όπως αναφέρθηκε, αποτελούν αντικείμενο μελέτης μέχρι και σήμερα [20]. Κατά τη διάρκεια των ετών όλες οι θεωρίες που έχουν αναπτυχθεί περιέχουν σημαντικές προσεγγίσεις για να απλοποιήσουν το πρόβλημα. Το 19 ο αιώνα εμφανίστηκαν οι πρώτες θεωρίες περίθλασης που θα μπορούσαν να εφαρμοστούν στα μεμονωμένα ανοίγματα. Ειδικότερα, για ανοίγματα πολύ μεγαλύτερα από το μήκος κύματος, η αρχή Huygens-Fresnel και η θεωρία Kirchhoff ξεχωρίζουν. Η αρχή Huygens-Fresnel δηλώνει ότι οποιαδήποτε κυματομορφή μπορεί να περιγραφεί από ένα σύνολο σφαιρικών σημειακών πηγών που συμβάλλουν στη συνέχεια για να δώσουν τη μορφή της σε ένα δεδομένο σημείο στο χώρο και στο χρόνο. Η θεωρία του Kirchhoff αντί να στηρίζεται σε μια εμπειρική περιγραφή της διάδοσης του φωτός, είναι ουσιαστικά η μαθηματική διατύπωση της αρχής Huygens-Fresnel. Ο Kirchhoff εξέφρασε το ηλεκτρικό πεδίο πίσω από την οπή ως ένα ολοκλήρωμα που δεν θα μπορούσε να λυθεί εάν το πεδίο στην οθόνη και στην οπή είναι άγνωστα. Για να υπερνικήσει αυτήν την δυσκολία, ο Kirchhoff έκανε την προσέγγιση ότι το πεδίο στην οπή είναι το ίδιο με αυτό που θα υπήρχε εάν η οθόνη ήταν απούσα και ότι είναι μηδενικό σε οποιοδήποτε άλλο σημείο. Η θεωρία του Kirchhoff επεκτάθηκε από άλλους αλλά προκύπτει ότι για κάθετη πρόσπτωση φωτός σε οπές πολύ μεγαλύτερες από το μήκος κύματος, η αναλυτική έκφραση για την ένταση της διέλευσης ανά μονάδα στερεάς γωνίας δίνεται από τη σχέση I ( θ ) I 0 ( kr) 2J ( kr sinθ ) π kr sinθ, (1) όπου I 0 είναι η συνολική ένταση της ακτινοβολίας που προσπίπτει στην οπή, k = 2π λ είναι ο κυματαριθμός της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, r είναι η ακτίνα της οπής, θ είναι η γωνία μεταξύ του μοναδιαίου ανύσματος της οπής και της κατεύθυνσης της επαν-εκπομπής και J1 ( kr sinθ ) είναι η συνάρτηση Bessel πρώτης τάξης. Η ένταση ακτινοβολίας που περιγράφεται από την Εξ. 1 είναι ουσιαστικά ένα κεντρικό φωτεινό σημείο που περιβάλλεται από μία ομάδα δακτυλίων μικρότερης έντασης. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο συντελεστής διέλευσης (δηλαδή ο λόγος της ολικής έντασης της διέλευσης προς το I 0 ) προσεγγίζει τη μονάδα όταν λ r [21]. 11

12 Η θεωρητική επεξεργασία των «μικρών» οπών απαιτεί μια προσέγγιση χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις Maxwell ακόμη και για μια ποιοτική ανάλυση. Οι πρώτες προσπάθειες πραγματοποιήθηκαν από τον Rayleigh τον 19 ο αιώνα αλλά ήταν ο Hans Bethe ο οποίος, το 1944, διατύπωσε τελικά μια θεωρητική περιγραφή της περίθλασης του φωτός για ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος από μία κυκλική οπή διαμέτρου r << λ στην ιδανική περίπτωση ενός άπειρα λεπτού και ιδανικά μεταλλικού ελάσματος [18]. Ο Bethe έδειξε ότι στην κάθετη πρόσπτωση, το άνοιγμα συμπεριφέρεται όπως ένα μικρό μαγνητικό δίπολο και ο συντελεστής διέλευσης δίνεται, όπως φαίνεται και στο Σχ. 1, από τη σχέση 64 T = ( kr ) 4. (2) 2 27π Σχήμα 1. Περίθλαση και φάσμα διέλευσης του ορατού φωτός μέσω μιας «μικρής» οπής σε ένα άπειρα λεπτό ιδανικό μεταλλικό φιλμ Σημειώνεται ότι ο συντελεστής είναι ανάλογος του kr που σημαίνει T ( ) 4 ότι η διέλευση είναι πολύ μικρή όπως θα περίμενε κανείς. Η Εξ. 2 επεκτάθηκε από τον Bouwkamp ο οποίος συμπεριέλαβε όρους του λόγου r λ μεγαλύτερης τάξης [22,23]. Η οπή στην ανωτέρω ανάλυση των Bethe-Bouwkamp είναι μία εξιδανικευμένη οπή σε μια απείρως λεπτή οθόνη αλλά απολύτως αδιαφανής λόγω άπειρης αγωγιμότητας. Ωστόσο, ένα πραγματικό άνοιγμα χαρακτηρίζεται από ένα πεπερασμένο πάχος h οπότε έχει χαρακτηριστικά κυματοδηγού. Η διέλευση του φωτός από έναν τέτοιο οδηγό είναι πολύ διαφορετική από τη μετάδοση του φωτός στον κενό χώρο. Το πεπερασμένο αυτό πάχος του κυματοδηγού ουσιαστικά τροποποιεί τη σχέση διασποράς του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Οι πλευρικές διαστάσεις του κυματοδηγού καθορίζουν το μήκος κύματος για το οποίο το φως δε μπορεί να μεταδοθεί μέσω του ανοίγματος. Αυτό το μήκος κύματος είναι γνωστό ως το κάτω όριο διέλευσης λ C. Όταν το προσπίπτον μήκος κύματος είναι λ > λ, τότε η διέλευση φθίνει εκθετικά και χαρακτηρίζει το μέτρο C όπου πλέον δε γίνεται διάδοση, όπως φαίνεται στο Σχ

13 Σχήμα 2. Κυλινδρικός κυματοδηγός ακτίνας r, πολύ μικρότερη από το μήκος κύματος λ του προσπίπτοντος ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, σε ένα μεταλλικό φιλμ πάχους h Η ρεαλιστικότερη περίπτωση ενός ανοίγματος σε ένα υμένιο πεπερασμένου πάχους απαιτεί αριθμητικές προσομοιώσεις. Παραδείγματος χάριν ο Roberts έδειξε ότι ο συντελεστής διέλευσης μειώνεται εκθετικά με το βάθος των οπών [24]. Αυτό είναι χαρακτηριστικό ενός ανοίγματος που επιτρέπει τη διέλευση μόνο μέσω φαινομένου σήραγγος κατά αντιστοιχία με τη κβαντική θεωρία όπου το κύμα φθίνει εκθετικά μέσα στο μέσο. Για μια κυκλική οπή διαμέτρου σε ένα τέλειο μέταλλο, το κάτω όριο του μήκος κύματος για το οποίο το φως δεν μπορεί πλέον να διαδοθεί είναι απλά λ 2 d. Οι ιδιότητες διέλευσης από τέτοια ανοίγματα δεν πρέπει να συγχέονται με τα ανοίγματα που επιτρέπουν τη διάδοση του φωτός ακόμα κι αν έχουν τα μικρότερου του μήκους κύματος χαρακτηριστικά γνωρίσματα (δηλ. μικρότερα από λ 2 ). Για παράδειγμα τα ανοίγματα μορφής C [25], οι σχισμές [26] και οι δακτύλιοι [27,28] μπορούν όλα να υποστηρίξουν τέτοιους τρόπους διάδοσης που βελτιώνουν εντυπωσιακά τις ιδιότητες διέλευσής τους και συνεπώς δεν περιγράφονται από τη θεωρία του Bethe. Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό γνώρισμα ενός πραγματικού ανοίγματος είναι η πεπερασμένη αγωγιμότητα του πραγματικού μετάλλου που δεν λαμβάνεται υπόψη στις ανωτέρω περιγραφές. Αυτό έχει αναλυθεί για τα οπτικά λεπτά υμένια [29] και έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά [30], εντούτοις, αυτό οδηγεί σε πολύ διαφορετικές συνθήκες από την υπόθεση μιας οπής σε μια αδιαφανή οθόνη. Μόνο πολύ πρόσφατα οι ιδιότητες διέλευσης μεμονωμένων ανοιγμάτων σε ένα οπτικά παχύ φιλμ έχουν μετρηθεί και έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία [31,32] επιτρέποντας τη σύγκριση με τη θεωρία Bethe, δεδομένου ότι σε αυτήν την περίπτωση το υμένιο είναι επίσης απολύτως αδιαφανές. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι ιδιότητες διέλευσης είναι πολύ διαφορετικές από τις αναμενόμενες, δεδομένου ότι εμφανίζεται μια κορυφή διέλευσης που οφείλεται στην ύπαρξη των εντοπισμένων τρόπων ταλάντωσης στην επιφάνεια λόγω των επιφανειακών πλασμονίων. d 13

14 1.3 ιέγερση επιφανειακών πλασμονίων Έστω ότι στο επίπεδο βρίσκεται διεπιφάνεια μετάλλου z > 0, διηλεκτρικής συνάρτησης m z ( ) ε, και διηλεκτρικού ( z < 0), διηλεκτρικής σταθεράς ε d. Στη διεπιφάνεια αυτή, υπάρχει δυνατότητα σύζευξης μεταξύ του ελεύθερου επιφανειακού φορτίου του μετάλλου και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Έστω ότι το ηλεκτρικό πεδίο είναι πολωμένο κατά το επίπεδο x z. Επομένως, στις δύο πλευρές της επιφάνειας το πεδίο είναι E r, ω = E ˆi+ E kˆ exp ik x+ ik z, z > 0 Επειδή E E = 0 ( ) ( ) ( ) 1x 1z 1x 1z E r, ω = E ˆi+ E kˆ exp ik x+ ik z, z < 0 ( ) ( ) ( ) προκύπτει ότι k E 2x 2z 2x 2z 1x 1x k1ze1z 0 + = και k2 E2 + k2 E2 = 0 (5) x x z z Από τις συνθήκες συνέχειας του πεδίου στη διαχωριστική επιφάνεια: συνεχές και E συνεχές, όπου και E είναι η παράλληλη και η κάθετη E συνιστώσα του ηλεκτρικού πεδίου ως προς την επιφάνεια αντίστοιχα, προκύπτουν οι παρακάτω σχέσεις E 1x = E 2 x, k1x k2x ks PP Απαλείφοντας από τις σχέσεις διασποράς, (3) (4) = = και ε me1z = ε de 2 z (6) k1x k1z ω µεε 0 0 m + =, k2x k2z ω µεε 0 0 d + = (7) τα k, k, προκύπτει ότι 1z 2z k SPP ω = c ε mε d ε + ε όπου, ω είναι η συχνότητα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και του φωτός στο κενό. m d c (8) είναι η ταχύτητα Η Εξ. 8 είναι η σχέση διασποράς των επιφανειακών πλασμοπολαριτονίων (Surface Plasmon Polaritons: SPP), που είναι συλλογικές διεγέρσεις του πλάσματος των ηλεκτρονίων στη μεταλλική επιφάνεια συζευγμένου με φωτόνια. Ένας τέτοιος τρόπος ταλάντωσης χαρακτηρίζεται από ένα κυματάνυσμα παράλληλα στην επιφάνεια. Υπό την προϋπόθεση ότι το πραγματικό μέρος του ε m είναι μικρότερο από αυτό του ε d, αυτό το κυματάνυσμα έχει θετικό πραγματικό και φανταστικό μέρος. Το μήκος διάδοσης του επιφανειακού κύματος πριν εισχωρήσει στο 14

15 μέταλλο μπορεί να είναι κάποιες δεκάδες μικρόμετρα στις λείες επιφάνειες των ευγενών μετάλλων, όπως του Au ή του Ag για μήκη κύματος στο ορατό. Ο κυματαριθμός k SPP των SPP προκύπτει να είναι πάντα μεγαλύτερος από τη συνιστώσα του κυματανύσματος του φωτός ίδιας συχνότητας παράλληλα στη διεπιφάνεια, για οποιοδήποτε γωνία πρόσπτωσης θ : kspp > k = sinθω εd c, όπως φαίνεται αμέσως από την Εξ. 8. Συνεπώς, δεν είναι δυνατόν να διεγερθούν SPP απ ευθείας με πρόσπτωση φωτός σε μια λεία επιφάνεια. Οι αρχές διατήρησης ορμής και ενέργειας δεν μπορούν να ικανοποιηθούν συγχρόνως. Στο Σχ. 3 παρουσιάζεται η σχέση διασποράς του πραγματικού μέρους του για ένα μεταλλικό υμένιο πάνω σε ένα οργανικό υλικό. Το σύστημα αυτό εμφανίζει δύο κλάδους στη σχέση διασποράς των SPP, που αντιστοιχούν σε κάθε διεπιφάνεια μετάλλου - διηλεκτρικού (μέταλλο / αέρας, μέταλλο / οργανικό υλικό). k SPP Σχήμα 3. Σχέση διασποράς SPP μεταλλικού υμενίου πάνω σε οργανικό υλικό, η σκιασμένη περιοχή αντιστοιχεί στον κώνο του φωτός Η σχέση διασποράς των SPP δεν τέμνει πουθενά τη γραμμή του φωτός ω = ck ε που διαχωρίζει τα διαδιδόμενα από τα φθίνοντα κύματα που d μπορούν να κατευθύνονται προς τη διεπιφάνεια. Απαιτείται μία επιπρόσθετη ορμή ώστε το κυματάνυσμα των SPP να μεταφερθεί από το χώρο απόσβεσης στο χώρο διάδοσης του προσπίπτοντος φωτός, ώστε να μπορέσουν να διεγερθούν SPP. Αυτό εκφράζεται με την συνθήκη kspp = k + G που είναι συνάρτηση της προσπίπτουσας συχνότητας και της γωνίας πρόσπτωσης. Με αυτό τον τρόπο η σχέση διασποράς των SPP αναδιπλώνεται και εισέρχεται στον κώνο φωτός οπότε και μπορούν να διεγερθούν SPP, όπως φαίνεται και στο Σχ. 4. Ένας τρόπος προσφοράς της απαραίτητης ορμής για τη σύζευξη του εισερχόμενου φωτός με SPP είναι η εισαγωγή μιας περιοδικής δομής σκεδαστών, 15

16 οπότε κυματανύσματα παράλληλα στη διεπιφάνεια που διαφέρουν κατά ένα διάνυσμα αντιστρόφου πλέγματος περιγράφουν την ίδια φυσική κατάσταση του συστήματος. Σχήμα 4. Αναδίπλωση των κλάδων της σχέσης διασποράς SPP ενός διαµορφωµένου µεταλλικού υµενίου πάνω σε οργανικό υλικό που βρίσκεται σε περιβάλλον αέρα όταν ισχύει Για παράδειγμα σε μονοδιάστατη περιοδική διαμόρφωση με περίοδο α, 2π kspp = sinθω εd c+ i, i : ακέραιος, (9) α το φως συζευγνύεται με SPP. Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα τότε παγιδεύεται στιγμιαία στην επιφάνεια προκαλώντας κορυφές στο συντελεστή διέλευσης. Η περιοδική διάταξη των σκεδαστών δημιουργεί μια δομή ζωνών όπως φαίνεται και στο διάγραμμα στο Σχ. 5. Σε κάθε πολλαπλάσιο του π α (ακμές των ζωνών Brillouin) τα SPP οπισθο-ανακλώνται τόσο ισχυρά με αποτέλεσμα να μη μπορούν να διαδοθούν περαιτέρω. Στη σχέση διασποράς τους εμφανίζονται χάσματα που αντιστοιχούν στα στάσιμα κύματα και στο ισχυρά ενισχυμένο πεδίο. Σχήμα 5. Σχέση διασποράς SPP με περιοδική διαμόρφωση της διεπιφάνειας Αντίστοιχα με τη μονοδιάστατη περιοδική δόμηση, για ένα τετραγωνικό πλέγμα οπών σε κάθετη πρόσπτωση, όπως είναι οι δομές που μελετούνται στην παρούσα εργασία, τα μήκη κύματος λ max στα οποία μπορεί να προκληθεί διέγερση SPP δίνονται σε μια πρώτη προσέγγιση από την ακόλουθη εξίσωση: 16

17 λ ( ) ( ) i j = α i + j 2 ε ε ε + ε max, m d m d (10) όπου α είναι η πλεγματική σταθερά, i και j είναι ακέραιοι που δηλώνουν την τάξη σκέδασης. Κατά συνέπεια, τα φάσματα του συντελεστή διέλευσης τέτοιων δομών χαρακτηρίζονται από ένα σύνολο κορυφών και κάθε κορυφή μπορεί να ταυτοποιηθεί με ένα σετ τέτοιων ακεραίων. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το φαινόμενο της ενισχυμένης διέλευσης μέσω «μικρών» οπών σε πεπερασμένου πάχους μεταλλικά υμένια δεν περιορίζεται μόνο στο ορατό αλλά εμφανίζεται και σε άλλες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος όπως είναι το υπέρυθρο το οποίο και μελετάται στην παρούσα εργασία. Επίσης, το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται σε πλέγματα οπών αλλά και σε μεμονωμένες οπές που περιβάλλονται από περιοδικούς δακτυλίους [6], όπως επίσης και σε περιοδικά διαμορφωμένα μεταλλικά υμένια χωρίς οπές [13-16]. Και στις τρεις περιπτώσεις η περιοδικότητα επιτρέπει τη σύζευξη του φωτός στη δομή, υπό μορφή SPP. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι όταν προσπίπτει φως σε μη περιοδικές δομές, όπως μεμονωμένες οπές, σωματίδια κ.α. μπορούν και πάλι να διεγερθούν SPP. Αυτό είναι δυνατό όταν οι διαστάσεις των ατελειών αυτών είναι μικρότερες από το μήκος κύματος του προσπίπτοντος πεδίου δημιουργώντας ένα ευρύ φάσμα ανυσμάτων G. Οι λύσεις της εξίσωσης της συνθήκης σύζευξης = k + G και η αποτελεσματικότητα της σύζευξης εξαρτάται από την ιδιαίτερη μορφή της ατέλειας. kspp Έχοντας συζητήσει το φάσμα των καταστάσεων SPP που μπορούν να συμμετέχουν σε μετασχηματισμούς φως-spp και SPP-φως, στη συνέχεια συζητούνται οι μηχανισμοί της μεταφοράς ενέργειας από τη μια πλευρά του μεταλλικού φιλμ στην άλλη στα πειράματα της ενισχυμένης διέλευσης [33]. Αυστηρά μιλώντας, για να μελετήσει κανείς τη μεταφορά των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μέσω μορφοποιημένων μεταλλικών υμενίων πεπερασμένου πάχους πρέπει να λάβει υπόψη του τους συλλογικούς τρόπους ταλάντωσης στο υμένιο αντί των ανεξάρτητα διεγειρόμενων SPP στις δύο διεπιφάνειες του μετάλλου. Αυτή η αυστηρή προσέγγιση, ωστόσο, οδηγεί σε περίπλοκες εκφράσεις για τις σχέσεις διασποράς οι οποίες δεν επιτρέπουν μια αναλυτική αντιμετώπιση. Από τη άλλη όμως, στην περίπτωση που το πάχος του υμενίου είναι αρκετά μεγάλο ώστε να εξασφαλίζεται μικρή αλληλεπίδραση μεταξύ των SPP στις διαφορετικές 17

18 διεπιφάνειες, αυτά τα SPP μπορούν να περιγραφούν ως ασθενώς αλληλεπιδρώντες, ουσιαστικά ανεξάρτητοι τρόποι ταλάντωσης. Η κύρια συνέπεια αυτής της ασθενούς αλληλεπίδρασης σήραγγος, είναι η πιθανότητα της ανταλλαγής ενέργειας μεταξύ των πλασμονικών ταλαντώσεων ενώ μπορούν να αγνοηθούν οι αλλαγές στη σχέση διασποράς των ταλαντώσεων. Στην περίπτωση του συντονισμού, μπορεί να επιτευχθεί η πλήρης μεταφορά ενέργειας ανεξάρτητα από την ένταση της αλληλεπίδρασης εφόσον όμως ο χρόνος αλληλεπίδρασης είναι αρκετά μεγάλος. Έχοντας υπόψη αυτή τη θεωρία των ασθενώς συζευγμένων καταστάσεων, ακολουθούν τα πιθανά σενάρια διέλευσης φωτός μέσω μορφοποιημένων μεταλλικών υμενίων. 1. ιέλευση φωτός μέσω φαινομένου σήραγγος χωρίς να διεγείρονται SPP όπως φαίνεται και στο Σχ. 6(a). Η ένταση της διέλευσης περίπτωση φθίνει εκθετικά με το πάχος του μετάλλου. h) T, σε αυτή την 2. ιέλευση με συντονισμένη διέγερση SPP σε μία από τις διεπιφάνειες του υμενίου, Σχ. 6(b). Η διέλευση σε αυτή την περίπτωση μπορεί να εκτιμηθεί ότι είναι T exp( k SPP. Αναλόγως των παραμέτρων του συστήματος, η μείωση του μπορεί να είναι αρκετά μικρή, γεγονός που οδηγεί στη μεγάλη ενίσχυση της διέλευσης. Η παραπάνω εκτίμηση δε λαμβάνει υπ όψη λεπτομέρειες της περιοδικής διαμόρφωσης της διηλεκτρικής συνάρτησης του μετάλλου. kspp 3. ιέλευση με αυθόρμητη διέγερση SPP και στις δύο διεπιφάνειες του μεταλλικού υμενίου, διπλός συντονισμός, Σχ. 6(c,d). Σε αυτή την περίπτωση δεν υπάρχει παράγοντας εκθετικής μείωσης στην έκφραση για την αποδοτικότητα της διέλευσης εφόσον η μεταφορά της ενέργειας γίνεται μεταξύ των καταστάσεων των επιφανειακών πολαριτονικών κυμάτων Bloch στις δύο επιφάνειες του υμενίου (φαινόμενο σήραγγος συντονισμού). Αυτή η διαδικασία της διέλευσης φωτός μέσα στο υμένιο μπορεί να χωριστεί σε τρία στάδια: (α) διέγερση SPP στην ακτινοβολούμενη από το προσπίπτον φως διεπιφάνεια, (β) μεταφορά ενέργειας μέσω σήραγγος από τα διεγειρόμενα SPP σε SPP της απέναντι επιφάνειας και (γ) εκπομπή φωτός από τα τελευταία SPP. Κατά συνέπεια, για να επιτευχθεί η μέγιστη ενίσχυση στη διέλευση πρέπει να υπάρχει συντονισμός μεταξύ των SPP στις δύο επιφάνειες. Όταν λείπει η συνθήκη του διπλού συντονισμού η ενίσχυση συμβαίνει λόγω της διέγερσης SPP στη μία μόνο διεπιφάνεια και ο αντίστοιχος παράγοντας ενίσχυσης είναι γενικά μικρότερος. 18

19 Σχήμα 6. Σχηματική παράσταση της διαδικασίας σήραγγος μέσω ενός μεταλλικού υμενίου: (a) χωρίς διέγερση SPP, (b) SPP διεγείρονται μόνο στη μία διεπιφάνεια του υμενίου και (c) και (d) SPP διεγείρονται και στις δύο διεπιφάνειες του υμενίου σε συμμετρικές π. χ. αέρας/ μέ ταλλο/ αέρας και ασύμμετρες δομέ ς π.χ. διηλεκτρικό/ μέταλλο/αέρας Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η πλήρης ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ των συζευγμένων καταστάσεων απαιτεί σημαντικά μεγάλο χρόνο αλληλεπίδρασης που εξαρτάται από την ένταση της σύζευξης και επομένως εξαρτάται από το χρόνο ζωής των καταστάσεων που αναμειγνύονται. Λόγω των απωλειών Ohm οι τρόποι ταλαντώσεις στην επιφάνεια (πλασμόνια) έχουν πεπερασμένο μήκος διάδοσης στην επιφάνεια και επομένως πεπερασμένο χρόνο ζωής. Το πεπερασμένο μήκος διάδοσης θα έχει σημαντική επίδραση στο χρόνο αλληλεπίδρασης μεταξύ SPP και φωτονίων - περίπτωση (2) - και των δύο SPP - περίπτωση (3) - έχοντας ως αποτέλεσμα γενικά μικρότερο παράγοντα ενίσχυσης της διέλευσης. 19

20 20

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Πειραματικές Τεχνικές - Συνθήκες 2.1 Πειραματικές Τεχνικές Στην παρούσα εργασία κατασκευάστηκαν περιοδικές δομές οπών σε λεπτά μεταλλικά υμένια πάνω σε φωτονικό κρύσταλλο Si. Η πειραματική διαδικασία για την κατασκευή των δομών που μελετήθηκαν παρουσιάζεται στο Σχ. 7 και περιληπτικά έχει ως εξής. Αρχικά επικαλύπτεται η μία επιφάνεια του Si (a) με φωτοευαίσθητη ρητίνη (b) και με τη μέθοδο της οπτικής λιθογραφίας (c) αποτυπώνεται στη ρητίνη η δομή που έχει η μάσκα που χρησιμοποιείται (d). Στη συνέχεια γίνεται επιμετάλλωση με αλουμίνιο ή χρυσό (e). Στη συνέχεια τα δείγματα τοποθετούνται σε λουτρό υπερήχων με ακετόνη ώστε να επιτευχθεί απομάκρυνση του μετάλλου (lift off) από τις περιοχές του Si που ήταν καλυμμένες με τη φωτορητίνη (f). Τέλος, με τη μέθοδο της ξηρής εγχάραξης (g) έχοντας το μέταλλο ως μάσκα, μεταφέρεται η δομή και στο Si (h). a b Substrate Substrate Resist c d Mask Substrate Substrate Light exposure Resist (after development) e f Substrate Substrate Metal deposition Metal layer (after Lift Off) g Substrate Dry etching Final structure h Σχήμα 7. ιάγραμμα ροής πειραματικής διαδικασίας Θα πρέπει να σημειωθεί ότι για όλα τα βήματα της οπτικής λιθογραφίας απαιτείται ένας καθαρός χώρος εργαστηρίου, όπου να ελέγχεται ο συνολικός αριθμός των σωματιδίων στη μονάδα του όγκου, η θερμοκρασία και η υγρασία του χώρου. Ένας καθαρός χώρος της τάξης του 100 αντιστοιχεί σε 100 σωματίδια ανά κυβικό πόδι, δηλαδή σε 3500 σωματίδια ανά κυβικό μέτρο. Για τις 21

22 περισσότερες διαδικασίες στην περιοχή της μίκρο/νάνο τεχνολογίας απαιτείται ένας καθαρός χώρος της τάξης του 100, δηλαδή το ποσό της σκόνης να είναι τέσσερις τάξεις μεγέθους χαμηλότερο από αυτό του ατμοσφαιρικού αέρα Οπτική Λιθογραφία Η λιθογραφία έχει ως σκοπό τη δημιουργία γεωμετρικών σχημάτων στην επιφάνεια επίπεδου υποστρώματος. Αναπτύχθηκε και χρησιμοποιείται ευρέως για την παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Αρχικά, λεπτό στρώμα φωτοευαίσθητου πολυμερούς εναποτίθεται στην επιφάνεια του υποστρώματος. Αυτό επιτυγχάνεται με φυγοκέντρηση του διαλύματός του και ακολουθεί θέρμανση για την πλήρη απομάκρυνση του διαλύτη. Κατόπιν, το φωτοευαίσθητο πολυμερές φωτίζεται μέσα από μάσκα με το επιθυμητό σχήμα αποτύπωσης στο πολυμερές. Ανάλογα με το είδος της ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται για την έκθεση του φωτοευαίσθητου πολυμερικού υλικού, η λιθογραφία διακρίνεται σε α) οπτική λιθογραφία, β) λιθογραφία με ακτίνες Χ, γ) λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης και δ) λιθογραφία δέσμης ιόντων. Η ακτινοβολία προκαλεί χημικές αλλαγές στο φωτοευαίσθητο πολυμερές. Ακολουθεί η εμφάνιση του πολυμερούς σε κατάλληλο εμφανιστή που απομακρύνει είτε τις φωτισμένες περιοχές αφήνοντας άθικτες τις σκοτεινές (διεργασία θετικής λιθογραφίας), είτε τις σκοτεινές περιοχές αφήνοντας άθικτες τις φωτισμένες (διεργασία αρνητικής λιθογραφίας). Έτσι, μετά την εμφάνιση στο πολυμερές έχει αναπτυχθεί είτε το σχήμα της μάσκας είτε το αρνητικό του. Το παραμένον πολυμερές, προστατεύει τις περιοχές του υποστρώματος που δεν πρέπει να εκτεθούν στις μετέπειτα διεργασίες (π.χ. εγχάραξη, επιμετάλλωση). Τα κύρια μέρη από τα οποία αποτελείται ένα σύστημα οπτικής λιθογραφίας είναι: i) Κυλινδρική μεταλλική βάση για την τοποθέτηση του δισκίου η οποία συνδέεται με αντλία δημιουργίας κενού. Η βάση διαθέτει μηχανισμό ευθύγραμμης κίνησης στο οριζόντιο επίπεδο xy και στην κατεύθυνση z και μηχανισμό περιστροφής του επιπέδου xy. ii) Μηχανισμός στήριξης της μάσκας. 22

23 iii) Πηγή υπεριώδους ακτινοβολίας. Ως πηγές ακτινοβολίας χρησιμοποιούνται λυχνίες εκκένωσης Hg ή Hg-Xe (για μήκη κύματος στα 436 και 365nm) και τελευταία τα excimer laser (KrF στα 248nm και ArF στα 193nm). Ανάλογα με τον τρόπο έκθεσης του δείγματος, η οπτική λιθογραφία γίνεται με εκτύπωση είτε με επαφή, είτε με γειτνίαση, είτε με προβολή. Στην παρούσα εργασία η εκτύπωση πραγματοποιήθηκε με επαφή. Στα συστήματα εκτύπωσης με επαφή το δισκίο το οποίο καλύπτεται από την φωτοευαίσθητη ουσία φέρεται σε φυσική επαφή με τη μάσκα και η εκτύπωση πραγματοποιείται στις διαστάσεις της μάσκας. Το μειονέκτημα της διαδικασίας αυτής είναι ότι προκαλούνται σημαντικές φθορές στη μάσκα. Παράγοντες που μειώνουν την ακρίβεια της μεθόδου είναι η πιθανή διόγκωση της φωτοευαίσθητης ουσίας, η δυσκολία στην ευθυγράμμιση και τα υπολείμματα ανάμεσα στις επιφάνειες που δημιουργούνται λόγω τριβής της μάσκας με το επιστρωμένο δισκίο. Στα συστήματα εκτύπωσης με γειτνίαση υπάρχει ένα διάκενο μεταξύ της μάσκας και της φωτοευαίσθητης ουσίας αποστάσεως μm. Αυτό το μικρό διάκενο περιορίζει τη φθορά της μάσκας χωρίς να την αποτρέπει πλήρως. Τα συστήματα αυτά υστερούν σε σχέση με τα συστήματα επαφής σε διακριτική ικανότητα, η οποία φθάνει έως 2 με 4 μm. Τα προβλήματα που προκύπτουν από την εκτύπωση επαφής και γειτνίασης αντιμετωπίζονται με τη χρήση των συστημάτων εκτύπωσης με προβολή της μάσκας πάνω στο δισκίο, καθώς αποφεύγεται η επαφή της μάσκας με την φωτοευαίσθητη ουσία. Το φως από μία λάμπα υδραργύρου ή ένα laser υπόκειται σε ανάκλαση, διάθλαση ή συνδυασμό τους. Η μάσκα προβάλλεται στο δισκίο σε διαστάσεις 4:1 ή 5:1. Με το σύστημα βηματικής έκθεσης, η μάσκα προβάλλεται υπό σμίκρυνση στο δισκίο το οποίο βρίσκεται πάνω σε μια μετακινούμενη βάση κατά τους άξονες x, y Επιμετάλλωση Μετά τη λιθογραφία και την αποτύπωση της επιθυμητής δομής στη ρητίνη, ακολουθεί η επικάλυψη του δείγματος με μέταλλο. Οι επιμεταλλώσεις πραγματοποιήθηκαν με καθοδική ιοντοβολή (Sputter Deposition). 23

24 Η συσκευή που χρησιμοποιήθηκε αποτελείται από ένα αντλητικό σύστημα, ένα σύστημα παροχής Ar ρυθμιζόμενης πίεσης, τον αεροστεγή θάλαμο όπου τοποθετούνται οι στόχοι, το υπόστρωμα και το τροφοδοτικό λειτουργίας, όπως φαίνεται στο Σχ. 8. Η λειτουργία της συσκευής στηρίζεται στη φυσική διαδικασία της αποκόλλησης των ατόμων από ένα υλικό (στόχο) μετά από βομβαρδισμό της επιφανείας του από ιόντα αερίου υψηλής κινητικής ενέργειας. Χρησιμοποιείται κυρίως για την εναπόθεση λεπτών υμενίων. Αφότου επιτευχθεί κατάλληλο κενό μέσα στον θάλαμο εισάγεται αέριο Ar σε χαμηλή πίεση και δημιουργείται πλάσμα με τη βοήθεια διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στον στόχο (κάθοδος) και στην προστατευτική θήκη του (άνοδος). Έτσι, εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια που προέρχονται κυρίως από τον στόχο αλληλεπιδρούν με άτομα Ar και σχηματίζονται ιόντα. Όσον αφορά την αρχή λειτουργίας μίας συσκευής καθοδικής ιοντοβολής, διακρίνεται σε DC και RF. Στην DC λειτουργία εφαρμόζεται μία συνεχής διαφορά δυναμικού μεταξύ του στόχου και του προστατευτικού περιβλήματός του και χρησιμοποιείται κυρίως για στόχους αγώγιμων υλικών. Πιο συγκεκριμένα, εφαρμόζεται μία αρνητική τάση στο στόχο, ενώ το προστατευτικό του περίβλημα είναι γειωμένο. Σχήμα 8. Σχηματική παράσταση συσκευής καθοδικής ιοντοβολής Για μη αγώγιμα ή και ημιαγώγιμα υλικά στόχων χρησιμοποιείται η RF (Radio Frequency) εναλλασσόμενη τάση όπου εναλλάσσεται η τάση πόλωσης ανόδου-καθόδου με πολύ υψηλό ρυθμό. Ο λόγος που γίνεται αυτό είναι η αποφυγή συσσώρευσης ηλεκτρικού φορτίου στους στόχους-μονωτές. Με τη βοήθεια μαγνητών στην περιοχή του στόχου εξασφαλίζεται εντοπισμός των ηλεκτρονίων κοντά στον στόχο με αποτέλεσμα αυξημένη πιθανότητα σύγκρουσης ενός ηλεκτρονίου με τα άτομα του αερίου και επομένως αυξημένου ρυθμού 24

25 εναπόθεσης. Στην συνέχεια, λόγω της αρνητικής τάσης τα θετικά ιόντα Ar επιταχύνονται προς τον στόχο με υψηλές κινητικές ενέργειες με αποτέλεσμα άτομά του να αποκολληθούν και να δημιουργήσουν ένα νέφος. Το νέφος αυτό των ατόμων του στόχου (ουδέτερα κατά 90%) εναποτίθεται τελικά στην επιφάνεια του υποστρώματος σχηματίζοντας μια ομοιόμορφη λεπτή στρώση. Λόγω της ηλεκτρικής τους ουδετερότητας, τα άτομα του Ar μένουν ανεπηρέαστα από τα πεδία των μαγνητών κάτω από τους στόχους. Η αποδοτικότητα της διαδικασίας της καθοδικής ιοντοβολής εξαρτάται από την ενέργεια των ιόντων του αερίου καθώς και από την μάζα των ατόμων τόσο του υλικού-στόχου όσο και του αερίου αλλά και από την ενέργεια σύνδεσης των ατόμων στο στόχο. Το πιο σημαντικό πλεονέκτημα ίσως της καθοδικής ιοντοβολής, σε σύγκριση με άλλες τεχνικές εναπόθεσης, είναι ότι τα λεπτά υμένια που παρασκευάζονται εμφανίζουν την ίδια στοιχειομετρία με το υλικό του στόχου από τον οποίο προήλθαν Ξηρή Εγχάραξη Σκοπός των τεχνικών εγχάραξης είναι η ελεγχόμενη αφαίρεση υλικού από το δείγμα με αποτέλεσμα τη δημιουργία τρισδιάστατης γεωμετρικής διαμόρφωσης της επιφάνειάς του. Η ξηρή εγχάραξη λαμβάνει χώρα με τοποθέτηση του προς εγχάραξη δείγματος σε αντιδραστήρα πλάσματος. Ο θάλαμος κενού του αντιδραστήρα πλάσματος τροφοδοτείται με κατάλληλα αέρια (SF6, O2) σε συγκεκριμένες αναλογίες τα οποία με τη βοήθεια ηλεκτρικού πεδίου ιονίζονται και διασπώνται. Τα ιόντα και τα ουδέτερα είδη που σχηματίζονται στον θάλαμο του αντιδραστήρα φτάνουν στο δείγμα και προκαλούν, με χημική κυρίως αλληλεπίδραση, επιλεκτική απομάκρυνση ατόμων από την επιφάνειά του, δηλαδή εγχάραξη των δομών που υπάρχουν σε αυτό. Έτσι, στο σχηματισμό των οπών το μέταλλο δρα ως μάσκα αφού ο ρυθμός απομάκρυνσής του είναι πολύ μικρότερος έναντι του ρυθμού απομάκρυνσης του διηλεκτρικού και με αυτόν τον τρόπο μεταφέρεται η δομή που προέκυψε με τη μέθοδο της λιθογραφίας και στο Si. Το πλάσμα δημιουργείται με τη βοήθεια υψηλής τάσης, συνήθως στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων, μέσα σε ένα αέριο που βρίσκεται στο θάλαμο, με ηλεκτρική εκκένωση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μέσα στο θάλαμο ένα ηλεκτρικά ουδέτερο μίγμα από ηλεκτρόνια, ιόντα, φωτόνια, προϊόντα 25

26 επανασύνδεσης και ουδέτερα σωματίδια (ελεύθερες ρίζες, άτομα). Λόγω της υψηλής κινητικής ενέργειας των ηλεκτρονίων, όλες οι επιφάνειες που έρχονται σε επαφή με το περιβάλλον του πλάσματος (τοιχώματα, δείγματα) φορτίζονται αρνητικά με αποτέλεσμα τα θετικά ιόντα να επιταχύνονται και να πέφτουν κάθετα σε αυτές. Τα αρνητικά ιόντα λόγω της χαμηλής κινητικής τους ενέργειας διαχέονται πιο δύσκολα και είναι γενικά ανίκανα να διαφύγουν το πλάσμα και χάνονται αντίθετα σε συγκρούσεις επανασύνδεσης και απόσπασης. Οι ρίζες που σχηματίζονται μέσα στο πλάσμα αντιδρούν με την επιφάνεια του στρώματος με χημικό τρόπο ενώ τα ιόντα επιδρούν με μηχανικό τρόπο, μέσω της ιοντοβολής. Ο αντιδραστήρας πλάσματος αποτελείται από έναν προθάλαμο, από τον κύριο θάλαμο και από διάφορες επιμέρους μονάδες που χρησιμεύουν για τη λειτουργία του αντιδραστήρα [34]. Η πηγή πλάσματος βρίσκεται τοποθετημένη στο επάνω μέρος του κυλινδρικού θαλάμου και το πλάσμα διαχέεται μέσα σε αυτόν, Σχ. 9. Η πηγή πλάσματος μπορεί να επιτύχει πυκνότητες του ρεύματος πλάσματος μεγαλύτερες από 40 ma/cm 2. Ο κύριος θάλαμος είναι ανοδιωμένος και βρίσκεται υπό κενό με τη βοήθεια δύο αντλιών μιας μηχανικής και μιας τούρμπο-μοριακής αντλίας. Η πίεση η οποία μπορεί να επιτευχθεί είναι περίπου 10-6 mbar. Το υπόστρωμα μπορεί να ψύχεται με υγρό άζωτο ή να θερμαίνεται με αντιστάσεις. Τέλος ο κύριος θάλαμος είναι εξοπλισμένος και με ένα μαγνητικό, πολυπολικό σύστημα περιορισμού (πολλοί ραβδόμορφοι μαγνήτες), που αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να επιστρέφουν στον κύριο όγκο του πλάσματος. Σχήμα 9. Σχηματική παράσταση πειραματικής διάταξης ξηρής εγχάραξης 26

27 2.1.4 Υγρή Εγχάραξη Για την κατασκευή των επιθυμητών δομών χρησιμοποιήθηκε και η μέθοδος της υγρής εγχάραξης. Στην περίπτωση αυτή η επιμετάλλωση προηγείται της οπτικής λιθογραφίας. Συγκεκριμένα, όπως παριστάνεται και στο Σχ. 10, αρχικά γίνεται επικάλυψη της μίας επιφάνειας του Si (a) με μέταλλο (b) και ύστερα με ρητίνη (c) στην οποία, με τη μέθοδο της οπτικής λιθογραφίας (d), αποτυπώνεται η δομή που φέρει η μάσκα (e). Κατόπιν, έχοντας τη ρητίνη ως μάσκα, το δισκίο εμβαπτίζεται σε κατάλληλο διάλυμα (π.χ. BHF για εγχάραξη Al) και με τον τρόπο αυτόν αφαιρείται το μέταλλο από τις περιοχές όπου δεν υπάρχει ρητίνη (f). Τέλος, η ρητίνη απομακρύνεται σε λουτρό υπερήχων (g). Η υγρή εγχάραξη είναι καθαρά ισοτροπική, δηλαδή δεν εμφανίζει κατεύθυνση προτίμησης, ενώ η ξηρή μπορεί να είναι και πλήρως ανισοτροπική. Για το λόγο αυτό και προτιμάται η ξηρή έναντι της υγρής για την εγχάραξη του Si. Σχήμα 10. ιάγραμμα ροής διαδικασίας υγρής εγχάραξης 2.2 Φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FT-IR) Τα αρχικά FT-IR προέρχονται από τη λέξη Fourier-Transform-Infrared και αντιστοιχούν στην προτιμώμενη μέθοδο της υπέρυθρης φασματοσκοπίας. Στην φασματοσκοπία υπερύθρου, υπέρυθρη ακτινοβολία διέρχεται από το δείγμα και ένα μέρος της απορροφάται από αυτό και ένα άλλο το διαπερνά. Το τελικό φάσμα παριστάνει τη μοριακή απορρόφηση και διέλευση και είναι μοναδικό για κάθε δείγμα, σαν δαχτυλικό αποτύπωμα. Στο φάσμα υπερύθρου ενός δείγματος εμφανίζονται κορυφές απορρόφησης που αντιστοιχούν σε συχνότητες δόνησης μεταξύ των δεσμών των ατόμων. 27

28 Η φασματοσκοπία υπερύθρου πραγματοποιείται με τη βοήθεια του συμβολόμετρου Michelson που είναι μια οπτική διάταξη η οποία χωρίζει μια δέσμη ακτινοβολίας σε δύο και τις επανασυνδέει, αφού πρώτα ακολουθήσουν ξεχωριστές διαδρομές που διαφέρουν στο μήκος. Οι μεταβολές της έντασης της ανασυνδυασμένης ακτινοβολίας, ως συνάρτηση της διαφοράς των οπτικών διαδρομών καταγράφονται από έναν ανιχνευτή. Έτσι, το συμβολόμετρο παράγει ένα μοναδικό τύπο σήματος που έχει «κωδικοποιημένες» όλες τις συχνότητες υπερύθρου μέσα σε αυτό. Το σήμα αυτό μπορεί να μετρηθεί πολύ γρήγορα, σε χρόνους της τάξεως του ενός δευτερολέπτου. Όπως φαίνεται στο Σχ. 11, το φασματοφωτόμετρο FTIR αποτελείται από μια θερμική πηγή πολυχρωματικής υπέρυθρης ακτινοβολίας, ένα διαχωριστή δέσμης, δύο καθρέπτες, ο ένας εκ των οποίων είναι σταθερός σε μία θέση, ενώ ο δεύτερος μπορεί να μετακινείται, ένα laser Ηe-Ne για τον προσδιορισμό της θέσης του κινούμενου καθρέπτη και έναν ανιχνευτή. Η πολυχρωματική υπέρυθρη ακτινοβολία, που εκπέμπεται από την πηγή, φθάνει στο διαχωριστή δέσμης. Στην ιδανική περίπτωση το 50% της ακτινοβολίας ανακλάται και το υπόλοιπο 50% περνά από το διαχωριστή. Ο διαχωριστής είναι τοποθετημένος σε γωνία 45 ο, ως προς την προσπίπτουσα δέσμη, ώστε να είναι μέγιστες οι εντάσεις τόσο του μέρους της δέσμης που ανακλάται, όσο και εκείνου που διαπερνά. Η ανακλώμενη ακτινοβολία προσπίπτει πάνω στο σταθερό καθρέπτη, ο οποίος βρίσκεται σε απόσταση L από το διαχωριστή και η δέσμη ανακλάται και επιστρέφει στο διαχωριστή. Το δεύτερο κλάσμα της υπέρυθρης ακτινοβολίας που διαπερνά τον διαχωριστή, αφού διανύσει απόσταση ( L x) +, ανακλάται από τον κινούμενο καθρέπτη και επανέρχεται στον διαχωριστή. Έτσι, η διαφορά των δύο οπτικών διαδρομών είναι δ = 2x, γνωστή ως καθυστέρηση. Οι δύο ανακλώμενες δέσμες, όταν φθάσουν στο διαχωριστή, συνδυάζονται και ένα μέρος της ακτινοβολίας που προκύπτει ανακλάται πίσω στην πηγή, ενώ το υπόλοιπο διαπερνά το διαχωριστή και αφού περάσει από το δείγμα φθάνει στον ανιχνευτή. Ο συνδυασμός των ανακλώμενων δεσμών γίνεται, είτε «προσθετικά» (ενισχυτική συμβολή) είτε «αφαιρετικά» (καταστροφική συμβολή), ανάλογα με το αν οι δέσμες είναι σε φάση ή εκτός φάσης, κάτι που εξαρτάται από τη θέση του κινούμενου καθρέπτη τη στιγμή της ανάκλασης. 28

29 Σχήμα 11. Σχηματική παράσταση συμβολόμετρου Michelson Το αποτέλεσμα του συνδυασμού είναι η δημιουργία κροσσών συμβολής, δηλαδή ενός «συμβολογραφήματος» το οποίο καταγράφεται από τον ανιχνευτή ως η μεταβολή της έντασης της ακτινοβολίας συναρτήσει της μετατόπισης του καθρέπτη. Κάθε σημείο του σήματος περιέχει πληροφορίες για κάθε συχνότητα υπερύθρου. Έτσι, κατά τη μέτρηση του συμβολογραφήματος, μετρούνται όλες οι συχνότητες ταυτόχρονα. Το φάσμα συχνοτήτων δεν προέρχεται άμεσα από το μετρούμενο συμβολογράφημα, αλλά χρειάζεται να αποκωδικοποιηθεί. Η αποκωδικοποίηση αυτή επιτυγχάνεται με το μετασχηματισμό Fourier ο οποίος μετατρέπει το φάσμα έντασης-χρόνου σε φάσμα έντασης-συχνότητας. Ο μετασχηματισμός πραγματοποιείται με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή. Για να κατανοηθεί η διαδικασία λειτουργίας του Michelson συμβολόμετρου, είναι καλύτερα να θεωρηθεί αρχικά η περίπτωση της εκπομπής μονοχρωματικής IR ακτινοβολίας από την πηγή. Έστω λοιπόν ότι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας είναι λ, εάν ο κινούμενος καθρέπτης μετακινείται κατά x, έτσι ώστε δ = 2 x= nλ, n = 1,2,3 (11) οι δύο ανακλώμενες δέσμες είναι σε φάση, όταν φθάνουν στο διαχωριστή, Σχ. 12α. Τότε, η ένταση της ανασυνδυασμένης δέσμης που κατευθύνεται στον ανιχνευτή είναι το άθροισμα των εντάσεων των επιμέρους δεσμών. Εάν όμως ισχύει: ( κ ) δ = 2x = 2 λ (12) 29

30 όπου κ είναι ένας περιττός φυσικός αριθμός, τότε οι ανακλώμενες δέσμες είναι εκτός φάσης, με αποτέλεσμα το σήμα που φθάνει στον ανιχνευτή να είναι μηδέν, Σχ. 12β. α) δ = nλ, n φυσικός αριθμός. Ένταση ανασυνδυασμένης δέσμης: ( ) I δ β) ( 2) δ = κ λ, κ περιττός φυσικός αριθμός. Ένταση ανασυνδυασμένης δέσμης: I ( δ ) = 0 Σχήμα 12. Ζεύγος φυσικών κυμάτων α) σε φάση και β) εκτός φάσης. Το σήμα που φθάνει στον ανιχνευτή εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, εκτός της έντασης, I ( ν ), της μονοχρωματικής ακτινοβολίας. Αυτό οφείλεται σε τεχνικούς λόγους, όπως π.χ. είναι πρακτικά αδύνατο να βρεθεί ενός ιδανικός διαχωριστής δέσμης, ικανός να ανακλά το 50% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Επιπλέον, οι περισσότεροι IR ανιχνευτές αλλά και οι ενισχυτές δεν αποκρίνονται το ίδιο σε όλες τις συχνότητες. Η πλήρης εξάρτηση της έντασης I ( δ ) ενός συμβολογραφήματος από το δ μπορεί να περιγραφεί από την παρακάτω σχέση ( ) ( ν) cos( 2π ) I δ =Β νδ (13) όπου Β ( ν ) είναι γινόμενο τις έντασης I ( ν ) τις μονοχρωματικής ακτινοβολίας και του διορθωτικού παράγοντα για τις διακυμάνσεις του σήματος λόγω των τεχνικών παραγόντων που αναφέρθηκαν παραπάνω. Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται μία πηγή πολυχρωματικής ακτινοβολίας, η ένταση του συμβολογραφήματος δίνεται από την εξίσωση + ( ) ( ) cos( 2π ) I δ = B v νδ dν (14) 2.3 Πειραματικές Συνθήκες Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζονται λεπτομερέστερα οι συνθήκες κατασκευής των δομών που μελετήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Όπως έχει ήδη αναφερθεί κατασκευάστηκαν περιοδικές δομές οπών σε λεπτά μεταλλικά υμένια πάνω σε δισκίο Si, διαμέτρου 7,62 cm και πάχους ~380 μm. Στη συνέχεια με ξηρή εγχάραξη η δομή μεταφέρθηκε και στο Si. 30

31 Θα πρέπει να σημειωθεί ότι για την κατασκευή των περιοδικών δομών των οπών χρησιμοποιήθηκε θετική αλλά και αρνητική λιθογραφία. Στην περίπτωση που χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της υγρής εγχάραξης του μετάλλου για την κατασκευή της ίδιας δομής έγινε αρνητική λιθογραφία (εφόσον και για τις δύο μεθόδους χρησιμοποιήθηκε η ίδια μάσκα λιθογραφίας). Επειδή ορισμένα βήματα της διαδικασίας είναι ίδια, όπως π.χ. ο καθαρισμός των δειγμάτων, η θετική, αρνητική λιθογραφία και οι συνθήκες επιμετάλλωσης - ξηρής εγχάραξης, επιλέγουμε να τις παρουσιάσουμε σε αυτή την ενότητα συγκεντρωτικά. Όπου υπάρχει διαφοροποίηση θα αναφέρεται Καθαρισμός επιφάνειας δείγματος Πριν από οποιαδήποτε διαδικασία είναι απαραίτητη η εξασφάλιση καθαρής επιφάνειας του δείγματος που πρόκειται να υποστεί επεξεργασία. Η συνήθης διαδικασία καθαρισμού της επιφάνειας του δείγματος περιλαμβάνει αρχικά ξέπλυμα του δείγματος με ακετόνη. Η απομάκρυνση των υπολειμμάτων της ακετόνης γίνεται με εμβάπτιση σε διάλυμα ισο-προπανόλης (2-μέθυλοπροπανόλη). Τέλος, τα δείγματα πλένονται με απιονισμένο νερό (υψηλής καθαρότητας, χωρίς μικροσωματίδια και μικροργανισμούς, ειδικής αντίστασης ρ c > 8MΩcm) και στη συνέχεια στεγνώνονται με αέριο άζωτο. Μετά το τέλος της παραπάνω διαδικασίας η επιφάνεια του δείγματος είναι ελεύθερη από σκόνες και οργανικές ουσίες. Ένας ποιοτικός έλεγχος συνίσταται στην απουσία στίγματων στην επιφάνεια του δείγματος. Στη περίπτωση ύπαρξης στιγμάτων, η διαδικασία επαναλαμβάνεται Θετική - Αρνητική λιθογραφία Κατά τη θετική λιθογραφία, το δισκίο τοποθετείται σε φυγοκεντριστές και στη συνέχεια εναποτίθεται φωτορητίνη ώστε το πάχος της να είναι ομοιόμορφο σε όλη την επιφάνεια του δισκίου. Οι φωτορητίνη που χρησιμοποιήθηκε είναι η ρητίνη θετικού τόνου (ΑΖ 5214). Ο χρόνος περιστροφής του δείγματος στον φυγοκεντριστή είναι 30 δευτερόλεπτα και η ταχύτητα περιστροφής είναι 7000 στροφές το δευτερόλεπτο. Με αυτές τις συνθήκες το πάχος του σχηματιζόμενου στρώματος της φωτορητίνης ΑΖ5214 είναι περίπου 1μm. 31

32 Οι φωτορητίνες χαρακτηρίζονται από τη μεταβολή της χημικής τους σύστασης κατά το φωτισμό τους με υπεριώδη (UV) ή βαθέως υπεριώδη (DUV) ακτινοβολία. Ο φωτισμός της φωτορητίνης γίνεται με λάμπα υδραργύρου (Hg) υψηλής πίεσης. Υπάρχουν δύο ειδών φωτορητίνες, αρνητικού και θετικού τόνου. Οι θετικές φωτορητίνες στην περιοχή όπου έχει αλλάξει η χημική τους σύσταση, λόγω ακτινοβολίας, απομακρύνονται όταν τοποθετηθούν σε αλκαλικό διάλυμα εμφανιστή (εμφάνιση φωτορητίνης) ενώ οι αρνητικές παρουσιάζουν την αντίθετη ιδιότητα, δηλαδή η φωτορητίνη παραμένει πάνω στο υπόστρωμα στις περιοχές όπου έχει εκτεθεί στην ακτινοβολία. Όπως αναφέρθηκε ήδη, στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε αποκλειστικά ρητίνη θετικού τόνου (ΑΖ 5214). Αναλόγως όμως της λιθογραφικής διεργασίας, αυτή μπορεί να συμπεριφερθεί και ως ρητίνη αρνητικού τόνου. Στην περίπτωση αυτή ονομάζουμε τη λιθογραφική διεργασία αρνητική λιθογραφία. Μετά την επίστρωση της φωτορητίνης πάνω στα δείγματα, ακολουθεί θέρμανση σε φούρνο σταθερής θερμοκρασίας, Τ=95 ο C, για 10 λεπτά. Σκοπός της διαδικασίας αυτής είναι η «σκλήρυνση» της φωτορητίνης. Στη συνέχεια τα δείγματα τοποθετούνται στον ευθυγραμμιστή μασκών όπου γίνεται έκθεση ακτινοβολίας (UV, λ = 310 nm ), αφού πρώτα έχει επιλεγεί και ευθυγραμμιστεί η επιθυμητή μάσκα. Η υπεριώδης ακτινοβολία δε διαπερνά το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένη η μάσκα (Cr) με αποτέλεσμα κάποια τμήματα της φωτορητίνης να αλλάζουν χημική σύσταση και κάποια άλλα όχι. Ακολουθεί η εμφάνιση της φωτορητίνης με εμβάπτιση σε κατάλληλο διάλυμα για περίπου 1 λεπτό. Μετά το τέλος αυτής της διαδικασίας το υμένιο της ρητίνης παρουσιάζει γεωμετρία αντίστοιχη με αυτήν της μάσκας που χρησιμοποιήθηκε κατά την έκθεση όπως φαίνεται και στο Σχ. 13, δεδομένου ότι χρησιμοποιήθηκε φωτορητίνη θετικού τόνου. Τέλος τα δείγματα επαναθερμαίνονται σε θερμοκρασία Τ=120 ο C για 10 λεπτά. Αυτό είναι απαραίτητο εάν ακολουθεί χημική επεξεργασία των δειγμάτων με οξέα, ώστε να μην καταστραφεί η παραμένουσα φωτορητίνη. 32

33 Σχήμα 13. Σχηματική παράσταση διαδικασίας Θετικής Λιθογραφίας Κατά την αρνητική λιθογραφία το δισκίο τοποθετείται σε φυγοκεντριστές και στη συνέχεια εναποτίθεται η φωτορητίνη θετικού τόνου ΑΖ5214 για χρόνο περιστροφής 30 δευτερόλεπτα και ταχύτητα περιστροφής 7000 στροφές το δευτερόλεπτο. Το πάχος του σχηματιζόμενου στρώματος της φωτορητίνης ΑΖ5214 είναι περίπου 1μm. Στη συνέχεια ακολουθεί θέρμανση του δείγματος σε φούρνο σταθερής θερμοκρασίας Τ=110 ο C για 1.5 min. Έπειτα, το δείγμα τοποθετείται στον ευθυγραμμιστή μασκών όπου γίνεται έκθεση ακτινοβολίας (UV, λ = 310 nm ) για 12.5 min, αφού πρώτα ευθυγραμμιστεί η μάσκα. Ύστερα τοποθετείται σε φούρνο σταθερής θερμοκρασίας, Τ=120 ο C, για 1.5 min και εκτίθεται ξανά σε υπεριώδη ακτινοβολία (UV, λ = 310 nm ) για 3 min αφού έχει αφαιρεθεί η μάσκα. Μετά το τέλος αυτής της διαδικασίας το υμένιο της ρητίνης παρουσιάζει αντίθετη γεωμετρία από αυτή της μάσκας που χρησιμοποιήθηκε κατά την έκθεση, όπως φαίνεται στο Σχ. 14. Τέλος το δείγμα επαναθερμαίνεται σε θερμοκρασία Τ=120 ο C για 10 λεπτά. Σχήμα 14. Σχηματική παράσταση διαδικασίας Αρνητικής Λιθογραφίας Συνθήκες επιμετάλλωσης - ξηρής εγχάραξης Μετά το στάδιο της λιθογραφίας, η επιφάνεια του δείγματος επικαλύπτεται με μεταλλικό υμένιο. Στην περίπτωση υγρής εγχάραξης η επιμετάλλωση προηγείται της λιθογραφίας. Η επιμετάλλωση πραγματοποιείται με καθοδική ιοντοβολή όπως έχει περιγραφεί στην Συγκεκριμένα, εισάγεται αέριο Ar σε θάλαμο κενού, πιέσεως 3 mtorr και ισχύς στόχου 60 Watt. Η απόσταση μεταξύ 33

34 στόχου και υποστρώματος είναι 9 cm και ο ρυθμός εναπόθεσης ~18 nm/sec. Στην επιφάνεια του δείγματος εναποτίθεται λεπτό μεταλλικό υμένιο 100 nm πάχους. Ο αντιδραστήρας πλάσματος, όπως έχει περιγραφεί στην 2.1.3, χρησιμοποιήθηκε για τη ξηρή εγχάραξη με πίεση στον θάλαμο 20 mtorr. Για την ανισοτροπική εγχάραξη του Si χρησιμοποιήθηκε μείγμα αερίων 200 sccm SF6 και 15 sccm O2. Κατά τη διάρκεια της εγχαράξεως η θερμοκρασία του δείγματος ήταν -100 ο C και ο ρυθμός εγχάραξης ~2.5 μm/min. Οι συνθήκες αυτές προέκυψαν ως βέλτιστες μετά από δοκιμές Μάσκα Λιθογραφίας Η μάσκα που χρησιμοποιήθηκε στην οπτική λιθογραφία είναι κατασκευασμένη από ένα είδος γυαλιού, soda lime και οι δομές στην επιφάνειά της κατασκευάζονται με Cr το οποίο δεν επιτρέπει τη διέλευση της φωτεινής ακτινοβολίας. Η μάσκα που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία έχει περιοδικές δομές γραμμών, τετραγώνων και τριγώνων, διαστάσεων Χ = 2.5, 5, 10, 20 μm όπως φαίνεται στο Σχ. 15. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στις μικρές διαστάσεις, 2.5 μm, οι οπές που τελικά κατασκευάζονται είναι ουσιαστικά στρογγυλεμένα τρίγωνα και τετράγωνα. Στη μάσκα οι δομές αυτές είναι διατεταγμένες όπως φαίνεται στο Σχ. 16. Σχήμα 15. Περιοδικές δομές στη μάσκα λιθογραφίας Σχήμα 16. Μάσκα λιθογραφίας πάνω σε δισκίο Si 34