Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя для фабрикации 3D микро- и наноструктур

Abstract

Введение. Поверхностные микро- и наноструктуры находят свое применение в различных физических приложениях, таких как рентгеновская оптика, фотоника, микроэлектромеханические системы, метаматериалы и др. Проблематика. Существующие методы фабрикации таких структур являются либо дорогостоящими, либо не удовлетворяют определенным требованиям (величина аспектного отношения и качество поверхности их боковых стенок). Цель. Создание установки для протонно-лучевой литографии, позволяющей создавать поверхностные микро- и наноструктуры с требуемыми параметрами. Материалы и методы. Одним из альтернативных методов фабрикации вышеупомянутых поверхностных структур является протонно-лучевая литография. В качестве образцов для фабрикации поверхностных структур применяются подложки из кремния с нанесенным слоем позитивного резистивного материала полиметилметакрилата. Результаты. Разработана установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя, рассмотрены ее компоновка и особенности конструкции. Приведены основные параметры установки: коэффициенты уменьшения, ток протонного пучка, минимальные размеры зонда. Показаны преимущества применения квадрупольной оптики при фабрикации микродифракционных решеток. Проведены первые эксперименты по фабрикации решетки-источника в рентгеновских фазоконтрастных томографах с характерной шириной линии около 20 мкм. Выводы. В предлагаемой установке применяется новая зондоформирующая система, основанная на распределенном пентуплете магнитных квадрупольных линз. Применение электростатической сканирующей системы обеспечивает высокую точность позиционирования сфокусированного пучка в замкнутом цикле сканирования. Управление процессом сканирования обеспечивается за счет применения многофункционального реконфигурируемого модуля ввода-вывода с программируемой логикой.

Вступ. Поверхневі мікро- і наноструктури використовують в різних фізичних додатках, таких як рентгенівська оптика, фотоніка, мікроелектромеханічні системи, метаматеріали тощо. Проблематика. Наявні методи фабрикації таких структур є або високовартісними, або не задовольняють певним вимогам (величина аспектного відношення та якість поверхні їхніх бічних стінок). Мета. Розробка установки для протонно-променевої літографії, яка дозволяє створювати поверхневі мікро- та наноструктури з заданими параметрами. Матеріали й методи. Одним з альтернативних методів фабрикації вищезгаданих поверхневих структур є протонно-променева літографія. Як зразки для фабрикації поверхневих структур використовують підкладки з кремнію з нанесеним шаром позитивного резистивного матеріалу поліметилметакрилату. Результати. Розроблено установку протонно-променевої літографії на базі електростатичного прискорювача, наведено її складові та особливості конструкції. Наведено основні параметри установки: коефіцієнти зменшення, струм протонного пучка, мінімальні розміри зонду. Показано переваги застосування квадрупольної оптики для фабрикації мікродифракційних ґраток. Проведено перші експерименти з фабрикації ґратки-джерела в рентгенівських фазоконтрастних томографах з характерною шириною лінії близько 20 мкм. Висновки. У пропонованій установці застосовується нова зондоформуюча система, яка базується на розподіленому пентуплеті магнітних квадрупольних лінз. Застосування електростатичної скануючої системи забезпечує високу точність позиціонування сфокусованого пучка в замкнутому циклі сканування. Управління процесом сканування забезпечується за рахунок застосування багатофункціонального реконфігурованого модуля введення-виведення з програмованою логікою.

Introduction. Surface micro- and nanostructures have been being used in various physical applications such as Х-ray optics, photonics, microelectromechanical systems, metamaterials, etc. Problem Statement. The existing methods for fabricating such structures either are expensive or do not meet certain requirements (the aspect ratio and the quality of side wall surface). Purpose. To create a device for proton beam writing, which enables fabricating surface micro- and nanostructures with required parameters. Materials and Methods. One of alternative methods for fabricating the mentioned surface structures is proton beam writing. Silicon substrates coated with a positive resistive polymethyl methacrylate layer are used as samples for fabricating the surface structures. Results. A proton-beam lithography device based on an electrostatic accelerator has been developed, the configuration and specifications have been presented. The main parameters (demagnifications, proton beam current, and minimum probe dimensions) have been specified. Advantages of using quadrupole optics in fabricating micro-diffraction gratings have been shown. The first experiments on fabrication of source grating in X-ray phase-contrast tomographs with a characteristic line width of about 20 μm have been carried out. Conclusions. A new probe-forming system based on a separated magnetic quadrupole lense pentuplet has been used in the proposed device. The use of an electrostatic scanning system ensures a high accuracy of positioning the focused beam in a closed scanning cycle. The scanning process is controlled using a multifunctional reconfigurable input-output module with programmable logic.