Высокопроизводительное нанопродольное литографирование полимерных тонких пленок методом динамического плуга АФМ

Аннотация

Мы демонстрируем, что динамическое плуговое литографирование (DPL), выполняемое зондом атомно-силового микроскопа (АФМ), позволяет создавать плотные массивы наномасштабных ямок на тонких пленках поли(метилметакрилата) (PMMA) с беспрецедентной скоростью. При царапании поверхности с высокой боковой скоростью в режиме таппинга зонд проникает в полимер и удаляет материал контролируемым, прерывистым образом. Критическая скорость царапания 100 мкм/с разделяет режимы формирования ямок и наношвов. При скоростях выше этого порога можно производить 4800–5800 ямок в секунду, причем для преодоления сопротивления полимеру в стекловидном состоянии требуется 65–80 проникновений зонда. Детальный анализ эластической, пластической фаз и фазы накопления материала объясняет наблюдаемую морфологию и глубину ямок. Экспериментальные результаты, подтвержденные теоретическим моделированием модуля релаксации напряжений, подтверждают жизнеспособность DPL для высокопроизводительного нанофабрикования на полимерных тонких пленках.

Введение

Быстрый рост нанотехнологий стимулировал интерес к наномасштабным структурам для приложений от наноэлектромеханических систем до квантовых точек. Хотя традиционные литографические методы (фокусированный ионный луч, электронно-лучевая, наноимпринт) обеспечивают точный контроль, они ограничены высокой стоимостью, строгими экологическими требованиями и низкой производительностью. В отличие от них, литографирование на основе зонда АФМ предлагает гибкость и высокое разрешение, но традиционно страдает от низкой производительности.

Динамическое плуговое литографирование (DPL) использует прерывистый контакт, присущий таппинг-режиму АФМ, для снижения износа зонда и увеличения скорости удаления материала. Приводя кантилевер близко к резонансной частоте, зонд многократно проникает в поверхность образца, обеспечивая быстрое наноструктурирование. Предыдущие работы показывали пригодность DPL для тонкопленочных материалов, но его полный потенциал для создания крупноплощадных высокоплотных массивов ямок не был изучен.

В данном исследовании представлен подход быстрого сканирующего нанолитографирования (FSN), использующий DPL на коммерческой платформе АФМ, что позволяет достичь высокопроизводительного фабрикования ямок на тонких пленках PMMA с сохранением целостности зонда.

Методы

PMMA (молекулярная масса 120 000) растворяли в хлорбензоле до концентрации 1,25 масс.% и наносили центрифугированием на очищенные кремниевые подложки при 6000 об/мин, получая пленку толщиной ~30 нм. Образцы выдерживали при 125 °C в течение 30 мин для удаления остаточного растворителя.

Все эксперименты проводили на АФМ Bruker Dimension Icon с кремниевым кантилевером (жесткость 42 Н/м, резонансная частота ≈ 320 кГц). Зонд был покрыт алмазоподобным углеродом для продления срока службы. Изображения получали в таппинг-режиме (скорость сканирования 1 Гц, 256 линий). Во время DPL амплитуду возбуждения повышали до V_w (запись) для усиления взаимодействия зонд-образец, затем возвращали к V_r (чтение) для изображения.

Модуль Nanoman управлял траекторией зонда, обеспечивая точный контроль скорости и направления царапания. Все эксперименты проводились при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

Исследовали скорости царапания от 0,1 до 1000 мкм/с. При высоких скоростях (≈ 200 мкм/с) формировались изолированные ямки; при средних (≈ 100 мкм/с) ямки перекрывались, а при низких (≈ 50 мкм/с) возникали наношвы (рис. 1b–d). Расстояние между ямками определяется скоростью царапания, так как взаимодействие зонда с поверхностью повторяется каждый цикл колебания (v / f).

Изучили четыре направления царапания (рис. 2a): V₁/V₃ вдоль длинной оси кантилевера и V₂/V₄ перпендикулярно. АФМ-изображения (рис. 3) показывают, что при 200 мкм/с непрерывные ямки появляются независимо от направления, при 100 мкм/с наблюдаются лишь редкие глубокие ямки, а при 50 мкм/с формируются четкие швы с плостым дном и боковыми навалупами.

Измерения глубины (рис. 4) показывают монотонное уменьшение с ростом скорости. При скоростях ниже 5 мкм/с глубины не зависят от направления (~ 2 нм), но V₃ демонстрирует больший разброс из-за асимметрии зонда. Теоретическое расстояние между последовательными проникновениями зонда (D = v / f) варьируется от 0,52 до 2,33 нм, что обеспечивает 4800–5800 ямок в секунду при скоростях 200–900 мкм/с (рис. 5).

Механизм формирования ямок включает три стадии: (а) эластичная деформация, когда зонд скользит с минимальным удалением материала; (б) пластическая деформация после ~ 40 проникновений, разрывающая цепи PMMA; (в) преодоление навалупы, когда накопленный материал сбрасывается при скольжении зонда над нагноем. Взаимодействие нормальных и касательных сил, описываемое уравнениями (5)–(8), управляет переходами между стадиями.

Используя направления V₁/V₃ и перпендикулярный пит, фабриковали массивы ямок на площадях 5×5 мкм. При 400 мкм/с ямки равномерно распределены с глубиной ~ 2,5 нм (рис. 7). При 200 мкм/с шаг ямок сужается до ~ 70 нм, формы приближаются к круговым (рис. 8a). При 900 мкм/с шаг расширяется до ~ 100 нм, морфология расходится между направлениями (рис. 8b). Анализ быстрого Фурье-преобразования (БПФ) подтверждает обратную зависимость плотности ямок от скорости царапания.

Заключение

Динамическое плуговое литографирование в таппинг-режиме предлагает масштабируемый путь к плотным массивам наножаб на полимерных тонких пленках. Критическая скорость царапания 100 мкм/с разделяет формирование ямок и швов. Выше 5 мкм/с глубина ямок в значительной степени не зависит от направления, в то время как V₃ показывает уменьшенную глубину из-за асимметрии зонда. Поддерживая скорости между 200 и 900 мкм/с, можно генерировать до 5800 ямок в секунду. Процесс основан на повторяющихся эластических, пластических и фазах навалупы, требуя 65–80 проникновений зонда на ямку. Полученные массивы имеют размеры 5 мкм, шаг 70 нм и глубину 2,5 нм, демонстрируя пригодность метода для высокопроизводительного нанофабрикования.