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

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

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 н...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2019
Автори: Пономарев, А.Г., Ребров, В.А., Колинько, С.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2019
Назва видання:Наука та інновації
Теми:
Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174052
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя для фабрикации 3D микро- и наноструктур / А.Г. Пономарев, В.А. Ребров, С.В. Колинько // Наука та інновації. — 2019. — Т. 15, № 4. — С. 62-69. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-174052
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1740522025-02-09T15:13:01Z Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя для фабрикации 3D микро- и наноструктур Устаткування протонно-проеменевої літографії на базі електростатичного прискорювача для фабрикації 3D мікро- і наноструктур Proton Beam Writing Device Based on Electrostatic Accelerator for 3D Micro- and Nano-Structure Fabrication Пономарев, А.Г. Ребров, В.А. Колинько, С.В. Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України 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. 2019 Article Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя для фабрикации 3D микро- и наноструктур / А.Г. Пономарев, В.А. Ребров, С.В. Колинько // Наука та інновації. — 2019. — Т. 15, № 4. — С. 62-69. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin15.04.062 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174052 ru Наука та інновації application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
spellingShingle Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Пономарев, А.Г.
Ребров, В.А.
Колинько, С.В.
Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя для фабрикации 3D микро- и наноструктур
Наука та інновації
description 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.
format Article
author Пономарев, А.Г.
Ребров, В.А.
Колинько, С.В.
author_facet Пономарев, А.Г.
Ребров, В.А.
Колинько, С.В.
author_sort Пономарев, А.Г.
title Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя для фабрикации 3D микро- и наноструктур
title_short Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя для фабрикации 3D микро- и наноструктур
title_full Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя для фабрикации 3D микро- и наноструктур
title_fullStr Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя для фабрикации 3D микро- и наноструктур
title_full_unstemmed Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя для фабрикации 3D микро- и наноструктур
title_sort установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя для фабрикации 3d микро- и наноструктур
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2019
topic_facet Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174052
citation_txt Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя для фабрикации 3D микро- и наноструктур / А.Г. Пономарев, В.А. Ребров, С.В. Колинько // Наука та інновації. — 2019. — Т. 15, № 4. — С. 62-69. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series Наука та інновації
work_keys_str_mv AT ponomarevag ustanovkaprotonnolučevojlitografiinabazeélektrostatičeskogouskoritelâdlâfabrikacii3dmikroinanostruktur
AT rebrovva ustanovkaprotonnolučevojlitografiinabazeélektrostatičeskogouskoritelâdlâfabrikacii3dmikroinanostruktur
AT kolinʹkosv ustanovkaprotonnolučevojlitografiinabazeélektrostatičeskogouskoritelâdlâfabrikacii3dmikroinanostruktur
AT ponomarevag ustatkuvannâprotonnoproemenevoílítografíínabazíelektrostatičnogopriskorûvačadlâfabrikacíí3dmíkroínanostruktur
AT rebrovva ustatkuvannâprotonnoproemenevoílítografíínabazíelektrostatičnogopriskorûvačadlâfabrikacíí3dmíkroínanostruktur
AT kolinʹkosv ustatkuvannâprotonnoproemenevoílítografíínabazíelektrostatičnogopriskorûvačadlâfabrikacíí3dmíkroínanostruktur
AT ponomarevag protonbeamwritingdevicebasedonelectrostaticacceleratorfor3dmicroandnanostructurefabrication
AT rebrovva protonbeamwritingdevicebasedonelectrostaticacceleratorfor3dmicroandnanostructurefabrication
AT kolinʹkosv protonbeamwritingdevicebasedonelectrostaticacceleratorfor3dmicroandnanostructurefabrication
first_indexed 2025-11-27T06:01:55Z
last_indexed 2025-11-27T06:01:55Z
_version_ 1849922230989881344
fulltext 62 А.Г. Пономарев, В.А. Ребров, С.В. Колинько Институт прикладной физики НАН Украины, ул. Петропавловская, 58, Сумы, 40000, Украина, +380 542 22 2794, +380 542 22 3760, ponom56@gmail.com УСТАНОВКА ПРОТОННО-ЛУЧЕВОЙ ЛИТОГРАФИИ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ ДЛЯ ФАБРИКАЦИИ 3D МИКРО- И НАНОСТРУКТУР © ПОНОМАРЕВ А.Г., РЕБРОВ В.А., КОЛИНЬКО С.В., 2019 Введение. Поверхностные микро- и наноструктуры находят свое применение в различных физических при- ложениях, 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 струк- тур является протонно-лучевая литография. В качестве образцов для фабрикации поверхностных структур приме- няются 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: коэффициен- ты уменьшения, ток протонного пучка, минимальные размеры зонда. Показаны преимущества применения ква д- рупольной оптики при фабрикации микродифракционных решеток. Проведены первые эксперименты по фаб ри- кации решетки-источника в рентгеновских фазоконтрастных томографах с характерной шириной линии око ло 20 мкм. Выводы. В предлагаемой установке применяется новая зондоформирующая система, основанная на распре- деленном 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 реконфигури- руемого модуля ввода-вывода с программируемой логикой. К л ю ч е в ы е с л о в а: протонно-лучевая литография, электростатический ускоритель, магнитная квадруполь- ная линза. ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15(4), 62—69 https://doi.org/10.15407/scin15.04.062 Протонно-лучевая литография (ПЛЛ) яв- ляется литографической технологией высо- кого разрешения, которая может быть исполь- зована для фабрикации 3D микро- и нано- структур различного применения [1, 2]. Глав- ной характеристикой технологии является способность быстро воспроизводить произ- воль ную структуру в полимере с высокой сте- пенью точности. Изготовленные структуры могут иметь высокое аспектное отношение (> 50) и чрезвычайно малую шероховатость поверхности боковой стенки (2—3 нм), по- скольку траектории протонов c энергией не- скольких МэВ в материале слабо отличаются от прямолинейных при взаимодействии с электронами атомов образца из-за большой разности масс между протоном и электроном. Так же энергия вторичных электронов мала, ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя 63 что обуславливает малый эффект близости. Это, в конечном итоге, позволяет создать струк- туры с практически вертикальными боковыми стенками. Гладкость боковых стенок микро- структур является особенностью ПЛЛ, кото- рая имеет решающее значение для уменьше- ния потерь рас сеяния в оптических компонен- тах, таких как волноводы и рентгеновские диф- ракционные решетки [3]. Базовым аппаратным комплексом для установок ПЛЛ является ядер- ный сканирующий микрозонд, где используют- ся протоны, ускоренные до энергии нескольких МэВ, которые сфокусированы в зонд размером < 100 нм. Протонный зонд за счет векторного электростатического сканирования пе реме ща- ет ся по поверхности образца-резиста, из меняя физико-химические свойства облученной об- ласти. После соответствующей ее об работки можно получать практически любую структуру. Аппаратный комплекс ядерного сканирую- щего микрозонда в Институте прикладной фи зики НАН Украины введен в эксплуата- цию в 2008 году на базе малогабаритного электростатического ускорителя с максималь- ным напряжением на высоковольтном терми- нале 2 МВ и имеет минимальный размер зон- да 2 мкм с током протонного пучка около 100 пA [4, 5]. Зондоформирующая система микрозонда имеет небольшой коэффициент уменьшения (28), что связано с расположени- ем ферромагнитной сканирующей системы за последней магнитной квадрупольной линзой. Поэтому такая фокусирующая система, с об- щей длиной около 4 м, имеет большое рабочее расстояние — 22 см. За прошедшее десяти ле- тие микрозонд применяли в различных при- ложениях для микроанализа [6—8]. Мотива- цией разработки установки протонной ли то- графии является необходимость уменьшения размеров зонда, что можно получить при более высоких коэффициентах уменьшения. Тре бо- ва ния к высокой точности процесса сканиро- вания обуславливает необходимость разработ- ки новой системы управления пучком прото- нов на базе электростатического сканера. ПАРАМЕТРЫ УСТАНОВКИ ПРОТОННО-ЛУЧЕВОЙ ЛИТОГРАФИИ Учитывая особенности расположения обо- рудования в экспериментальном зале, уста- новка ПЛЛ была разработана как продолже- ние действующего микрозонда (рис. 1, а, б). Поэтому установка имеет общую оптическую ось с микрозондом и использует его объект- ный и апертурный коллиматоры (1, 2) вместе c одним из дублетов магнитных квадруполь- ных линз (4). Первый дублет (3) и ферромаг- нитный сканер (5) не используются при рабо- те установки ПЛЛ. Гранитная балка (7), стоящая на антивибра- ционных опорах, расположена после камеры с исследуемыми образцами микрозонда (6). На ней установлено оборудование установки ПЛЛ: ионопровод с насосами (11), электростатичес- кий сканер (8), триплет магнитных квадру- польных линз (9) и новая камера прямоуголь- ной формы с образцами (10), которая обору- дована оптическим микроскопом, детектором вторичных электронов, детектором заряжен- ных частиц и механизмом позиционирования образцов. Линзы триплета магнитных квадру- польных линз помещены в жесткую раму, и каждая из них имеет пределы несоосности с общей осью триплета < 0,3 мрад и < 10 мкм для угловых и поперечных смещений соот- ветственно. Методика, которая дает возмож- ность юстировать триплет с такой точностью, описана в [9]. Триплет установлен на столе по- зиционирования с пятью степенями свободы и регулируется как единое целое относитель- но оси пучка. Дублет магнитных квадруполь- ных линз (4) представляет собой интегриро- ванное устройство, ярмо которого изготовлено из цельного куска магнитомягкого железа с использованием технологии электроэрозион- ной обработки [10]. Это обеспечивает точность позиционирования каждой линзы относитель- но общей оси дублета: наклон < 0,2 мрад, по- перечный сдвиг < 10 мкм [11]. Все значения несоосности учитывают гистерезис. Электро- статический сканер, триплет квадрупольных ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) А.Г. Пономарев, В.А. Ребров, С.В. Колинько 64 линз в жесткой раме и новая камера образцов представлены на общем виде установки ПЛЛ (рис. 2). Ионная оптика установки базируется на пя- тилинзовой зондоформирующей системе (ин- тегрированный дублет и триплет магнитных квадрупольных линз) с четырьмя независимы- ми источниками питания линз. Первая и вто- рая линзы триплета подсоединены к одному источнику, тогда как все остальные линзы имеют независимые источники питания. Такая зондоформирующая система позволяет изме- нять коэффициенты уменьшения в пределах 10—400. Ток пучка протонов, за счет измене- ния размеров коллиматоров, может меняться от 10—12 А до 10—8 А. Минимальный размер зонда составляет 100 нм, плотность тока в зон- де — 100—350 пА/мкм2. Электростатический сканер имеет три пары параллельных пластин с зазором 8 мм. Первая и последняя пары пластин подключены в про- тивоположной полярности. Длинна пластин бы ла выбрана с целью компенсации отрица- тельного действия триплета линз в плоскости xOz. Все пластины получают питание от быст- родействующего сдвоенного биполярного вы- Рис. 1. Общая схема действующего микрозонда (а) и установки ПЛЛ (б): 1 — объектный коллиматор; 2 — апертур- ный коллиматор; 3, 4 — дублет магнитных квадрупольных линз; 5 — ферромагнитный сканер; 6 — камера с образцами микрозонда; 7 — гранитная балка; 8 — электростатический сканер; 9 — триплет магнитных квадрупольных линз; 10 — камера с образцами ПЛЛ; 11 — ионопровод с вакуумными насосами Рис. 2. Общий вид установки ПЛЛ: 1 — электростати- ческий сканер; 2 — триплет магнитных квадрупольных линз в жесткой раме; 3 — камера с образцами a 1 2 3 4 5 6 б 7 8 9 10 11 1 2 3 ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя 65 соковольтного усилителя (ВУ). Управление сканированием пучка использует многофунк- циональный реконфигурируемый модуль вво- да-вывода NI 852R, который позиционирует сфокусированный пучок на образце в соот- ветствии с заданным профилем сканирования. Этот профиль представляет собой одномер- ный массив данных — последовательность ко- ординат (xi;yi), которые определяют шаблон сканирования. Время экспозиции может быть установлено как общее для всех точек, так и индивидуально для каждой точки (ti). Кроме того, время экспозиции каждой точки (пик- селя) может быть нормализовано флюенсом (дозой облучения). Сигнал от интегратора то- ка пучка (для проводящих образцов) или от детектора заряженных частиц (для непрово- дящих образцов) используется как сигнал, про- порциональный флюенсу. В этом режиме пу- чок пребывает в текущем пикселе до тех пор, пока не будет накоплено заданное количест- во импульсов от преобразователя тока или де тектора. В модуле независимый процесс по внутренним часам последовательно подает текущие координаты пучка (xi;yi) на встроен- ные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Аналоговые напряжения, пропорциональные координатам пучка, поступают с выходов ЦАП на входы ВУ. Усиленные сигналы с выходов ВУ подаются на отклоняющие пластины соот- ветствующих каналов X и Y электростатичес- кого сканера. ФАБРИКАЦИЯ МИКРОДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК РЕНТГЕНОВСКОЙ ОПТИКИ Микродифракционные решетки используют для получения фазового контрастного изоб- ражения с использованием интерференции от некогерентного излучения обычной рентге- новской трубки. В большинстве работ по при- менению протонной литографии пучок фоку- сируется в пятно с равными размерами вдоль поперечных координат. Это связано со слож- ностью формы шаблона. В случае, когда шаб- лон состоит из параллельных линий, наиболее оптимальным является получение сфокусиро- ванного пучка в виде тонкой линии. Это воз- можно сделать с применением квадруполь- ной ионной оптики. В этом случае один размер пят на будет измеряться в микрометрах, а дру- гой — в миллиметрах. Такой способ фокуси- ровки позволяет значительно ускорить облу- чение резистивного материала для получения микрометрических решеток. Для первых экспериментов были взяты раз- меры решетки-источника фазоконтрастного ин терферометра с характерным размером ши- Рис. 3. Изображения шаблона микродифракционной ре- шетки на кремниевой подложке с нанесенным слоем ПММА толщиной 5 мкм: а — общий вид; б — увеличен- ное изображение одной линии a б WD = 12.2 mm 20.00kV x50.0 1 mm WD = 12.3 mm 20.00kV x600 100 m ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) А.Г. Пономарев, В.А. Ребров, С.В. Колинько 66 рины линии около 20 мкм. Для фокусировки пучка протонов МэВ-ных энергий в линию с заданными размерами предложен подход, поз- воляющий рассчитать оптимальные размеры коллиматоров и токов возбуждения магнит- ных квадрупольных линз [12]. Входными па- раметрами являются распределение яркости пучка в фазовом пространстве в плоскости объектного коллиматора и ионно-оптические характеристики зондоформирующей системы. Были подготовлены образцы в виде кремние- вых пластин с нанесенным слоем резистив ного материала полиметилметакрилата (ПММА) толщиной 5 мкм. Образцы облучались сфоку- сированным пучком протонов в линию и пос- ле экспозиции 0,5 с производилось сканирова- ние пучком в направлении, перпендикуляр- ном большему размеру линии. После обработ- ки облученных областей были получены шаб- лоны размером 23,4 × 2060 мкм2, которые из меряли с помощью сканирующего электрон- ного микроскопа (рис. 3). На рис. 4 показаны аналогичные шаблоны, заполненные висмутом в результате процесса гальванопластики, ког- да на кремниевую подложку предварительно был нанесен тонкий слой меди. ВЫВОДЫ Физические особенности взаимодействия протонов, ускоренных до энергий нескольких МэВ, являются определяющими при создании трехмерных малоразмерных структур с высо- ким аспектным отношением (> 50) с практи- чески вертикальными боковыми стенками с шероховатостью поверхности, не более не- скольких нанометров. Это обуславливает при- менение протонно-лучевой литографии для фабрикации оптических компонентов, так как имеет решающее значение для уменьшения потерь рассеяния в волноводах и рентгеновс- ких дифракционных решетках. Установка протонной литографии является модернизацией действующего ядерного ска- нирующего микрозонда. Мотивацией для ее разработки стала необходимость уменьшения размеров зонда до 100 нм и создание новой сис темы управления сканированием на базе электростатического сканера, что позволяет из бежать неточности позиционирования сфо- кусированного пучка вследствие гистерезиса в случае применения ферромагнитного скане- ра микрозонда. Применение новой электрон- ной системы векторного управления положе- нием пучка позволяет создавать практически любые пространственные структуры. При фаб- рикации микродифракционных решеток наи- более эффективным является применение Рис. 4. Шаблон микродифракционной решетки на крем- ниевой подложке с нанесенным тонким слоем меди и слоем ПММА (5 мкм) после гальванопластики: а — об- щий вид; б — увеличенное изображение одной линии a б WD = 13.7 mm 20.00kV x80.0 500 m WD = 13.7 mm 20.00kV x800 50 m ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя 67 фокусировки пучка протонов в линию, что значительно сокращает время экспозиции, по- этому была разработана методика такой спе- цифической фокусировки с заданными разме- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Watt F., Breese M.B.H., Bettiol A., van Kan J.A. Proton beam writing: review. Materials today. 2007. V. 10, no. 6. P. 20—29. 2. Watt F., Bettiol A.A., van Kan J.A., Teo J., Breese M.B.H. Ion beam lithography and nanofabrication: a review. Inter- national Journal of Nanoscience. 2005. V. 4, no. 3. P. 269—286. 3. Bettiol A.A., Ansari K., Sum T.C., van Kan J.A., Watt F. Fabrication of micro-optical components in polymer using proton beam writing. Proc. of SPIE. 2004. No. 5347. P. 255—263. 4. Magilin D.V., Ponomarev A.G., Rebrov V.A., Sayko N.A., Melnik K.I., Miroshnichenko V.I., Storizhko V.Y. Perfor- mance of the Sumy nuclear microprobe with the integrated probe-forming system. Nucl. Instr. and Meth. B. 2009. No. 267. P. 2046—2049. 5. Storizhko V.E., Ponomarev A.G., Rebrov V.A., Chemeris A.I., Drozdenko A.A., Dudnik A.B., Miroshnichenko V.I., Sayko N.A., Pavlenko P.A., Peleshuk L.P. The Sumy scanning nuclear microprobe: design features and first tests. Nucl. Instr. and Meth. B. 2007. No. 260. P. 49—54. 6. Kurbatov D.I., Klymov О.V., Opanasyuk A.S., Ponomarev A.G., Fochuk P.M., Khlyap H.M. Structural characteris- tics of Zn1—xMnxTe polycrystalline films. Proc. of SPIE. 2012. No. 8507. P. 85071J1—85071J-6. 7. Nam D., Opanasyuk A.S., Koval P.V., Ponomarev A.G., Kim G., Jo W., Cheong H., Composition variations in Cu2Zn- SnSe4 thin films analyzed by XRD, EDS, PIXE, and Raman spectroscopy. Thin Solid Films. 2014. No. 562. P. 109—113. 8. Valter A.A., Knight K.B., Eremenko G.K., Magilin D.V., Ponomarov A.A., Pisansky A.I., Romanenko A.V., Pono- marev A.G. Spatial investigation of some uranium minerals using nuclear microprobe. Physics and Chemistry of Minerals. 2018. V. 45, no. 6. P. 533—547. 9. Lapin O.S., Kolinko S.V., Rebrov V.A., Salivon V.F., Ponomarov A., Ponomarev A.G. Precise centering method for triplet of magnetic quadrupole lenses using single rigid frame. Nucl. Instr. Meth. B. 2017. No. 404. P. 41—44. 10. Rebrov V.A., Ponomarev A.G., Palchik V.K., Melnik N.G. The new design of magnetic quadrupole lens doublet manufactured from a single piece. Nucl. Instr. Meth. B. 2007. No. 260. P. 34—38. 11. Kolinko S.V., Ponomarev A.G., Rebrov V.A. Precise centering and field characterization of magnetic quadrupole lenses. Nucl. Instr. Meth. A. 2013. No. 700. P. 70—74. 12. Ponomarev A.G., Kolinko S.V., Rebrov V.A., Kolomiets V.N., Kravchenko S.N. Using of proton beam writing techniques for fabrication of micro diffraction gratings. Problems of atomic science and technology. 2018. V. 4, no. 116. P. 285—288. Стаття надійшла до редакції 04.12.18 Статтю прорецензовано 28.02.19 Статтю підписано до друку 01.03.19 REFERENCES 1. Watt, F., Breese, M. B. H., Bettiol, A., van Kan, J. A. (2007). Proton beam writing: review. Materials today., 10(6), 20—29. 2. Watt, F., Bettiol, A. A., van Kan, J. A., Teo, J., Breese, M. B. H. (2005). Ion beam lithography and nanofabrication: a review. International Journal of Nanoscience, 4(3), 269—286. 3. Bettiol, A. A., Ansari, K., Sum, T. C., van Kan, J. A., Watt, F. (2004). Fabrication of micro-optical components in polymer using proton beam writing. Proc. of SPIE, 5347, 255—263. 4. Magilin, D. V., Ponomarev, A. G., Rebrov, V. A., Sayko, N. A., Melnik, K. I., Miroshnichenko, V. I., Storizhko, V. Y. (2009). Performance of the Sumy nuclear microprobe with the integrated probe-forming system. Nucl. Instr. and Meth. B., 267, 2046—2049. 5. Storizhko, V. E., Ponomarev, A. G., Rebrov, V. A., Chemeris, A. I., Drozdenko, A. A., Dudnik, A. B., Miroshnichen- ko, V. I., Sayko, N. A., Pavlenko, P. A., Peleshuk, L. P. (2007). The Sumy scanning nuclear microprobe: design features and first tests. Nucl. Instr. and Meth. B., 260, 49—54. рами зонда и проведены первые эксперименты по фабрикации микродифракционной решет- ки-источника рентгеновского фазоконтраст- ного интерферометра. ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) А.Г. Пономарев, В.А. Ребров, С.В. Колинько 68 6. Kurbatov, D. I., Klymov, О. V., Opanasyuk, A. S., Ponomarev, A. G., Fochuk, P. M., Khlyap, H. M. (2012). Structural characteristics of Zn1-xMnxTe polycrystalline films. Proc. of SPIE., 8507, 85071J-1—85071J-6. 7. Nam, D., Opanasyuk, A. S., Koval, P. V., Ponomarev, A. G., Kim, G., Jo, W., Cheong, H. (2014). Composition varia- tions in Cu2ZnSnSe4 thin films analyzed by XRD, EDS, PIXE, and Raman spectroscopy. Thin Solid Films, 562, 109—113. 8. Valter, A. A., Knight, K. B., Eremenko, G. K., Magilin, D. V., Ponomarov, A. A., Pisansky, A. I., Romanenko, A. V., Ponomarev, A. G. (2018). Spatial investigation of some uranium minerals using nuclear microprobe. Physics and Chemistry of Minerals, 45(6), 533—547. 9. Lapin, O. S., Kolinko, S. V., Rebrov, V. A., Salivon, V. F., Ponomarov, A., Ponomarev, A. G. (2017). Precise centering method for triplet of magnetic quadrupole lenses using single rigid frame. Nucl. Instr. Meth. B., 404, 41—44. 10. Rebrov, V. A., Ponomarev, A. G., Palchik, V. K., Melnik, N. G. (2007). The new design of magnetic quadrupole lens doublet manufactured from a single piece. Nucl. Instr. Meth. B., 260, 34—38. 11. Kolinko, S. V., Ponomarev, A. G., Rebrov, V. A. (2013). Precise centering and field characterization of magnetic quadrupole lenses. Nucl. Instr. Meth. A., 700, 70—74. 12. Ponomarev, A. G., Kolinko, S. V., Rebrov, V. A., Kolomiets, V. N., Kravchenko, S. N. (2018). Using of proton beam writing techniques for fabrication of micro diffraction gratings. Problems of atomic science and technology, 4(116), 285—288. Received 04.12.18 Revised 28.02.19 Accepted 01.03.19 Ponomarev, A.G., Rebrov, V.А., and Kolinko, S.V. Institute of Applied Physics of the NAS of Ukraine, 58, Petropavlivska St., Sumy, 40000, Ukraine, +380 542 22 2794, +380 542 22 3760, ponom56@gmail.com PROTON BEAM WRITING DEVICE BASED ON ELECTROSTATIC ACCELERATOR FOR 3D MICRO- AND NANO-STRUCTURE FABRICATION 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. Keywords: proton beam writing, electrostatic accelerator, and magnetic quadrupole lens. ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Установка протонно-лучевой литографии на базе электростатического ускорителя 69 О.Г. Пономарьов, В.А. Ребров, С.В. Колінько Інститут прикладної фізики НАН України, вул. Петропавлівська, 58, Суми, 40000, Україна, +380 542 22 2794, +380 542 22 3760, ponom56@gmail.com УСТАТКУВАННЯ ПРОТОННО-ПРОМЕНЕВОЇ ЛІТОГРАФІЇ НА БАЗІ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ПРИСКОРЮВАЧА ДЛЯ ФАБРИКАЦІЇ 3D МІКРО- І НАНОСТРУКТУР 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 пев- ним 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 про- тонно-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 фаб- рикації 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 розподіле- ному пентуплеті магнітних квадрупольних лінз. Застосування електростатичної скануючої системи забезпечує висо- ку точність позиціонування сфокусованого пучка в замкнутому циклі сканування. Управління процесом сканування забезпечується за рахунок застосування багатофункціонального реконфігурованого модуля введення-виведення з програмованою логікою. Ключові слова: протонно-променева літографія, електростатичний прискорювач, магнітна квадрупольна лінза.

Схожі ресурси