ЗАКОНОМЕРНОСТИ, МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МИКРОСТРУКТУР В ФОТОПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ Булгакова В.Г. гр кафедра ФиОИ Научный руководитель канд. техн. наук Ворзобова Н.Д. кафедра ОКРС 1 С АНКТ -П ЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

2 ГЛУБОКАЯ ЛИТОГРАФИЯ Существует достаточно много методов литографии, но не многие позволяют получать структуры с высоким форматным отношением. В настоящее время чаще применяются методы, основанные на использовании излучения с малой расходимостью пучка - рентгеновское излучение, жесткий ультрафиолет и электронные пучки. Профили пучков трех типов излучения при распространении в веществе: E, электронный пучок; P, высокоэнергетический фотонный пучок; X, рентгеновское излучение. Примеры структур, получаемых методами глубокой литографии. F. Munnik, F. Benninger // Microelectronic Engineering 67–68 (2003) 96–103

ПРИМЕРЫ ПОЛИМЕРНЫХ МИКРОСТРУКТУР, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ РЕНТГЕНОВСКОЙ ЛИТОГРАФИИ (X-ray deep lithography) структуры: 4мкм ширина и 120 мкм высота структуры: 9 мкм диаметр и 480 мкм высота 3

Процессы, исследованные в данной работе основаны на самоорганизации фотоотверждаемого материала, исследованного в работах: 1. И.Ю. Денисюк, Ю.Э. Бурункова, М.И. Фокина, Н.Д. Ворзобова, В.Г. Булгакова // Оптический журнал т. 75, 10, 2008, стр Denisyuk I.Yu., Fokina M.I., Vorzobova N.D., Burunkova Yu.E., Bulgakova V.G. // Mol. Cryst. Liq. Cryst., Vol. 497, pp. 228–235, Самофокусировка света в фотополимере, обладающем положительным знаком изменения показателя преломления определяет формирование структуры с вертикальными поверхностями. На фотографии внизу представлена сформированная структура. На схеме представлен результат фотополимеризации фоторезиста (слева) и нашего фотополимера (справа – формируется вертикальная структура) САМООРГАНИЗАЦИЯ СВЕТООТВЕРЖДАЕМОГО МАТЕРИАЛА Цель работы – исследование зависимости размеров элементов, формируемых в данном процессе от условий экспонирования. 4

УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА Экспериментальная установка, экспонирование 365 нм Схема установки фотополимеризации. 1 - ртутная лампа, 2 – конденсор, 3 - зеркало,4-светоотверждаемый материал, 6 - подложка, 7 - прокладки. Изменяемые параметры: ширины линий ( мкм), расстояние между линиями ( мкм), оптическая плотность фотошаблона ( ),толщина слоя (30-300мкм), длительность экспозиции (10-40 сек) Вид амплитудной маски (исходный рисунок) 365нм

Состав: Bis – 66 %, Carb – 30%, ZnO – 4 %. 1. Bis – Бисфенол – А – глицеролат., ZnO - наночастицы Используемые вещества 2. Carb-Карбоксиэтилакрилат 6 3. Диметоксифенилацетофенон (инициатор фотополимеризации)

З АКОНОМЕРНОСТИ РОСТА МИКРОСТРУКТУР В ВЫСОТУ 7 Зависимость высоты структуры от длительности экспозиции Ширина линий в амплитудной маске: 100 мкм (1, 2, 3), 75 мкм (4, 5, 6), 50 мкм (7, 8). 9, 10, 11 – рост полимерного слоя. Толщина слоя: 30 мкм (1, 4, 7,9), 100 мкм (2, 5, 8, 10), 300 мкм (3, 6, 11). Зависимость высоты структуры от расстояния между элементами и плотности шаблона Плотности шаблонов: 1,2 (1) и 2,5 (2). Толщина слоя: 100 мкм. Длительность экспозиции: 30 с. Исследование зависимости высоты элементов микроструктур от экспозиции показало, что уже на начальном этапе роста структуры формируется 50-70% конечной высоты микроструктуры.

З АВИСИМОСТИ РОСТА МИКРОСТРУКТУР В ШИРИНУ 8 Зависимость ширины элемента микроструктуры от длительности экспозиции Плотности шаблонов: 2,5 (1, 2, 3,4) и 1,2 (5, 6, 7, 8) Ширина линий: 100 мкм (1,2,5,6) и 75 мкм (3,4,7,8)Соотношение расстояние/ ширина: 4 (2, 4, 6, 8) и 0,5 (1, 3, 5, 7). увеличение расстояния между элементами увеличение длительности экспозиции Ширина элементов увеличивается при уменьшении расстояния между линиями и уменьшении плотности шаблона. Микрофотографии структур Кинетика роста микроструктуры

З АВИСИМОСТИ РОСТА МИКРОСТРУКТУР В ШИРИНУ 9 Зависимость ширины элемента микроструктуры от толщины слоя Толщина слоя: 30 мкм (1, 2), 100 мкм (3, 4), 300 мкм (5, 6). Соотношение расстояние/ширина: 4 (2, 4, 6) и 0,5 (1, 3, 5). Плотность шаблона: 2,5. Уменьшение ширины элемента наряду с увеличением высоты позволяет увеличить форматное отношение и уменьшить характеристический размер.

С ЛИЯНИЕ БЛИЗКО РАСПОЛОЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСТРУКТУР 10 Зависимость высоты полимерного слоя и элементов микроструктур от расстояния между элементами. Плотности шаблонов: 2,5 (3) и 1,2 (1,2). Длительности экспозиции: 20 с (1, 3) и 40 с (2). Толщина слоя :100мкм. Ширина линии 100 мкм. увеличение длительности экспозиции увеличение расстояния между элементами Уменьшение расстояния между элементами приводит к слиянию элементов Микрофотографии структур

З АВИСИМОСТЬ НАИМЕНЬШЕГО РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАМИ ОТ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЭКСПОЗИЦИИ И ПЛОТНОСТИ ШАБЛОНА 11 Плотности шаблонов: 1,2 (1, 2, 3) и 2,5 (4, 5, 6). Ширины линий: 100 мкм (1, 4), 75 мкм (2, 5) и 50 мкм (3, 6). Толщина слоя 100 мкм. Отношение наименьшего расстояния между элементами к ширине линии постоянно для заданной экспозиции и уменьшается с уменьшением экспозиции. При уменьшении длительности экспозиции можно уменьшить как характеристические размеры элементов, так расстояния между ними.

ПРИМЕРЫ ПОЛУЧЕННЫХ МИКРОСТРУКТУР 12 Микрофотографии с одинаковым сечением по высоте и ступенчатой структур Брэгговская структура для террагерцового спектрометра Защитный элемент Полимерная структура, для роста кристалла DAST

В ЫВОДЫ Показано, что элементы вначале образуются по центру экспонирующего пучка света и затем при увеличении экспозиции их ширина увеличивается. При этом боковые поверхности вертикальны в течении всего процесса. Установлена зависимость высоты образующихся между парами микроэлементов паразитных мостиков от величины экспозиции и расстояния между ними при приближении микроэлементов друг к другу Показано, что при увеличении расстояния между элементами микроструктур уменьшается их поперечный размер Определены минимальные расстояния между элементами, что важно для создания элементной базы в области биотехнологий. 13

С ПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ Булгакова В.Г., Бурункова Ю.Э., Ворзобова Н.Д. Особенности формирования микроструктур с высоким форматным отношением при фотоотверждении полимера // Научно- технический Вестник СПб ГУИТМО Вып. 52. С Булгакова В.Г., Ворзобова Н.Д. Закономерности, методы и технологии формирования объемных микроструктур в фотополимерных нанокомпозиционных материалах // Научно- технический Вестник СПб ГУ ИТМО (сдана в редакцию) Denisyuk I.Yu., Fokina M.I., Vorzobova N.D., Burunkova Yu.E., Bulgakova V.G. Microelements with high aspect ratio prepared by self-focusing of the light at UV-curing// Molecular Crystals and Liquid Crystals V.497. P Денисюк И.Ю., Бурункова Ю.Э., Фокина М.И., Ворзобова Н.Д., Булгакова В.Г. Формирование микроструктур с высоким форматным отношением в результате самофокусировки света в фотополимерном нанокомпозите // Оптический журнал Вып С

КОНФЕРЕНЦИИ Булгакова В.Г., Ворзобова Н.Д. Формирование микроэлементов и микроструктур в УФ- отверждаемом нанокомпозите, V международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика- 2007», октября, 2007, Санкт-Петербург, Россия. Денисюк И.Ю., Бурункова Ю.Э., Фокина М.И., Ворзобова Н.Д., Булгакова В.Г. Формирование микроструктур с высоким форматным отношением в результате самофокусировки света в фотополимерном нанокомпозите, XXXVII научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, 29 января -1 февраля, 2008, Санкт-Петербург, Россия. Булгакова В.Г., Бурункова Ю.Э., Ворзобова Н.Д. Особенности формирования микроструктур с высоким форматным отношением при фотоотверждении полимера, V Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, апреля, 2008, Санкт-Петербург, Россия. Денисюк И.Ю., Фокина М.И., Ворзобова Н.Д., Бурункова Ю.Э., Булгакова В.Г. Получение микроэлементов с высоким форматным отношением при самофокусировке УФ света(Denisyuk I.Yu., Fokina M.I., Vorzobova N.D., Burunkova Yu.E., Bulgakova V.G Microelements with high aspect ratio prepared by self-focusing of the light at UV-curing.), VII Международная конференция «Электронные процессы в органических материалах», мая, 2008, Львов, Украина. Булгакова В.Г. Особенности формирования полимерных микроструктур в УФ-отверждаемом нанокомпозите, Научная молодежная школа «Оптика-2008», октября, 2008, Санкт-Петербург, Россия. Ворзобова Н.Д., Булгакова В.Г. Размерные эффекты при формировании полимерных микроструктур в светоотверждаемом нанокомпозите, Международная конференция «Прикладная оптика- 2008», октября, 2008, Санкт-Петербург, Россия. Булгакова В.Г. Закономерности, методы и технологии формирования объемных микроструктур в фотополимерных нанокомпозиционных материалах, VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, апреля, 2009, Санкт- Петербург, Россия. Булгакова В.Г., Ворзобова Н.Д. Исследование закономерностей роста микроструктурных элементов при фотополимеризации нанокомпозиционных материалов, школа-семинар «Актуальные проблемы физики и технологий», 22 апреля, 2009, Санкт-Петербург, Россия. 15

16 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ