eng
Выпуск #4/2025
А. И. Аржанов, А. С. Шелковников, В. В. Шульга, К. Е. Алексашин, А. О. Колесников, А. Н. Шатохин, Е. Н. Рагозин, А. В. Наумов
Штамповая электронная нанолитография как инструмент изготовления апериодических дифракционных решеток для рентгеновской оптики
Штамповая электронная нанолитография как инструмент изготовления апериодических дифракционных решеток для рентгеновской оптики
Просмотры: 1328
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.4.292.295
Представлены результаты изготовления и характеризации с использованием сканирующего атомно-силового микроскопа металлизированных апериодических дифракционных решеток (с частотой штрихов от 150 до 570 линий на мм) с использованием модернизированного штампового сканирующего электронного нанолитографа ZBA-21 с технологическим стандартом 200 нм и рабочей площадью изделия 150× 150 мм.
Представлены результаты изготовления и характеризации с использованием сканирующего атомно-силового микроскопа металлизированных апериодических дифракционных решеток (с частотой штрихов от 150 до 570 линий на мм) с использованием модернизированного штампового сканирующего электронного нанолитографа ZBA-21 с технологическим стандартом 200 нм и рабочей площадью изделия 150× 150 мм.
Штамповая электронная нанолитография как инструмент изготовления апериодических дифракционных решеток для рентгеновской оптики
А. И. Аржанов 1, 2, А. С. Шелковников 1, В. В. Шульга 1, К. Е. Алексашин 1, А. О. Колесников 1, А. Н. Шатохин 1, Е. Н. Рагозин 1, А. В. Наумов 1, 2
Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Москва, Троицк, Россия
Московский Педагогический Государственный Университет, Москва, Россия
Представлены результаты изготовления и характеризации с использованием сканирующего атомно-силового микроскопа металлизированных апериодических дифракционных решеток (с частотой штрихов от 150 до 570 линий на мм) с использованием модернизированного штампового сканирующего электронного нанолитографа ZBA‑21 с технологическим стандартом 200 нм и рабочей площадью изделия 150 × 150 мм.
Ключевые слова: дифракционная оптика, рентгеновская оптика, штамповая электронная нанолитография, апериодические дифракционные решетки
Статья получена: 16.06.2025
Статья принята: 22.06.2025
Дифракционная оптика (ДО) – одно из ключевых направлений современной фотоники, изучающее управление светом с помощью микро- и наноструктур, вызывающих дифракцию. ДО позволяет создавать компактные и высокоэффективные оптические элементы, такие как зонные пластинки, голограммы и метаповерхности, которые превосходят традиционную рефракционную оптику. Эти технологии применяются в микроскопии, литографии, лазерных системах и оптической связи. Особый интерес представляют метаматериалы, демонстрирующие уникальные эффекты, например, отрицательное преломление [1]. Важнейшие применения ДО, в частности, включают спектроскопию, микроскопию, адаптивные технологии, голографические элементы, системы визуализации и рентгеновскую оптику [2].
Чрезвычайно востребованным приложением ДО является производство дифракционных решеток, особенно в контексте появляющихся в последние годы методов расчета дифракционных оптических элементов и расширения технологии на различные диапазоны. Особенно важным здесь является рентгеновский диапазон спектра, для которого требуется создание оптики скользящего падения, в т. ч. на основе апериодических дифракционных решеток [3].
Одним из высоко эффективных методов создания таких дифракционных элементов может стать электронная нанолитография [4].
В настоящей заметке мы демонстрируем синтезированную дифракционную решетку, перспективную для использования в рентгеновской оптике. Изделие представляет собой стеклянную пластину размером 5 × 5 дюймов, покрытую слоем хрома толщиной 160 нм. В центре пластины расположено рабочее поле VLS-решетки (решетки с переменным шагом) размером 60 × 10 мм (ширина × высота) для монохроматора мягкой рентгеновской области спектра (90–200 Å). Диапазон частоты штрихов варьируется от 150 до 570 штрихов / мм и меняется по заданному закону на апертуре решетки. Решетка была изготовлена с использованием электронного нанолитографа ZBA‑21, обеспечивающего возможность создания структур по технологическому стандарту 200 нм на поверхностях с максимальными размерами до 178 × 178 мм. В настоящее время данный аппарат проходит модернизацию на базе Троицкого обособленного подразделения ФИАН им. П. Н. Лебедева. Отличительной особенностью аппаратного комплекса являются штамповый способ формирования электронного пучка и высокая точность совмещения отдельных элементов литографируемой структуры за счет использования прецизионной лазерно-интерферометрической системы.
После экспонирования электронным пучком было осуществлено проявление резиста, травление слоя хрома, лежащего под ним, удаление остаточного слоя резиста и промывка готового изделия. Общее число штрихов в решетке составляет более 19 тысяч с плавно меняющимся шагом вдоль длинной стороны изделия.
Первичная характеризация изготовленной решетки была осуществлена в лаборатории физики перспективных материалов и наноструктур Московского педагогического государственного университета (МПГУ) с использованием атомно-силового микроскопа NTegra (производство компании «Активная фотоника», Россия), обеспечивающего пространственное разрешение порядка нескольких нанометров [4]. На рис. 1 приведены фрагменты топографии изготовленной электронно-литографическим способом VLS-решетки. Карты рельефа были получены на четырех участках площадью 15 × 15 мкм2, что позволило оценить стабильность и воспроизводимость процесса. Вставка на рисунке демонстрирует профиль отдельных штрихов, демонстрирующий хорошее соответствие проектным параметрам.
Полученные результаты свидетельствуют о высоком потенциале штамповой электронной нанолитографии для создания сложных апериодических структур, что открывает новые возможности в проектировании элементов дифракционной оптики и фотонных метаповерхностей. Такая технология способствует дальнейшему развитию телекоммуникационных систем, биомедицинской диагностики, квантовых устройств и рентгеновской оптики нового поколения [5–7].
Работа выполнена в рамках темы государственного задания ФИАН им. П. Н. Лебедева. В части развития методов АСМ микроскопии (А. И. Аржанов, рук. А. В. Наумов) работа поддержана в рамках темы государственного задания МПГУ (тема № 124031100005-5). В части развития направления рентгеновской оптики работа А. О. Колесникова, А. Н. Шатохина, Е. Н. Рагозина поддержана грантом Российского научного фонда (25-12-00314 «Разработка и исследование новых оптических элементов для мягкой рентгеновской области спектра (5–25 нм)», руководитель Е. Н. Рагозин).
АВТОРЫ
А. И. Аржанов, ORCID: 0000-0001-9305-067X
А. С. Шелковников, ORCID: 0000-0003-3391-2738
А. О. Колесников, ORCID: 0000-0003-2511-762X
А. Н. Шатохин, ORCID: 0000-0002-6057-3535
Е. Н. Рагозин, ORCID: 0000-0001-5912-9229
А. В. Наумов, e-mail: a_v_naumov@mail.ru;
сайт научной группы: www.single-molecule.ru
ORCID: 0000-0001-7938-9802
А. И. Аржанов 1, 2, А. С. Шелковников 1, В. В. Шульга 1, К. Е. Алексашин 1, А. О. Колесников 1, А. Н. Шатохин 1, Е. Н. Рагозин 1, А. В. Наумов 1, 2
Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Москва, Троицк, Россия
Московский Педагогический Государственный Университет, Москва, Россия
Представлены результаты изготовления и характеризации с использованием сканирующего атомно-силового микроскопа металлизированных апериодических дифракционных решеток (с частотой штрихов от 150 до 570 линий на мм) с использованием модернизированного штампового сканирующего электронного нанолитографа ZBA‑21 с технологическим стандартом 200 нм и рабочей площадью изделия 150 × 150 мм.
Ключевые слова: дифракционная оптика, рентгеновская оптика, штамповая электронная нанолитография, апериодические дифракционные решетки
Статья получена: 16.06.2025
Статья принята: 22.06.2025
Дифракционная оптика (ДО) – одно из ключевых направлений современной фотоники, изучающее управление светом с помощью микро- и наноструктур, вызывающих дифракцию. ДО позволяет создавать компактные и высокоэффективные оптические элементы, такие как зонные пластинки, голограммы и метаповерхности, которые превосходят традиционную рефракционную оптику. Эти технологии применяются в микроскопии, литографии, лазерных системах и оптической связи. Особый интерес представляют метаматериалы, демонстрирующие уникальные эффекты, например, отрицательное преломление [1]. Важнейшие применения ДО, в частности, включают спектроскопию, микроскопию, адаптивные технологии, голографические элементы, системы визуализации и рентгеновскую оптику [2].
Чрезвычайно востребованным приложением ДО является производство дифракционных решеток, особенно в контексте появляющихся в последние годы методов расчета дифракционных оптических элементов и расширения технологии на различные диапазоны. Особенно важным здесь является рентгеновский диапазон спектра, для которого требуется создание оптики скользящего падения, в т. ч. на основе апериодических дифракционных решеток [3].
Одним из высоко эффективных методов создания таких дифракционных элементов может стать электронная нанолитография [4].
В настоящей заметке мы демонстрируем синтезированную дифракционную решетку, перспективную для использования в рентгеновской оптике. Изделие представляет собой стеклянную пластину размером 5 × 5 дюймов, покрытую слоем хрома толщиной 160 нм. В центре пластины расположено рабочее поле VLS-решетки (решетки с переменным шагом) размером 60 × 10 мм (ширина × высота) для монохроматора мягкой рентгеновской области спектра (90–200 Å). Диапазон частоты штрихов варьируется от 150 до 570 штрихов / мм и меняется по заданному закону на апертуре решетки. Решетка была изготовлена с использованием электронного нанолитографа ZBA‑21, обеспечивающего возможность создания структур по технологическому стандарту 200 нм на поверхностях с максимальными размерами до 178 × 178 мм. В настоящее время данный аппарат проходит модернизацию на базе Троицкого обособленного подразделения ФИАН им. П. Н. Лебедева. Отличительной особенностью аппаратного комплекса являются штамповый способ формирования электронного пучка и высокая точность совмещения отдельных элементов литографируемой структуры за счет использования прецизионной лазерно-интерферометрической системы.
После экспонирования электронным пучком было осуществлено проявление резиста, травление слоя хрома, лежащего под ним, удаление остаточного слоя резиста и промывка готового изделия. Общее число штрихов в решетке составляет более 19 тысяч с плавно меняющимся шагом вдоль длинной стороны изделия.
Первичная характеризация изготовленной решетки была осуществлена в лаборатории физики перспективных материалов и наноструктур Московского педагогического государственного университета (МПГУ) с использованием атомно-силового микроскопа NTegra (производство компании «Активная фотоника», Россия), обеспечивающего пространственное разрешение порядка нескольких нанометров [4]. На рис. 1 приведены фрагменты топографии изготовленной электронно-литографическим способом VLS-решетки. Карты рельефа были получены на четырех участках площадью 15 × 15 мкм2, что позволило оценить стабильность и воспроизводимость процесса. Вставка на рисунке демонстрирует профиль отдельных штрихов, демонстрирующий хорошее соответствие проектным параметрам.
Полученные результаты свидетельствуют о высоком потенциале штамповой электронной нанолитографии для создания сложных апериодических структур, что открывает новые возможности в проектировании элементов дифракционной оптики и фотонных метаповерхностей. Такая технология способствует дальнейшему развитию телекоммуникационных систем, биомедицинской диагностики, квантовых устройств и рентгеновской оптики нового поколения [5–7].
Работа выполнена в рамках темы государственного задания ФИАН им. П. Н. Лебедева. В части развития методов АСМ микроскопии (А. И. Аржанов, рук. А. В. Наумов) работа поддержана в рамках темы государственного задания МПГУ (тема № 124031100005-5). В части развития направления рентгеновской оптики работа А. О. Колесникова, А. Н. Шатохина, Е. Н. Рагозина поддержана грантом Российского научного фонда (25-12-00314 «Разработка и исследование новых оптических элементов для мягкой рентгеновской области спектра (5–25 нм)», руководитель Е. Н. Рагозин).
АВТОРЫ
А. И. Аржанов, ORCID: 0000-0001-9305-067X
А. С. Шелковников, ORCID: 0000-0003-3391-2738
А. О. Колесников, ORCID: 0000-0003-2511-762X
А. Н. Шатохин, ORCID: 0000-0002-6057-3535
Е. Н. Рагозин, ORCID: 0000-0001-5912-9229
А. В. Наумов, e-mail: a_v_naumov@mail.ru;
сайт научной группы: www.single-molecule.ru
ORCID: 0000-0001-7938-9802
Отзывы читателей
