Registrering af skjulte nanostrukturer ved at konvertere lys til lyd

Forskere ved ARCNL har fundet en måde at opdage nanostrukturer begravet under mange lag uigennemsigtigt materiale ved hjælp af højfrekvente lydbølger induceret af lys. Deres resultater kunne have anvendelse i halvlederfremstillingsindustrien, såsom waferjustering. Forskerne afslørede også interessante nye fænomener inden for fotoakustik, som ikke er blevet undersøgt før. Deres resultater er offentliggjort i Fysisk gennemgang anvendt . Første forfatter Stephen Edward forsvarede med succes sin ph.d. om dette emne den 18. juni på universitetet i Amsterdam.

I produktionen af ​​state-of-the-art computerchips og komponenter, nanolitografimaskiner udskriver flere lag af strukturer i nanostørrelse på en wafer. For at sikre, at lagene er justeret nøjagtigt, vaflerne indeholder gitterlinjer, der fungerer som markører, der fortæller maskinerne, hvor de skal printe. "Selvom justeringsmarkører er uundværlige i nanolitografi, de bliver begravet under mange lag materiale. Fordi disse lag ofte er uigennemsigtige, det er svært at bruge lys til at finde markørerne og justere maskinen, " siger Stephen Edward, der udførte sin ph.d. forskning i Light-Matter Interaction Group på ARCNL.

Mange materialer, der er uigennemsigtige for lys, transmitterer lydbølger, som kan bruges til at visualisere, hvad der er nedenunder. Gruppeleder Paul Planken siger, "De fleste kender dette i en medicinsk situation. Ekkoskoper bruger højfrekvente lydbølger, der reflekteres inde i kroppen ved grænsefladen mellem forskellige væv. De reflekterede lydbølger konverteres til et elektrisk signal for at skabe et billede. Mens denne metode indeholder nok detaljer til de fleste medicinske anvendelser, den er langtfra detaljeret nok til nøjagtig justering i nanolitografi. Størrelsen af ​​de funktioner, der kan skelnes med ekkoskopiske metoder, er omvendt proportional med frekvensen. Så for at kunne se strukturer i nanoskala med lyd, vi har brug for lydbølger med en meget højere frekvens."

Planken, Edward og medforfattere vidste, at korte lysimpulser fra en laser kan inducere sådanne højfrekvente lydbølger i et uigennemsigtigt materiale. "Det er lidt som at banke på en dør, som får lydbølger til at bevæge sig videre til den anden side af døren, " siger Edward. "I vores eksperiment, en højenergi 'bank' af laseren starter en lydbølge i det uigennemsigtige materiale."

Som i medicinske applikationer, lydbølgerne, der bevæger sig gennem materialet, reflekteres af grænseflader inde i materialet, forårsager en bølge, der rejser tilbage til overfladen. Da de først startede, forskerne var ikke sikre på, om dette signal ville indeholde nok nyttig information. Planken siger, "Jeg var lidt skeptisk i starten, fordi lydbølgerne skal rejse gennem så mange lag af dielektrisk materiale, før de når gitteret, der er begravet indeni. Hvis de reflekterer ved alle disse grænseflader, vi ville have endt med et komplet rod af lydbølger. Men det viste sig, at stakken med tynde dielektriske lag fungerer som et tykt lag, fordi de enkelte lag er tyndere end lydbølgens bølgelængde. Så lydbølgerne rejser direkte til de nedgravede gitterlinjer, som vi gerne vil se."

Lyden reflekteres ved gitteret. Da gitteret ikke er en flad overflade, men har periodiske dale og toppe, lyd fra dalene når overfladen lidt senere end lyd fra tinderne. "Lydbølgen forårsager en meget lille forskydning af atomerne, når den når overfladen, får en kopi af gitteret til at dukke op på overfladen, "Forklarer Edward." Når vi scanner overfladen med en anden laserpuls, vi kan måle diffraktionssignalet forårsaget af disse små forskydninger."

Nu hvor de har vist, at det er muligt at opdage nanostrukturer begravet under uigennemsigtigt materiale, forskerne vil undersøge deres metode nærmere. Planken siger, "Vores resultater afslører ikke kun interessante funktioner i fotoakustik, som ikke er blevet undersøgt før, men tilbyder også en lovende løsning på praktiske problemstillinger inden for nanolitografi. Til industrielle anvendelser, vi bør optimere systemet for at få signaler, der er stærkere, hurtigere og mere robust. Men vi ønsker også at øge vores forståelse af alle de effekter, vi ser i signalet, og find grænserne for vores metode, for eksempel ved at forsøge at skelne et gitter med linjer, der er meget tæt på hinanden."