Un laser à pompe femtoseconde « frappe » le matériau opaque (1), faire voyager une onde acoustique à haute fréquence à travers les couches (2) jusqu'à ce qu'elle atteigne les lignes de réseau enterrées. Les ondes acoustiques sont réfléchies au niveau du réseau et reviennent (3) sous la forme d'une onde en forme de réseau. Lorsque cette onde frappe la surface (4), la déformation en forme de réseau peut être détectée à partir du signal de diffraction d'un laser à sonde femtoseconde. Crédit :Centre de Recherche Avancée en Nanolithographie
Des chercheurs de l'ARCNL ont trouvé un moyen de détecter des nanostructures enfouies sous de nombreuses couches de matériau opaque en utilisant des ondes sonores à haute fréquence induites par la lumière. Leurs découvertes pourraient avoir des applications dans l'industrie de fabrication de semi-conducteurs, tels que l'alignement de plaquettes. Les chercheurs ont également révélé de nouveaux phénomènes intéressants en photo-acoustique qui n'avaient jamais été étudiés auparavant. Leurs résultats sont publiés dans Examen physique appliqué . Le premier auteur Stephen Edward a défendu avec succès son doctorat. sur ce sujet le 18 juin à l'Université d'Amsterdam.
Dans la production de puces et de composants informatiques de pointe, les machines de nanolithographie impriment plusieurs couches de structures de taille nanométrique sur une plaquette. Pour vous assurer que les calques sont alignés avec précision, les plaquettes contiennent des lignes de grille qui agissent comme des marqueurs qui indiquent aux machines où imprimer. « Si les marqueurs d'alignement sont indispensables en nanolithographie, ils sont enterrés sous de nombreuses couches de matériaux. Parce que ces couches sont souvent opaques, il est difficile d'utiliser la lumière pour trouver les repères et aligner la machine, " dit Stephen Edward, qui a effectué son doctorat. recherche dans le groupe d'interaction lumière-matière à l'ARCNL.
De nombreux matériaux opaques à la lumière transmettent des ondes sonores, qui peut être utilisé pour visualiser ce qui se trouve en dessous. Le chef du groupe, Paul Planken, a déclaré :"La plupart des gens connaissent cela dans une situation médicale. Les échoscopes utilisent des ondes sonores à haute fréquence qui sont réfléchies à l'intérieur du corps à l'interface de différents tissus. Les ondes sonores réfléchies sont converties en un signal électrique pour créer une image. Alors que cette méthode contient suffisamment de détails pour la plupart des applications médicales, il n'est de loin pas assez détaillé pour un alignement précis en nanolithographie. La taille des caractéristiques qui peuvent être discernées avec les méthodes échoscopiques est inversement proportionnelle à la fréquence. Donc, pour pouvoir voir des structures à l'échelle nanométrique avec le son, nous avons besoin d'ondes sonores avec une fréquence beaucoup plus élevée."
Planche, Edward et ses co-auteurs savaient que de courtes impulsions lumineuses d'un laser peuvent induire de telles ondes sonores à haute fréquence dans un matériau opaque. "C'est un peu comme frapper à une porte, qui fait passer les ondes sonores de l'autre côté de la porte, " dit Edward. " Dans notre expérience, un "coup" à haute énergie du laser déclenche une onde sonore dans le matériau opaque."
Comme dans les applications médicales, les ondes sonores traversant le matériau sont réfléchies sur les interfaces à l'intérieur du matériau, provoquant une onde qui remonte à la surface. Quand ils ont commencé, les chercheurs n'étaient pas sûrs que ce signal contiendrait suffisamment d'informations utiles. Planken dit, "J'étais un peu sceptique au début, parce que les ondes sonores doivent traverser tant de couches de matériau diélectrique avant d'atteindre le réseau enfoui à l'intérieur. S'ils se reflètent à toutes ces interfaces, nous aurions fini avec un gâchis complet d'ondes sonores. Mais il s'est avéré que l'empilement de fines couches diélectriques agit comme une seule couche épaisse car les couches individuelles sont plus fines que la longueur d'onde de l'onde sonore. Ainsi, les ondes sonores se déplacent directement vers les lignes de grille enfouies que nous voulons voir. »
Le son se reflète sur la grille. Étant donné que le réseau n'est pas une surface plane mais a des vallées et des pics périodiques, le son des vallées atteint la surface un peu plus tard que le son des pics. "L'onde sonore provoque un très petit déplacement des atomes lorsqu'elle atteint la surface, faire apparaître une copie du réseau en surface, " explique Edward. " Lorsque nous balayons la surface avec une seconde impulsion laser, nous pouvons mesurer le signal de diffraction causé par ces petits déplacements."
Maintenant qu'ils ont montré qu'il est possible de détecter des nanostructures enfouies sous un matériau opaque, les chercheurs vont approfondir leur méthode. Planken dit, "Nos résultats révèlent non seulement des caractéristiques intéressantes en photo-acoustique qui n'ont pas été étudiées auparavant, mais offrent également une solution prometteuse aux problèmes pratiques de la nanolithographie. Pour les applications industrielles, nous devons optimiser le système pour obtenir des signaux plus forts, plus rapide et plus robuste. Mais nous voulons aussi augmenter notre compréhension de tous les effets que nous voyons dans le signal, et trouver les limites de notre méthode, par exemple en essayant de discerner une grille avec des lignes très proches les unes des autres."
