Développement d'une technologie de lithographie contrôlée par nanosphères

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3350 (2023) Citer cet article

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Ce travail est consacré au développement de la technologie de lithographie des nanosphères (NSL), qui est une méthode peu coûteuse et efficace pour former des nanostructures pour la nanoélectronique, ainsi que des applications optoélectroniques, plasmoniques et photovoltaïques. La création d'un masque de nanosphères par spin-coating est une méthode prometteuse, mais insuffisamment étudiée, nécessitant une large base expérimentale pour différentes tailles de nanosphères. Ainsi, dans ce travail, nous avons étudié l'influence des paramètres technologiques de NSL par spin-coating sur la zone de couverture du substrat par une monocouche de nanosphères d'un diamètre de 300 nm. Il a été constaté que la zone de couverture augmente avec la diminution de la vitesse et du temps de rotation, de la teneur en isopropyle et propylène glycol et avec l'augmentation de la teneur en nanosphères en solution. De plus, le processus de réduction contrôlée de la taille des nanosphères dans le plasma d'oxygène à couplage inductif a été étudié en détail. Il a été déterminé que l'augmentation du débit d'oxygène de 9 à 15 sccm ne modifie pas le taux de gravure du polystyrène, alors que le changement de la puissance haute fréquence de 250 à 500 W augmente le taux de gravure et nous permet de contrôler le diamètre décroissant avec une grande précision. Sur la base des données expérimentales, les paramètres technologiques optimaux de NSL ont été sélectionnés et le masque de nanosphères sur substrat Si a été créé avec une zone de couverture de 97,8 % et une reproductibilité du processus de 98,6 %. La réduction ultérieure du diamètre des nanosphères nous permet d'obtenir des nanoaiguilles de différentes tailles, qui peuvent être utilisées dans des cathodes à émission de champ. Dans ce travail, la réduction de la taille des nanosphères, la gravure du silicium et l'élimination des résidus de polystyrène se sont produites dans un processus continu unifié de gravure au plasma sans décharge d'échantillon dans l'atmosphère.

La création de réseaux ordonnés de nanostructures de silicium est d'un grand intérêt pour les chercheurs en raison de leurs propriétés uniques et de leurs applications potentielles dans divers composants de dispositifs électroniques1,2, plasmoniques3,4, photoniques5, photovoltaïques6,7, ainsi que la spectroscopie Raman à amélioration de surface (SERS)8. Par exemple, les auteurs de9 ont créé un prototype de transistors à effet de champ à nanofils intégrés verticalement (SiNW-FET) basés sur des structures de silicium orientées verticalement. De plus, les SiNW-FET sont prometteurs pour les biocapteurs en raison de leur ultrasensibilité, de leur sélectivité et de leurs capacités de détection sans étiquette et en temps réel10. On sait également que les cellules solaires réalisées à base de nanostructures de silicium orientées verticalement sont prometteuses dans l'industrie de l'énergie solaire. Cela est dû à des avantages tels qu'une efficacité accrue du piégeage de la lumière en raison de sa diffusion multiple à l'intérieur de la structure, avec une masse et une épaisseur de cellule beaucoup plus faibles par rapport aux cellules planaires11. Une autre application prometteuse des nanostructures de silicium orientées verticalement, à savoir les nanoaiguilles, est leur utilisation comme cathodes à émission de champ (froides) dans les dispositifs à électrovide. Contrairement aux cathodes thermioniques, dans ce cas les électrons n'ont pas besoin d'être pré-excités pour leur émission sous l'action du champ électrique12,13.

Cependant, l'un des principaux problèmes du développement technologique dans cette direction est le manque de méthodes simples pour former un motif sur la surface du substrat pour obtenir la topologie requise. En règle générale, les techniques lithographiques traditionnelles telles que la lithographie aux ultraviolets extrêmes (EUV) et la lithographie par faisceau d'électrons (EBL) combinées à un processus de gravure au plasma sec sont utilisées pour créer des nanostructures de taille et de forme contrôlables. Par exemple, en 14, les auteurs démontrent leur capteur d'indice de réfraction basé sur un réseau de nanodisques de silicium résonnants d'un diamètre de 330 nm, qui ont été fabriqués à l'aide d'EBL et d'une gravure ionique réactive. Dans un autre article15, les auteurs présentent un procédé de fabrication d'un réseau de nanofils métalliques de diamètre inférieur à 100 nm par EUV et gravure plasma sous oxygène. Malgré le fait que l'utilisation d'un rayonnement de courte longueur d'onde et une méthode alternative d'exposition ont permis de réduire la taille des structures obtenues, ces méthodes se caractérisent par des dépenses financières et temporelles importantes, ainsi que par une complexité technique dans leur réalisation16. À cet égard, la recherche et l'étude d'approches plus simples, moins chères et plus productives pour la formation de nanostructures avec certains paramètres sont devenues d'une importance primordiale et d'une importance pratique.

Le développement de la lithographie des nanosphères basée sur le phénomène d'auto-organisation s'est imposé comme une méthode alternative pour créer des nanostructures ordonnées avec des avantages tels qu'un faible coût, une productivité élevée et l'absence d'équipements complexes17. Le matériau le plus courant pour les nanosphères, jouant le rôle de masque lors de la gravure ultérieure, est le polystyrène (PS), qui est une particule sphérique monodisperse dans une large gamme de tailles (de 20 nm à 10 μm). L'auto-assemblage à l'interface air/eau (méthode de Langmuir-Blodgett (LB))18 et la méthode de spin-coating19 sont considérés comme les techniques les plus prometteuses pour la formation de revêtements de nanosphères. Cependant, les auteurs des travaux19,20,21 notent que le faible taux de transfert des nanosphères vers le substrat et la difficulté à obtenir un revêtement monocouche uniforme sur une grande surface empêchent une large application de la méthode LB. Le revêtement du substrat à l'aide de la méthode de revêtement par centrifugation implique le dépôt d'une suspension colloïdale sur un substrat hydrophile suivi d'un processus d'évaporation accélérée du solvant pendant le filage dans une centrifugeuse. Cette méthode est actuellement considérée comme le moyen le plus efficace et le plus flexible pour créer des monocouches de particules auto-assemblées, qui peuvent être mises en œuvre en production de masse. De plus, dans la recherche22, les auteurs ont étudié des nanosphères de taille 500 et 1000 nm pour comparer les méthodes de spin-coating et LB, et ils ont constaté que dans le cas de l'utilisation de nanosphères de petit diamètre, la méthode LB ne permet pas d'obtenir une monocouche compacte sur toute la surface du substrat (la zone de couverture maximale était de 54%).

Cependant, la méthode de spin-coating n'est pas simple, car elle nécessite l'optimisation d'un certain nombre de paramètres qui ont une influence interdépendante sur le processus d'évaporation du solvant. À cet égard, les chercheurs doivent trouver empiriquement les paramètres technologiques optimaux, et généralement le mode optimal varie en fonction de la taille des nanosphères. À ce jour, l'application de la méthode de revêtement par centrifugation pour la formation de revêtements de nanosphères peut être trouvée dans de nombreux articles. Cependant, la plupart d'entre eux ne donnent aucune information détaillée sur la sélection des paramètres technologiques optimaux ou n'étudient que l'influence de certains paramètres sur la qualité du revêtement obtenu. Par exemple, les auteurs de21 montrent comment la vitesse de rotation et la concentration de la solution colloïdale distribuée affectent le processus de création d'un réseau ordonné de nanosphères de différents diamètres. Mais dans cette étude, l'accent a été mis exclusivement sur l'obtention d'un ordre parfait sur des échantillons de petite surface (15 × 15 mm), et l'effet des paramètres technologiques sur la zone de couverture totale de l'ensemble du substrat n'a pas été étudié. Dans une autre étude20, Chen et al. ont trouvé une corrélation entre la zone couverte par une mono- et bicouche de nanosphères et des paramètres du processus tels que la vitesse de rotation et l'accélération pour quatre tailles différentes de nanosphères. Cependant, dans ce travail, les auteurs n'ont pas étudié les paramètres liés directement à la préparation de la solution colloïdale, qui ont une influence significative sur le processus d'évaporation du solvant et donc sur la qualité d'auto-assemblage des nanosphères. De plus, il convient de noter que dans certains travaux21,23,24,25, des mélanges de tensioactifs ont été ajoutés à la solution avec des nanosphères pour améliorer la mouillabilité de la solution et ralentir le taux d'évaporation de la suspension. Mais ce fait peut non seulement conduire à une contamination supplémentaire du substrat par des tensioactifs, mais également augmenter considérablement le coût du processus de lithographie des nanosphères. Il est important que dans la plupart des travaux visant à étudier le processus de revêtement par centrifugation, les microphotographies démontrant les revêtements de nanosphères obtenus couvrent la surface du substrat ne dépassant pas 100 × 100 µm219,20,22,23,26. Un tel grossissement ne permet pas d'estimer objectivement le remplissage et l'ordre des nanosphères dans de plus grandes zones, alors qu'une uniformité élevée et une couverture monocouche sur toute la surface du substrat sont une exigence fondamentale pour le processus de lithographie des nanosphères s'il est utilisé pour créer des masques de gravure. Ainsi, une étude détaillée de l'influence des paramètres technologiques sur le processus de création d'un revêtement de nanosphère uniforme monocouche est une tâche pertinente, et elle peut faciliter la mise en œuvre de la lithographie de nanosphère par la méthode de revêtement par centrifugation dans les domaines scientifiques et industriels.

Après avoir obtenu un réseau compact de nanosphères sur le substrat, celui-ci peut être utilisé immédiatement comme masque pour le processus de gravure ou modifié d'une certaine manière pour obtenir le motif souhaité. La gravure plasma-chimique (PCE) dans l'oxygène est largement utilisée pour réduire la taille des nanosphères sans modifier leur position sur le substrat27,28,29,30. La taille des nanosphères peut être contrôlée en ajustant la durée et les conditions de gravure, et la distance entre elles dépend du choix de la taille initiale des sphères. Parallèlement, la création de nanostructures de silicium à travers un masque de nanosphères en un seul cycle de gravure présente un intérêt pratique. Cela implique la réduction de la taille des nanosphères, la gravure du silicium et l'élimination des résidus de nanosphères dans une seule chambre de traitement sans étapes supplémentaires de chargement et de déchargement de l'échantillon dans l'atmosphère. À cet égard, ce travail est consacré au développement de la technologie de lithographie des nanosphères (nanosphères d'un diamètre de 300 nm) en utilisant la méthode de spin-coating, l'étude de l'influence des paramètres technologiques sur le processus de réduction de la taille des sphères dans le plasma et l'approbation de la technologie développée pour créer un réseau de nanoaiguilles de silicium d'une certaine taille en un seul cycle pour leur utilisation potentielle dans la fabrication de cathodes à émission de champ.

Des nanosphères de polystyrène monodispersées d'un diamètre de 300 nm sous la forme d'une solution aqueuse avec une concentration en substance sèche de 10 % en poids ont été achetées à l'Institut des composés de haut poids moléculaire de l'Académie des sciences de Russie et ont été utilisées pour les expériences. Des tranches de silicium monocristallin (100) d'un diamètre de 76 mm et d'une épaisseur de 380 μm ont été achetées chez OOO "Kremni" et ont servi d'échantillons pour le dépôt de nanosphères. Avant chaque expérience, les substrats ont été nettoyés dans de l'acétone pendant 10 min à 80℃. En raison du fait que la lithographie des nanosphères nécessite une surface hydrophile, avant le dépôt des nanosphères, un traitement supplémentaire de la surface de l'échantillon dans une solution de piranha (1:3 H2O2:H2SO4) suivi d'un lavage à l'eau distillée et d'un séchage dans un courant d'air a été appliqué.

Le processus de spin-coating a été réalisé sur une centrifugeuse à grande vitesse JOANLAB MC-12 Pro. Le processus de lithographie nanosphère comprenait les étapes suivantes :

Prendre la quantité requise de solution aqueuse de nanosphères de polystyrène à l'aide d'une micropipette (JOANLAB) et la placer dans un tube à essai pour la centrifugation.

Centrifugation à 12 000 tr/min pendant 8 min pour séparer la solution en fractions suivie de l'élimination de l'excès d'eau du tube à essai.

Ajouter la quantité nécessaire d'alcool isopropylique et de propylène glycol dans le tube à essai pour augmenter la viscosité de la solution.

Traitement par ultrasons de la solution résultante pendant 15 min à 50 ℃ pour mélanger la solution et répartir uniformément les nanosphères dans la suspension pour éviter qu'elles ne collent entre elles.

Transfert de la solution préparée sur le substrat hydrophile à l'aide de la micropipette et du spin-coating à une certaine vitesse et durée. L'accélération de la rotation n'était pas régulée en raison de l'absence de cette fonction dans la centrifugeuse.

Séchage de la plaquette sur une étuve à 60°C pendant 5 min pour enfin évaporer le solvant et assurer un meilleur contact entre les nanosphères et le substrat Si.

La réduction de la taille des nanosphères et la gravure ultérieure du silicium à travers le masque résultant ont été réalisées sur un système de gravure plasma-chimique sur mesure avec une source de plasma à couplage inductif (ICP) à haute densité, décrit en détail précédemment31. L'oxygène (O2 classe 6.0, 99,9999%, GOST TU 2114-001-05798345-2007) a été utilisé pour la gravure isotrope de nanosphères de polystyrène dans l'ICP, d'abord pour réduire le diamètre des nanosphères dans la plage de 300 à 15 nm, et à la fin du processus pour éliminer les nanosphères résiduelles. Le substrat Si avec une monocouche de nanosphères de polystyrène comme masque a été gravé en ICP en utilisant un mélange gazeux de SF6 (99,998%, GOST TU 6-02-1249-83) et C4F8 (GOST TU 2412-128-05807960-96). Ainsi, les étapes de base de la fabrication de nanostructures ordonnées en Si à l'aide du procédé de lithographie à la nanosphère sont illustrées à la Fig. 1.

Image schématique des étapes de base pour créer des nanostructures de silicium ordonnées à travers un masque de nanosphères de polystyrène.

Pour comprendre le processus de gravure plasma-chimique du polystyrène, il est nécessaire d'étudier les régularités physico-chimiques des processus se produisant dans le plasma. L'une des méthodes les plus prometteuses à cet effet est le contrôle in situ à l'aide de la spectroscopie d'émission optique (OES). De plus, la méthode OES a été utilisée pour déterminer le point final du processus d'élimination des résidus de nanosphères dans le plasma d'oxygène par la disparition des raies spectrales spécifiques au polystyrène des spectres. Les spectres d'émission optique ont été enregistrés à l'aide d'un spectromètre OceanOptics HR 4000 dans la gamme de longueurs d'onde de 200 à 1120 nm avec une résolution d'environ 0,02 nm. Le spectromètre était connecté à la chambre de réaction par un câble à fibre optique, qui était intégré à la fenêtre de visualisation sur la bride de la chambre de réaction du système PCE. Le post-traitement des données a été effectué à l'aide du logiciel SpectraGryph 1.2.14.

Pour déterminer la concentration d'oxygène atomique dans le plasma, la méthode d'actinométrie optique a été appliquée, pour laquelle la ligne d'émission d'O (844,6 nm) et d'argon (750,4 nm) comme actinomètre à gaz a été utilisée. L'équation de la concentration d'oxygène atomique peut s'écrire comme suit :

où IO et IAr sont respectivement les intensités d'émission d'oxygène (844,6 nm) et d'argon (750,4 nm) enregistrées expérimentalement, [Ar] est la densité d'argon à l'intérieur du réacteur sans décharge de plasma, KO est le coefficient d'efficacité d'excitation d'oxygène (0,07)32.

Après avoir mené les processus de lithographie de nanosphères et de gravure plasma-chimique, les revêtements résultants de nanosphères de polystyrène et de nanostructures de Si ont été analysés à l'aide de microphotographies réalisées avec un microscope électronique à balayage Supra 55VP (CarlZeiss) avec une précision de ± 2,5 %. Comme le montre la revue de la littérature, dans la plupart des travaux, la zone de couverture du substrat avec des nanosphères mono- et bicouches a été estimée par des microphotographies couvrant la surface du substrat n'excédant pas 100 × 100 μm219,20,22,23,26. Les microphotographies des Fig. 2a à d montrent qu'un grossissement élevé ne donne pas de résultat objectif concernant la qualité globale du revêtement de nanosphères. Par exemple, une microphotographie à un grossissement de 1000 ×, couvrant une surface de 105 × 75 μm2 (Fig. 2b), montre un remplissage à 100 % du substrat avec une monocouche de nanosphères. Cependant, si la zone est agrandie à 560 × 400 µm2 (Fig. 2a), la présence de vides (régions les plus claires) et de zones à double couche (régions les plus sombres) peut être observée, représentées séparément sur les Fig. 2c, d. Par conséquent, afin de fournir des informations visuelles fiables, dans ce travail, l'analyse des revêtements résultants a été réalisée à l'aide de microphotographies prises à un grossissement de 200x (560 × 400 µm2). La zone de couverture du substrat avec des nanosphères a été estimée à partir d'un histogramme de l'image binarisée, comme le montre la figure 2f (les nanosphères sont peintes en noir, les vides en blanc). Chaque expérience a été réalisée 3 fois et 5 points ont été mesurés sur chaque substrat (Fig. 2e), après quoi les valeurs obtenues ont été moyennées. Les barres d'erreur ont été fixées comme suit : ± 2,5 % pour les dépendances des zones de couverture sur divers paramètres et ± 5 % pour les dépendances des taux de gravure des nanosphères sur divers paramètres.

Méthodologie d'estimation de la zone de couverture des nanosphères : (a–d) démonstration des différences dans les résultats obtenus à différents grossissements ; (e) schéma de mesure en cinq points pour la zone de couverture; (f) binarisation de l'image pour l'estimation de la zone de couverture.

En plus des monocouches compactes souhaitées avec une structure hexagonale, les réseaux de nanosphères obtenus peuvent contenir des vides (régions non couvertes), des monocouches disposées localement avec un ordre aléatoire et des frontières entre les domaines. Les domaines seront appelés régions du réseau avec un ordre élevé et une symétrie hexagonale. À cet égard, pour vérifier la symétrie hexagonale de la monocouche auto-assemblée résultante, une transformée de Fourier 2D a été appliquée à l'image SEM dans le logiciel NT-MDT NOVA. Afin d'estimer la taille des domaines dans le tableau obtenu à l'aide de la technique développée, le logiciel HEXI33 a été utilisé. Il reconnaît les régions avec un ordre hexagonal dans l'image SEM chargée et marque les frontières entre elles, ainsi que les défauts dans les domaines sous la forme de vides.

Des études théoriques34,35 ont démontré que les forces capillaires interparticulaires sont le moteur de l'ordonnancement des nanosphères sur le substrat. De telles forces se produisent en raison de la courbure croissante de la surface du liquide entre les particules lorsque le solvant s'évapore. Sous l'action des forces capillaires, les nanosphères sont assemblées en une structure hexagonale compacte du fait que le système tend vers la configuration à plus faible énergie, et donc au contact maximal avec les particules voisines. Ainsi, la vitesse d'évaporation du solvant, constitué dans notre cas d'alcool isopropylique et de propylène glycol, est l'un des principaux facteurs qui affecte les forces capillaires et, par conséquent, le processus d'auto-assemblage des nanosphères36. À son tour, la vitesse d'évaporation du solvant est influencée par des paramètres tels que la vitesse de rotation (N) et le temps (T), ainsi que la viscosité de la solution, qui dépend des concentrations relatives de chaque composant en solution (V1 - volume d'isopropyle, V2 - volume de propylène glycol, V3 - volume de solution aqueuse de nanosphères). À cet égard, la nature de l'influence des paramètres technologiques ci-dessus sur la surface du substrat recouverte de mono- et bicouche de nanosphères a été étudiée afin de déterminer les paramètres technologiques optimaux pour la création d'un revêtement monocouche de nanosphères compactes.

La teneur de chaque composant dans la solution appliquée sur le substrat a été considérée comme un pourcentage du volume d'un composant par rapport aux volumes totaux des deux autres composants. Cela a été fait pour la commodité de la perception de l'information, puisque dans une série d'expériences pour déterminer les teneurs optimales en nanosphères, alcool et propylène glycol dans la solution, le volume total de la solution appliquée sur le substrat variait en fonction du volume variable du composant considéré, tandis que les volumes des deux autres composants étaient inchangés.

Le rapport volumique initial de tous les composants de la solution a été déterminé au cours d'une série préliminaire d'expériences visant à optimiser les paramètres du processus de lithographie des nanosphères basé sur la méthode matricielle de Taguchi37. Le meilleur résultat en termes de surface de couverture du substrat a été montré par la solution V1/V2/V3 = 80/56/50 μl, qui a été choisie comme solution de départ pour d'autres expériences de base. L'influence du temps et de la température du mélange ultrasonique de la solution sur la qualité du revêtement a également été étudiée, au cours de laquelle les meilleurs revêtements de qualité ont été obtenus à 15 min et 50 ℃, respectivement. Les paramètres de traitement par ultrasons étaient constants dans toutes les séries d'expériences ultérieures.

La première série d'expériences visait à déterminer la nature de l'influence de la vitesse de rotation sur la qualité du revêtement, tandis que les autres paramètres du procédé restaient inchangés. Il est connu que la vitesse de rotation affecte à la fois le taux d'évaporation du solvant et la force centrifuge, qui déplace la suspension vers le bord du substrat20. Comme on peut le voir sur le graphique (Fig. 3a), à une vitesse de rotation inférieure à 3300 tr/min, un nombre important d'amas bicouches se forment, illustré sur la microphotographie de la Fig. 3b. Ces zones à double couche ne sont pas acceptables pour la fabrication de revêtements de nanosphères utilisés comme masques pour une gravure ultérieure. Ceci est probablement dû au fait qu'à faible vitesse de rotation, l'équilibre des forces agissant sur les nanosphères est perturbé. En raison de la faible force centrifuge, le flux de nanosphères vers le bord du substrat n'est pas suffisant pour compenser le flux capillaire de la suspension dans la région centrale. Au contraire, la vitesse de rotation élevée (> 3500 tr/min), qui facilite le processus d'évaporation et augmente la force centrifuge, crée un grand nombre de vides dans le réseau (Fig. 3d), car la majeure partie de la suspension est rejetée de la surface du substrat. De plus, le solvant s'évapore plus vite que les nanosphères n'ont le temps de s'auto-assembler en un réseau hexagonal22. La vitesse de rotation optimale de 3300 tr/min a été trouvée expérimentalement, à laquelle la zone de couverture était de 98,6% et il n'y avait presque pas de bicouches (0,7%) (Fig. 3c). Avec une augmentation supplémentaire de la vitesse de rotation, les bicouches disparaissent complètement, mais la zone de couverture totale du substrat diminue fortement.

( a ) Graphique de la dépendance de la zone de couverture du substrat par monocouche et bicouche de nanosphères de PS sur la vitesse de rotation ; ( b – d ) microphotographies de revêtements de nanosphères obtenus à différentes vitesses de rotation.

Dans la prochaine série d'expériences, nous avons déterminé la quantité optimale de solution aqueuse de nanosphères, qui a été extraite d'une solution achetée et centrifugée. Ensuite, l'eau en a été retirée et enfin les sphères sèches ont été mélangées avec un solvant sous forme d'alcool isopropylique et de propylène glycol.

Comme on peut le voir sur le graphique (Fig. 4a), une bonne zone de couverture proche de 100 % est obtenue à la teneur en nanosphères (dans ce cas, le rapport en pourcentage du volume de la solution aqueuse de nanosphères discutée ci-dessus au volume total d'isopropyle et de propylène glycol) à partir de 29 %. Des valeurs de contenu plus petites produisent un grand nombre d'espaces vides sur le substrat, comme on peut le voir sur la figure 4b. Cependant, le nombre de bicouches commence à augmenter fortement à une teneur en nanosphères de 37 % et plus. Cela indique qu'aux paramètres technologiques sélectionnés de la vitesse et du temps de rotation, une plus grande quantité de polystyrène reste sur le substrat que nécessaire pour le revêtement monocouche compact (Fig. 4d). Par conséquent, une teneur en nanosphères de 29 % a été sélectionnée pour d'autres expériences, correspondant au volume de la solution aqueuse de nanosphères initialement échantillonnée de 40 ul. À cette valeur choisie, la zone de couverture était égale à 95,3 % et il n'y avait pas de bicouches (Fig. 4c).

( a ) Graphique de la dépendance de la zone de couverture du substrat par monocouche et bicouche de nanosphères de PS sur le contenu des nanosphères en solution ; ( b – d ) microphotographies de revêtements de nanosphères obtenus à différentes teneurs en nanosphères en solution.

La viscosité de la solution a également un effet significatif sur l'évaporation du solvant et l'auto-assemblage des nanosphères, et donc sur la surface de couverture et le nombre de bicouches. La viscosité de la solution peut être contrôlée en modifiant les concentrations relatives d'alcool isopropylique et de propylène glycol dans la solution. Les nanosphères sans solvant ne sont pas capables de s'auto-assembler en un emballage hexagonal dense, car il existe des forces de répulsion électrostatiques entre elles, qui sont surmontées par les forces de tension superficielle résultant des porteurs de solvant dans la solution colloïdale38. De plus, le propylène glycol, qui possède deux groupes O–H et une petite chaîne hydrophobe, mouille la surface du polystyrène plus fortement que l'eau et l'alcool isopropylique, il réduit donc les interactions hydrophobes des nanosphères dans le solvant, ce qui empêche les processus de réorientation et de compactage des particules39. Comme on peut le voir sur le graphique (Fig. 5a), l'augmentation de la teneur en alcool isopropylique (dans ce cas le rapport en pourcentage du volume d'alcool au volume total de nanosphères et de propylène glycol) de 23 à 103 % conduit à diminuer la surface de couverture totale du substrat, tandis que le nombre de régions bicouches diminue également et est proche de 0 à une teneur en isopropyle supérieure à 83 %. Ceci est probablement dû au fait que le petit volume d'isopropyle, qui a une viscosité légèrement supérieure à la viscosité de l'eau, s'évapore très rapidement. Par conséquent, seul le propylène glycol avec une viscosité beaucoup plus élevée reste dans la solution, et il devient plus difficile pour les nanosphères de se déplacer à travers la surface du substrat avec une telle viscosité de solution excessive. En conséquence, plus d'une monocouche reste sur le substrat (Fig. 5b). L'augmentation de la teneur en isopropyle dans la solution conduit à un revêtement plus raréfié et non uniforme (Fig. 5d). En raison de la diminution de la concentration relative de propylène glycol, les forces de compactage ne sont pas capables de surmonter la barrière des interactions hydrophobes pour ordonner les particules, à la suite de quoi les nanosphères sont fixées de manière aléatoire sur le substrat. Ainsi, la valeur optimale de la teneur en isopropyle dans la solution s'est avérée être de 83 %, correspondant au volume d'alcool de 80 µl. À cette valeur choisie, le substrat est rempli d'un réseau compact à 97, 6% et il y a environ 0, 6% de zones de bicouche (Fig. 5c).

( a ) Graphique de la dépendance de la zone de couverture du substrat par monocouche et bicouche de nanosphères de PS sur la teneur en isopropyle en solution ; ( b – d ) microphotographies de revêtements de nanosphères obtenus à différentes teneurs en isopropyle en solution.

Il est à noter qu'une solution achetée de nanosphères d'une taille donnée, bien qu'en petite quantité, contient initialement de grosses sphères de polystyrène. Par conséquent, dans certains cas, comme illustré dans l'encadré de la figure 5c, cette seule grande sphère peut agir comme un centre de nucléation pour les zones multicouches de petites sphères qui l'entourent. Ces zones ont également été incluses dans le pourcentage total de couverture bicouche du substrat pour une étude plus objective.

Il ressort du tracé de la Fig. 6a que l'absence totale de propylène glycol dans la solution conduit à une faible surface de couverture totale du substrat (≈ 78%), avec la formation d'un revêtement complètement non monocouche. Ceci est probablement lié à l'impossibilité d'auto-assemblage des nanosphères en raison de leur mauvaise mouillabilité par l'isopropyle et du fort effet des interactions hydrophobes entre les nanosphères dans le solvant sans ajout de propylène glycol dans la solution. Cette hypothèse est confirmée par la microphotographie (Fig. 6b) démontrant la formation de régions multicouches désordonnées de nanosphères en l'absence de propylène glycol dans la solution. On peut également voir sur le graphique (Fig. 6a) qu'avec l'augmentation de la teneur en propylène glycol (dans ce cas le rapport en pourcentage du volume de propylène glycol au volume total de nanosphères et d'alcool) de 16 à 33%, il y a une légère diminution de la zone de couverture du substrat par une monocouche de nanosphères et une disparition presque complète des zones bicouches. À cet égard, la teneur de 33 % a été choisie comme valeur optimale de la teneur en propylène glycol dans la solution, correspondant au volume de propylène glycol de 40 µl, à laquelle la zone de couverture du substrat avec une monocouche compacte de nanosphères est de 98,5 %, et il y a environ 0,8 % de zones bicouches (Fig. 6c). Au fur et à mesure que la teneur en propylène glycol augmente, la viscosité de la solution devient probablement trop élevée pour le processus d'auto-assemblage normal et un nombre important de vides apparaît, comme le montre la figure 6d.

( a ) Graphique de la dépendance de la zone de couverture du substrat par monocouche et bicouche de nanosphères de PS sur la teneur en propylène glycol en solution ; ( b – d ) microphotographies de revêtements de nanosphères obtenus à différentes teneurs en propylène glycol en solution.

La dernière série d'expériences visait à déterminer la nature de l'influence du temps de spin-coating sur la zone de couverture du substrat en mono- et bicouche de nanosphères. Selon le tracé obtenu illustré à la Fig. 7a, lorsque le temps de rotation est inférieur à 10 s, un nombre important de zones bicouches sont formées, illustrées à la Fig. 7b. Cela est dû au fait que la majeure partie de la suspension reste toujours sur le substrat et que le solvant n'a pas le temps de s'évaporer. De plus, en plus des bicouches, un temps de rotation court lors du processus de spin-coating a formé un épaississement à la périphérie du substrat, qui a coulé sur une grande surface du substrat et réduit sa surface de travail. Au contraire, à des temps de revêtement par centrifugation supérieurs à 10 s, comme il ressort du tracé (Fig. 7a) et de la microphotographie (Fig. 7d), la formation de vides a été observée, car à ce moment, probablement, trop de nanosphères quittent le substrat. En utilisant les dépendances obtenues, le temps optimal de spin-coating a été choisi pour être de 10 s (Fig. 7c).

( a ) Graphique de la dépendance de la zone de couverture du substrat par monocouche et bicouche de nanosphères de PS sur le temps de revêtement par centrifugation ; ( b – d ) microphotographies de revêtements de nanosphères obtenus à différents temps de revêtement par centrifugation.

Les paramètres technologiques optimaux du processus de lithographie des nanosphères pour obtenir le réseau hexagonal compact de nanosphères de polystyrène d'un diamètre de 300 nm ont été déterminés sur la base de l'analyse des données expérimentales obtenues (tableau 1). Pour vérifier la reproductibilité des résultats, cinq expériences avec les paramètres optimaux sélectionnés ont été menées, et la zone de couverture avec mono- et bicouche a été estimée pour chacune (tableau 2). En conséquence, la zone de couverture moyenne du substrat avec une monocouche de nanosphères (diamètre 300 nm) était de 97,8 %, avec un petit nombre de régions bicouches (0,5 %).

Pour estimer la précision caractérisant la reproductibilité des résultats, la moyenne quadratique relative a été calculée selon la formule (1)

où \({x}_{i}\) est la zone de couverture monocouche du substrat dans chaque expérience, \(\overline{x }\) est la valeur moyenne de la zone de couverture monocouche du substrat, et n est le nombre d'expériences, égal à 5. Ainsi, l'erreur quadratique moyenne relative était de 1,37 %, ce qui peut être considéré comme un résultat tout à fait acceptable.

Il est bien connu que les réseaux auto-assemblés sont caractérisés par des domaines individuels, ou comme on les appelle, des grains, qui peuvent être orientés différemment, mais à l'intérieur desquels les sphères sont strictement ordonnées dans un réseau hexagonal avec une orientation. Afin d'estimer le degré d'ordre des revêtements résultants, une transformée de Fourier d'images SEM couvrant différentes zones a été effectuée. Les images de Fourier 2D correspondantes des matrices sont présentées dans les encarts des Fig. 8a – c. La zone couverte maximale, où un domaine ordonné hexagonal avec une orientation a été obtenu, s'est avérée être de 1535 μm2, comme le confirment les pics de l'image de Fourier situés aux sommets de l'hexagone régulier (Fig. 8a). Cependant, malgré l'ordre, les dislocations peuvent également être présentes dans un domaine et sont clairement visibles dans les images SEM à fort grossissement (Fig. 8b, c). À l'aide du logiciel HEXI, le pourcentage de zones défectueuses dans chaque image a été calculé. Les nanosphères compactes sont marquées de cercles verts et les nanosphères entrant dans les zones de dislocation sont marquées de cercles rouges (Fig. 8d – f). Le pourcentage de dislocations résultant était de 22 % dans une zone de 1 535 µm2 (Fig. 8d), 24 % dans une zone de 175 µm2 (Fig. 8e) et 25 % dans une zone de 45 µm2 (Fig. 8f).

Analyse qualitative et quantitative du réseau hexagonal sur différentes zones de substrat (a–c) à l'aide de la transformée de Fourier et du traitement HEXI.

La prochaine étape pour obtenir un réseau de nanostructures de silicium d'une certaine géométrie est le processus de réduction de la taille des nanosphères de polystyrène dans un plasma d'oxygène à couplage inductif, pour former un réseau ordonné et non compact avec des espaces entre les nanosphères. Pour une réduction contrôlée de la taille des nanosphères dans le plasma d'oxygène, il est nécessaire d'étudier les régularités physico-chimiques du processus de gravure du polystyrène, ainsi que les processus se produisant dans le plasma lors de la gravure. À cet égard, la nature de l'influence des principaux paramètres technologiques du procédé (puissance haute fréquence (HF), temps de gravure, tension de polarisation sur le porte-substrat, pression dans la chambre et débit d'oxygène) sur la vitesse de gravure et le diamètre des nanosphères a été déterminée.

La gravure du polystyrène dans un plasma d'oxygène se produit par rupture du cycle aromatique, formation de groupes fonctionnels contenant de l'oxygène à la surface et formation ultérieure de produits volatils tels que le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone40. Les figures 9c à h montrent comment la taille des nanosphères gravées à différentes puissances HF pendant 1 min change. D'après le graphique (Fig. 9a), on peut observer que la vitesse de gravure du polystyrène augmente de manière monotone de 83 à 175 nm/min lorsque la puissance appliquée passe de 250 à 500 W. Cette nature de la dépendance est liée au fait qu'avec l'augmentation de la puissance absorbée, la concentration et l'énergie moyenne des électrons dans le plasma augmentent, par conséquent, l'intensité des collisions inélastiques des électrons avec les molécules d'oxygène augmente. En conséquence, cela conduit à une formation plus efficace de particules actives telles que des radicaux et des ions qui réagissent avec le polystyrène41. Ceci est confirmé par la concentration croissante d'oxygène atomique dans le plasma lorsque la puissance appliquée est augmentée (Fig. 9b).

( a ) Tracé de la dépendance du diamètre de la nanosphère et du taux de gravure sur la puissance HF appliquée; (b) tracé de la dépendance de la concentration en atomes d'oxygène sur la puissance HF appliquée ; ( c – h ) microphotographies de masque de nanosphère obtenues à une puissance HF variable.

Ensuite, la réduction de la taille des nanosphères à différents temps de gravure a été étudiée, alors que les autres paramètres technologiques restaient constants. Comme on peut le voir sur le graphique (Fig. 10a), le diamètre des nanosphères diminue de 240 à 15 nm lorsque le temps de gravure est augmenté de 1 à 5 min, tandis que la vitesse de gravure change de manière insignifiante. Lorsque les nanosphères sont encore suffisamment grosses, pendant les 2 premières min de gravure, des ponts d'une longueur d'environ 50 nm se forment entre elles, grâce auxquels les nanosphères sont bien stabilisées dans leurs positions initiales (Fig. 10b). La formation de tels ponts est causée par la tendance des nanosphères à réduire l'énergie de surface42. En augmentant encore le temps de gravure, ces ponts, comme les sphères, sont gravés dans le plasma d'oxygène et disparaissent (Fig. 10c). Après cela, les nanosphères peuvent commencer à se déplacer le long de la surface du substrat, car leur taille à ce moment-là diminue fortement, par conséquent, la zone de contact avec le substrat diminue également43. De plus, comme on peut le voir sur les Fig. 10d – f, lorsque le temps de gravure a atteint 3 min, les nanosphères se sont déformées, prenant une forme irrégulière. À cet égard, pour d'autres expériences, le temps de gravure optimal de 2 min a été choisi, au cours duquel les nanosphères sont encore bien stabilisées à leur place, sont de forme circulaire et ont un diamètre ≈ 210 nm (Fig. 10c).

( a ) Graphique de la dépendance du diamètre de la nanosphère et de la vitesse de gravure sur le temps de gravure ; ( b – f ) microphotographies de masque de nanosphère obtenues à différents temps de gravure.

La pression dans la chambre de réaction détermine à la fois la répartition énergétique des électrons et des ions et le nombre de réactions chimiques se produisant à la surface du matériau traité. Ainsi, à mesure que la pression du gaz augmente, l'énergie des ions bombardant la surface diminue en raison de la diminution du libre parcours moyen des particules. De plus, l'énergie moyenne des électrons, qui détermine le taux de génération de particules d'oxygène actif, diminue également44. Comme on peut le voir sur le graphique (Fig. 11a) et les microphotographies (Fig. 11c – g), la vitesse de gravure des nanosphères de polystyrène a diminué de 115 à 47 nm / min lorsque la pression dans la chambre a été augmentée de 0, 4 à 1, 25 Pa. Cependant, la dépendance de la concentration d'atomes d'oxygène sur la pression illustrée à la Fig. 11b ne montre qu'une légère augmentation de l'oxygène atomique avec l'augmentation de la pression. Ainsi, nous supposons que la contribution du composant physique (c'est-à-dire le bombardement ionique) au processus de gravure du polystyrène l'emporte dans ce cas sur la contribution du composant chimique (c'est-à-dire la réaction chimique).

( a ) Tracé de la dépendance du diamètre de la nanosphère et du taux de gravure à la pression dans la chambre ; (b) tracé de la dépendance de la concentration en atomes d'oxygène sur la pression dans la chambre ; ( c – g ) microphotographies de masque de nanosphère obtenues à une pression variable dans la chambre.

De plus, la diminution de l'intensité du bombardement ionique de la surface avec l'augmentation de la pression est confirmée par le fait qu'à basse pression (<1 Pa) et à énergie ionique plus élevée, les nanosphères prennent une forme irrégulière (Fig. 11c – e). L'intensité du bombardement ionique est principalement déterminée par l'amplitude du potentiel de polarisation négative sur le substrat, qui a également une grande influence sur la vitesse de gravure et la morphologie des nanosphères45. Comme on peut le voir sur le graphique (Fig. 12a), une tension de polarisation plus élevée conduit à un bombardement plus efficace du matériau, donc à une vitesse de gravure plus élevée. À savoir, à mesure que le module de la tension de polarisation sur le porte-substrat augmente de 12 à 100 V, le diamètre des nanosphères traitées au plasma diminue de 207 à 14 nm (Fig. 12b – f).

( a ) Tracé de la dépendance du diamètre de la nanosphère et du taux de gravure sur la tension de polarisation sur le porte-substrat ; ( b – f ) microphotographies de masque de nanosphère obtenues à une tension de polarisation variable.

La dernière série d'expériences visait à déterminer la nature de l'influence du débit d'oxygène sur la vitesse de gravure des nanosphères de polystyrène. Malgré le fait que la concentration d'oxygène atomique augmente d'environ deux fois lorsque le débit d'oxygène passe de 9 à 15 sccm (Fig. 13b), la vitesse de gravure du polystyrène ne montre pas de changements significatifs et reste à un niveau moyen de 82 nm/min (Fig. 13a, c – g). Probablement, dans la gamme choisie de paramètres technologiques, la faible variation de la vitesse de gravure en fonction du débit d'oxygène est liée au fait qu'il existe une certaine quantité d'oxygène suffisante pour saturer le processus de gravure chimique27. En d'autres termes, nous supposons que dans notre cas, le débit de 9 sccm est suffisant pour saturer la surface du polystyrène avec des groupes fonctionnels, et une légère augmentation supplémentaire du débit à 15 sccm n'affecte pas de manière significative la probabilité d'interaction des atomes d'oxygène avec des atomes de carbone dans le polystyrène.

( a ) Tracé de la dépendance du diamètre de la nanosphère et du taux de gravure sur le débit d'oxygène; (b) tracé de la dépendance de la concentration en atomes d'oxygène sur le débit d'oxygène ; ( c – g ) microphotographies de masque de nanosphère obtenues à différents débits d'oxygène.

En conséquence, des nanostructures de silicium sous la forme de nanoaiguilles de différentes tailles ont été fabriquées à l'aide de la technologie développée de lithographie par nanosphères. À cette fin, lors de la première étape, des masques de nanosphères ordonnés et compacts ont été formés à l'aide de la technique de revêtement par centrifugation. Ensuite, par PCE dans du plasma d'oxygène, les tailles des nanosphères ont été réduites à différentes valeurs (220, 175 et 115 nm), comme le montre la Fig. 14aI – III. Enfin, une gravure plasma-chimique du silicium sur le masque formé a été réalisée dans un mélange gazeux SF6 / C4F8, résultant en des réseaux de nanoaiguilles avec des diamètres de base allant de 70 à 125 nm, avec des diamètres d'aiguille allant de 10 nm (rapport d'aspect supérieur à 90) à 50 nm, et des hauteurs allant de 170 à 1000 nm selon la taille initiale des nanosphères (Fig. 14bI – III). Il est à noter que les dimensions des nanostructures ont été estimées en valeurs moyennes à partir de mesures de plusieurs aiguilles.

(a) Microphotographies de masques de nanosphères avec différentes tailles de nanosphères ; (b, c) microphotographies de réseaux de nanoaiguilles après gravure de Si dans un plasma SF6/C4F8 ; (d) microphotographies de réseaux de nanoaiguilles après élimination des nanosphères dans le plasma O2. Microphotographies prises à un angle de 45°.

Après la gravure du silicium, des résidus de polystyrène subsistaient encore sur le dessus des nanoaiguilles (Fig. 14cI – III), qui ont été éliminés par traitement au plasma d'oxygène. Le temps optimal de gravure au plasma pour l'élimination complète des nanosphères de polystyrène a été contrôlé en temps réel à l'aide de la méthode de spectroscopie d'émission optique par des changements dans les raies spectrales spécifiques au polystyrène. La figure 15 montre le spectre d'émission du plasma pendant le processus de gravure. On peut identifier les raies de l'oxygène (844 et 777 nm) et la raie appartenant au carbone ou à l'hydrogène, qui ont des valeurs très proches de la longueur d'onde d'émission (respectivement 656,28 et 656,87 nm) et ne peuvent pas être identifiées exactement. Cependant, le carbone et l'hydrogène sont formés à la suite de la division de la chaîne polymère et du détachement des atomes par des particules d'oxygène actif dans le plasma. Par conséquent, cette ligne peut être utilisée pour déterminer le point final du processus de gravure du polystyrène. La variation temporelle de l'intensité de la raie d'émission H/C est clairement visible sur la vue agrandie de la Fig. 15. On peut observer qu'à mesure que le temps de nettoyage au plasma d'oxygène augmente, l'intensité de la raie H/C diminue progressivement et s'approche de 0 lorsque la gravure au plasma atteint 30 min. Cela indique la disparition des sous-produits de réaction à ce moment, donc l'élimination des nanosphères de polystyrène de la surface des nanostructures de silicium (Fig. 14d).

Spectres d'émission enregistrés lors de la gravure du polystyrène dans un plasma d'oxygène.

Ainsi, après la formation du masque de nanosphères, le processus de fabrication de nanoaiguilles de silicium, qui comprend la réduction de la taille des nanosphères dans le plasma d'oxygène, la gravure du silicium et l'élimination des résidus de polystyrène de la surface des nanostructures, peut être mené en un seul cycle technologique sans étapes supplémentaires de déchargement de l'échantillon dans l'atmosphère. De plus, il est possible d'utiliser la méthode OES comme contrôle in situ du point final de la gravure du polystyrène pour déterminer le temps d'élimination complète des nanosphères de polystyrène de la surface de l'échantillon.

Au cours de cette étude, la technologie de spin-coating a été développée pour créer un revêtement monocouche compact sur le substrat à l'aide de nanosphères d'un diamètre de 300 nm. A cet effet, l'influence des principaux paramètres technologiques du procédé de spin-coating sur le processus d'évaporation du solvant dans la suspension colloïdale et, par conséquent, le processus d'auto-assemblage des nanosphères sur le substrat, a été étudiée expérimentalement. Il a été constaté qu'à des vitesses de centrifugation inférieures à 3300 tr/min, un temps de revêtement par centrifugation inférieur à 10 s et des teneurs en isopropyle et propylène glycol inférieures à 83 et 33 %, respectivement, un nombre important de doubles couches se formaient. L'augmentation des paramètres énumérés au-dessus de ces valeurs limites a entraîné non seulement la disparition des bicouches, mais également la diminution de la surface de couverture totale du substrat. Une dépendance inverse a été observée pour la teneur en nanosphères en solution, avec l'augmentation de laquelle de 8 à 43 % la surface de couverture du substrat est passée de 50 à 99,5 %. Cependant, de même, il y avait une valeur limite du contenu (33%), après quoi des bicouches sont apparues en plus de la monocouche compacte de nanosphères. Sur la base des résultats obtenus, les paramètres technologiques optimaux du processus de lithographie nanosphère ont été sélectionnés et un revêtement nanosphère monocouche a été obtenu avec une zone de couverture de 97,8 % sur la zone de travail du substrat Si 76 mm et une reproductibilité du processus de 98,6 %. Il convient de noter que les paramètres sélectionnés sont adaptés au revêtement par centrifugation utilisant un substrat Si de 76 mm (dans une gamme étudiée de paramètres technologiques), mais peuvent être étendus et utilisés pour trouver des conditions pour d'autres tailles de substrat.

De plus, dans ce travail, nous avons montré qu'en utilisant la gravure de nanosphères de polystyrène dans un plasma d'oxygène à couplage inductif, il est possible de contrôler facilement la taille des nanosphères et les distances entre elles, et, par conséquent, la taille des nanostructures de silicium gravées à travers le masque de nanosphère. A cet effet, l'influence des paramètres technologiques PCE (puissance HF, tension de polarisation sur le porte-substrat, pression dans la chambre, débit d'oxygène et temps de gravure) sur la vitesse de gravure des nanosphères de polystyrène et leur diamètre a été étudiée. Lorsque la puissance HF a été augmentée de 250 à 500 W, la vitesse de gravure du polystyrène a augmenté de 83 à 175 nm/min, ce qui a été confirmé par l'augmentation de la concentration d'oxygène atomique dans le plasma, d'environ 3 fois. Au contraire, la vitesse de gravure a diminué de 115 à 47 nm/min lorsque la pression a été augmentée de 0,4 à 1,25 Pa à concentration constante d'oxygène atomique. Par conséquent, il a été conclu que le bombardement ionique apportait la principale contribution au processus de gravure dans ce cas. En conséquence, en utilisant la technologie développée, des nanoaiguilles de silicium de différentes tailles avec un rapport d'aspect maximal de plus de 90 ont été créées.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours ne peuvent pas être partagés pour le moment car les données font également partie d'une étude en cours, mais sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Mizuta, H. & Oda, S. Approche ascendante de la nanoélectronique au silicium. Microélectron. J. 39, 171-176 (2008).

Article CAS Google Scholar

Ravipati, S., Kuo, CJ, Shieh, J., Chou, CT & Ko, FH Fabrication et propriétés d'émission de champ améliorées de nouvelles nanostructures de silicium. Microélectron. Fiab. 50, 1973-1976 (2010).

Article CAS Google Scholar

Chau, YFC et al. Fabrication et caractérisation d'un réseau de nanotiges métalliques-diélectriques par lithographie de nanosphères pour une application de détection plasmonique. Nanomatériaux 9, 1691 (2019).

Article CAS Google Scholar

Dong, Z. et al. Plasmonique interbande ultraviolette avec des nanostructures de Si. Nano Lett. 19, 8040–8048 (2019).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Staude, I. & Schilling, J. Nanophotonique au silicium inspirée des métamatériaux. Nat. Photon. 115(11), 274–284 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

De la Torre, J. et al. Utilisation de nanostructures de silicium pour l'amélioration de l'efficacité des cellules solaires en silicium. Films solides minces 511–512, 163–166 (2006).

Article Google Scholar

Yu, P. et al. Conception et fabrication de nanofils de silicium vers des cellules solaires efficaces. Nano Today 11, 704–737 (2016).

Article CAS Google Scholar

Liu, Y., Kim, M., Cho, SH & Jung, YS Nanostructures alignées verticalement pour une plate-forme SERS-active fiable et ultrasensible : stratégies de fabrication et d'ingénierie. Nano Aujourd'hui 37, 101063 (2021).

Article CAS Google Scholar

Goldberger, J., Hochbaum, AI, Fan, R. & Yang, P. Transistors à effet de champ à nanofils intégrés verticalement au silicium. Nano Lett. 6, 973–977 (2006).

Article ADS CAS Google Scholar

Chen, KI, Li, BR & Chen, YT Biocapteurs à base de transistors à effet de champ à nanofils de silicium pour le diagnostic biomédical et l'étude de l'enregistrement cellulaire. Nano Today 6, 131–154 (2011).

Article CAS Google Scholar

Lu, H. & Gang, C. Analyse de l'absorption optique dans les réseaux de nanofils de silicium pour les applications photovoltaïques. Nano Lett. 7, 3249–3252 (2007).

Article Google Scholar

Xu, NS & Huq, SE Nouveaux matériaux et applications de cathode froide. Mater. Sci. Ing. R Rep. 48, 47–189 (2005).

Article Google Scholar

Cheng, S., Hill, FA, Heubel, EV & Velasquez-Garcia, LF Source de rayons X à faible rayonnement utilisant une cathode d'émission de champ nanostructurée à basse tension et à haute densité de courant et une anode de transmission pour l'imagerie des tissus mous sans marqueur. J. Microelectromech. Syst. 24, 373-383 (2015).

CAS Google Scholar

Oguntoye, IO et al. Métasurfaces Huygens à nanodisque de silicium pour la détection portable et peu coûteuse de l'indice de réfraction et des biomarqueurs. ACS Appl. Nano-matière. 5, 3983–3991 (2022).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Huang, J., Fan, D., Ekinci, Y. & Padeste, C. Fabrication de nanofils et de nanopoints métalliques à ultra haute résolution par lithographie par interférence EUV. Microélectron. Ing. 141, 32–36 (2015).

Article CAS Google Scholar

Agam, MA Une enquête sur les processus physiques dans la lithographie de la nanosphère. (2006).

Colson, P., Henrist, C. & Cloots, R. Lithographie par nanosphère : une méthode puissante pour la fabrication contrôlée de nanomatériaux. J. Nanomater. 2013, 21 (2013).

Article Google Scholar

Thangamuthu, M., Santschi, C. & Martin, OJF Masques colloïdaux fiables de Langmuir Blodgett pour la réalisation de nanostructures à grande surface. Films solides minces 709, 138195 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Khanna, S. et al. Fabrication d'une monocouche compacte à longue portée de nanosphères de silice par revêtement par centrifugation. Surfaces de colloïdes A Physicochem. Ing. Aspic. 553, 520–527 (2018).

Article CAS Google Scholar

Chen, J. et al. Fabrication contrôlable de films cristallins colloïdaux 2D avec des nanosphères de polystyrène de différents diamètres par spin-coating. Appl. Le surf. Sci. 270, 6-15 (2013).

Article ADS CAS Google Scholar

Banik, M. & Mukherjee, R. Fabrication de cristaux colloïdaux 2D ordonnés sur des substrats plats et à motifs par revêtement par centrifugation. ACS Oméga 3, 13422–13432 (2018).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, C., Cvetanovic, S. & Pearce, JM Fabrication de réseaux nanostructurés 2D commandés à l'aide de la lithographie par nanosphères. MéthodesX 4, 229–242 (2017).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Colson, P., Cloots, R. & Henrist, C. Conception expérimentale appliquée au revêtement par centrifugation de masques cristallins colloïdaux 2d : Une méthode pertinente ?. Langmuir 27, 12800–12806 (2011).

Article CAS PubMed Google Scholar

Chandramohan, A. et al. Modèle pour la couverture monocouche de grande surface de nanosphères de polystyrène par revêtement par centrifugation. Sci. Rep. 7, 1–8 (2017).

Article Google Scholar

Park, B., Na, SY & Bae, IG Cristaux bidimensionnels uniformes de nanosphères de polystyrène fabriqués par une méthode de revêtement par centrifugation assistée par un tensioactif avec de l'éther tridécylique de polyoxyéthylène. Sci. Rep. 9, 1–9 (2019).

Annonces Google Scholar

Wang, QD et al. Technique de nanostructuration rapide basée sur le compactage serré de nanosphères de silice monocouche par revêtement par centrifugation. Sci. Chine Technol. Sci. 59, 1573-1580 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Akinoglu, EM, Morfa, AJ & Giersig, M. Comprendre la gravure au plasma anisotrope d'opales de polystyrène bidimensionnelles pour la fabrication de matériaux avancés. Langmuir 30, 12354–12361 (2014).

Article CAS PubMed Google Scholar

Yeom, J., Ratchford, D., Field, CR, Brintlinger, TH & Pehrsson, PE Découplage du diamètre et du pas dans les réseaux de nanofils de silicium fabriqués par gravure chimique assistée par métal. Adv. Fonct. Mater. 24, 106-116 (2014).

Article CAS Google Scholar

Plettl, A. et al. Cristaux non compacts à partir de sphères de polystyrène auto-assemblées par gravure plasma isotrope : ajouter de la flexibilité à la lithographie colloïdale. Adv. Fonct. Mater. 19, 3279-3284 (2009).

Article CAS Google Scholar

Morozov, IA et al. Étude de la gravure sèche d'un masque à sphère en latex sous oxygène. J.Phys. Conf. Ser. 1697(1), 012192 (2020).

Article CAS Google Scholar

Osipov, AA et al. Gravure à haute température de SiC dans un plasma à couplage inductif SF6/O2. Sci. Rép. 10, 1–10 (2020).

Article Google Scholar

Li, H., Zhou, Y. & Donnelly, VM Mesures optiques et par spectrométrie de masse de la dissociation dans les plasmas O2/Ar et NF3/Ar à basse fréquence, haute densité et à distance. J.Vac. Sci. Technol. A 38, 23011 (2020).

Article CAS Google Scholar

Domonkos, M., Jackivová, R. & Pathó, A. Algorithme d'analyse d'image pour la vérification de la symétrie hexagonale dans les nanostructures sphériques. Microélectron. Ing. 251, 111635 (2022).

Article CAS Google Scholar

Denkov, ND et al. Mécanisme de formation de cristaux bidimensionnels à partir de particules de latex sur des substrats. Langmuir 8, 3183–3190 (1992).

Article CAS Google Scholar

Zhao, Y. & Marshall, JS Revêtement Spin d'une suspension colloïdale. Phys. Fluides 20, 43302 (2008).

Article MATH Google Scholar

Ogi, T., Modesto-Lopez, LB, Iskandar, F. & Okuyama, K. Fabrication d'une monocouche de grande surface de particules de silice sur un substrat de saphir par une méthode de revêtement par centrifugation. Surfaces de colloïdes A Physicochem. Ing. Aspic. 297, 71–78 (2007).

Article CAS Google Scholar

Freddi, A. & Salmon, M. Introduction à la méthode Taguchi. Mécanique Springer Tracts. Ing. 2018, 159-180 (2019).

Article Google Scholar

Grewal, S. Une étude sur la lithographie de nanosphères à faible défaut et à grande surface. (2021).

Shishido, M. Préparation d'un film monoparticulaire ordonné à partir de solutions colloïdales à la surface de l'eau et transcription continue du film sur le substrat. Coll. Le surf. Un Physicochem. Ing. Aspic. 311, 32-41 (2007).

Article CAS Google Scholar

Vesel, A. Modification du polystyrène avec un plasma d'oxygène froid hautement réactif. Le surf. Revêtements Technol. 205, 490–497 (2010).

Article CAS Google Scholar

Savas, E. Observations des raies d'émission d'argon utilisées pour l'actinométrie des atomes de fluor dans les décharges RF de faible puissance. Appl. Phys. Lett. 48(16), 1042-1044 (1986).

Article ADS CAS Google Scholar

Lotito, V. & Zambelli, T. Jouer avec les tailles et les formes des particules colloïdales via des méthodes de gravure sèche. Adv. Interface colloïdale Sci. 299, 102538 (2022).

Article CAS PubMed Google Scholar

Chen, Y. et al. L'invention concerne un procédé de gravure au plasma facile et peu coûteux pour obtenir des réseaux monocouches non compacts à taille contrôlée de nanosphères de polystyrène. Nanomatériaux 9, 605 (2019).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chung, TH, Lee, YW, Joh, HM & Song, MA Dépendance à la pression de la fraction de dissociation et des caractéristiques d'émission optique dans les plasmas N2-Ar couplés par induction à basse pression. AIP Adv. 1, 032136 (2011).

Annonces d'article Google Scholar

Cho, YS et al. Gravure sèche de films cristallins colloïdaux. J. Colloid Interface Sci. 341, 209-214 (2010).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

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Cette recherche a été réalisée par l'Université polytechnique Pierre le Grand de Saint-Pétersbourg et soutenue dans le cadre du programme de leadership académique stratégique "Priorité 2030" de la Fédération de Russie (accord 075-15-2021-1333 du 30.09.2021).

Université polytechnique Pierre le Grand de Saint-Pétersbourg, Saint-Pétersbourg, 195251, Fédération de Russie

Artem A. Osipov, Alina E. Gagaeva, Anastasiya B. Speshilova, Ekaterina V. Endiiarova, Polina G. Bespalova, Ilya A. Belyanov, Kirill S. Tyurikov, Irina A. Tyurikova et Sergey E. Alexandrov

Institut de minéralogie du sud de l'Oural Centre fédéral de recherche en minéralogie et géoécologie de la branche de l'Oural de la RAS, Miass, région de Tcheliabinsk, 456317, Fédération de Russie

Artem A. Osipov & Armenak A. Osipov

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Tous les auteurs ont examiné le manuscrit. Tous les auteurs ont contribué à la discussion et ont fourni des commentaires utiles. AO, AG : Planification et conduite d'expériences ; AO, AG, EE : préparation du texte principal ; AS : Enquête sur les échantillons SEM ; KT, IT : Enquête ; BI : Logiciel ; AO, PB : Obtenir des financements ; SA Responsable du groupe de recherche, conseil et réflexion. Armenak A. Osipov. : Traitement et analyse d'images SEM dans le logiciel HEXI.

Correspondance à Alina E. Gagaeva.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Osipov, AA, Gagaeva, AE, Speshilova, AB et al. Développement d'une technologie de lithographie contrôlée par nanosphères. Sci Rep 13, 3350 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29077-y

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Reçu : 10 octobre 2022

Accepté : 30 janvier 2023

Publié: 27 février 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-29077-y

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