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通过将光转换成声音来探测隐藏的纳米结构

更新时间:2020-07-11 18:04点击:

ARCNL的研究人员已经找到了一种方法,利用光诱发的高频声波探测埋在多层不透明材料下的纳米结构。他们的发现可以应用于半导体制造业,例如晶圆定位。研究人员还揭示了以前从未研究过的光声学有趣的新现象。他们的研究结果发表在《应用物理评论》上。第一作者斯蒂芬·爱德华于6月18日在阿姆斯特丹大学成功地捍卫了他的博士学位。

在生产先进的计算机芯片和元件时,纳米蚀刻机在晶圆上打印出几层纳米尺寸的结构。为了确保各层精确对齐,晶圆片中包含的光栅线作为标记,告诉机器在哪里打印。“虽然校准标记在纳米蚀刻术中是必不可少的,但它们会被埋在许多层材料之下。因为这些层通常是不透明的,很难用光来找到标记和排列机器,”Stephen Edward说,他在ARCNL的光物质相互作用小组进行了博士研究。

许多对光不透明的材料确实可以传输声波,这可以用来想象下面的东西。组长Paul Planken说:“大多数人在医疗情况下都很熟悉这个。回声镜使用高频声波在体内不同组织的界面反射。反射的声波被转换成电信号以形成图像。虽然这种方法包含了大多数医学应用的足够细节,但到目前为止,它还不够详细,无法在纳米蚀刻术中精确定位。用回声观测方法可以识别的特征的大小与频率成反比。所以为了能够看到带有声音的纳米级结构,我们需要更高频率的声波。”

普兰肯、爱德华和合著者们知道,激光发出的短光脉冲可以在不透明的材料中诱发如此高频率的声波。“这有点像敲门,声波传到门的另一边,”爱德华说。“在我们的实验中,激光的高能‘撞击’在不透明的材料中引发了声波。”

就像在医学应用中一样,声波在穿过材料时,会被材料内部的界面反射,从而产生声波,然后再返回到材料表面。刚开始的时候,研究人员不确定这个信号是否包含足够有用的信息。Planken说:“一开始我有点怀疑,因为声波要穿过很多层介电材料才能到达埋在里面的光栅。如果它们在所有这些界面上反射,我们就会得到一堆乱七八糟的声波。但事实证明,这些薄的介电层堆叠起来就像一层厚的层,因为每一层比声波的波长还要薄。所以声波直接传播到我们想要看到的埋在地下的光栅线。”

声音在光栅上反射。由于光栅不是一个平面,而是有周期性的谷和峰,因此谷中的声音到达表面的时间比峰中的声音稍晚一些。“当声波到达表面时,会对原子造成很小的位移,从而导致表面出现光栅的副本,”Edward解释道。“当我们用第二次激光脉冲扫描表面时,我们可以测量由这些小位移引起的衍射信号。”

既然他们已经证明了探测埋在不透明材料下的纳米结构是可能的,研究人员将进一步研究他们的方法。普兰肯说:“我们的结果不仅揭示了以前从未研究过的光声学有趣的特性,而且为纳米蚀刻技术的实际问题提供了一个有前途的解决方案。对于工业应用,我们应该优化系统以获得更强、更快和更健壮的信号。但是我们也想增加我们对信号中所看到的所有效果的理解,并发现我们方法的局限性,例如,通过尝试去分辨一个彼此非常接近的光栅。”