直邊衍射對(duì)鉻原子3維沉積特性的影響

肖宇馨，張文濤

（桂林電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，桂林541004）

直邊衍射對(duì)鉻原子3維沉積特性的影響

肖宇馨，張文濤*

（桂林電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，桂林541004）

為了研究基片的直邊衍射效應(yīng)對(duì)激光匯聚鉻原子沉積特性的影響，利用半經(jīng)典模型，采用改進(jìn)后的設(shè)定恰當(dāng)步長(zhǎng)的4階龍格-庫(kù)塔算法，模擬了鉻原子在直邊衍射激光駐波場(chǎng)中的3維運(yùn)動(dòng)軌跡和3維沉積光柵結(jié)構(gòu)，研究了衍射邊與反射鏡的距離、激光中軸線與基片表面的距離對(duì)激光匯聚原子沉積過(guò)程的影響。結(jié)果表明，基片擺放位置不同，沉積效果受到衍射效應(yīng)的影響程度也隨之改變；當(dāng)衍射邊到反射鏡的距離為0.81cm、激光中軸線與基片表面的距離為0.01mm時(shí)，納米光柵的半峰全寬最小，同時(shí)對(duì)比度最大。該研究成果為原子光刻實(shí)驗(yàn)提供了豐富的理論指導(dǎo)。

激光技術(shù)；直邊衍射；龍格-庫(kù)塔算法；3維沉積

引 言

近年來(lái)，激光捕獲技術(shù)已經(jīng)在原子光學(xué)領(lǐng)域中取得了顯著的進(jìn)步，利用近共振激光駐波場(chǎng)精確的操縱中性原子實(shí)現(xiàn)納米級(jí)條紋沉積技術(shù)是一種新型的研制納米結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)傳遞的方法，光柵結(jié)構(gòu)的間距可以作為納米長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)使用［1］。為衡量納米加工和制造精準(zhǔn)的程度，國(guó)際計(jì)量局對(duì)比了5個(gè)不同類型的納米樣品，結(jié)果表明，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的納米光柵測(cè)量結(jié)果達(dá)到國(guó)際同等水平［2］。在實(shí)際的沉積過(guò)程中，激光光束和基片邊緣構(gòu)成了直邊菲涅耳衍射的物理模型，基片的邊緣相當(dāng)于一個(gè)半無(wú)限大的不透明衍射屏，擋住了部分入射激光束的傳播，而反射光束可以看成是入射光束在反射鏡處的鏡像，疊加后就形成了衍射激光駐波場(chǎng)［3］。準(zhǔn)直后的中性原子束在激光駐波場(chǎng)偶極力的誘導(dǎo)下，向衍射駐波場(chǎng)的波峰（紅失諧）或波谷（藍(lán)失諧）處匯聚，將其沉積到基板上就實(shí)現(xiàn)了周期性納米圖案［4］。2011年，KORNEEV將基片邊緣放到匯聚光束的中心位置，使用干涉儀對(duì)直邊衍射現(xiàn)象進(jìn)行了光學(xué)測(cè)試，通過(guò)干涉圖對(duì)光學(xué)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)［5］。2012年，ABEDIN等人采用迭代菲涅耳積分方法對(duì)具有任意傾斜角度的矩形孔徑菲涅耳衍射進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并模擬了實(shí)際光學(xué)結(jié)構(gòu)的衍射圖樣［6］。國(guó)內(nèi)也已有相關(guān)研究小組對(duì)直邊衍射效應(yīng)下原子的沉積特性進(jìn)行了理論分析和研究。如2006年，GAO等人分析了傳輸相位光柵的衍射屬性，指出了衍射強(qiáng)度分布不僅取決于光柵的周期和狹縫寬度，還與光柵的光學(xué)厚度和入射光的波長(zhǎng)密切相關(guān)［7］。2012年，ZHANG等人利用數(shù)值計(jì)算對(duì)高斯激光直邊衍射強(qiáng)度分布進(jìn)行了仿真，進(jìn)一步解釋了激光駐波場(chǎng)形成的本質(zhì)，并與非衍射情況相比，討論了原子縱向速率和橫向速率對(duì)激光匯聚鉻原子沉積的影響［8-9］。

作者在直邊衍射模型的基礎(chǔ)上，研究了直邊衍射激光駐波場(chǎng)匯聚鉻原子的3維表現(xiàn)形式，采用直邊菲涅耳衍射的近似理論，運(yùn)用4階龍格-庫(kù)塔算法［10］，討論了基片的放置位置對(duì)鉻原子的3維運(yùn)動(dòng)軌跡分布和3維沉積光柵特性的影響。

1 直邊衍射激光駐波場(chǎng)的計(jì)算模型建立

對(duì)于直邊衍射高斯激光駐波場(chǎng)，根據(jù)標(biāo)量波的疊加理論，光強(qiáng)分布可由光場(chǎng)復(fù)振幅表示為［11］：

式中，h－＝h／（2π）為普朗克常量，δ為激光場(chǎng)失諧量，Is為原子飽和吸收強(qiáng)度，Γ為自然線寬。鉻原子在衍射駐波場(chǎng)中的拉格朗日函數(shù)為［13］：

式中，m是鉻原子的質(zhì)量；vx，vy，vz分別表示原子在x，y，z方向上的速率。本文中只考慮了保守偶極力的作用，因此，鉻原子束在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的總能量保持不變，由保守系的拉格朗日方程得：

則鉻原子在衍射駐波場(chǎng)中的3維運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：

那么：

又由于：

式中，x′和y′分別是x和y對(duì)z的1階微分，x″和y″為2階微分。

動(dòng)能為：

式中，W是原子的總能量。一般情況下E?U［14］，則有W＝E＝mvz2／2。由（5）式～（8）式可以得到：

由于直邊衍射擾動(dòng)駐波場(chǎng)中的光學(xué)勢(shì)阱U是離散值，傳統(tǒng)的4階龍格-庫(kù)塔算法不能直接對(duì)（9）式進(jìn)行求解，本文中在此基礎(chǔ)上對(duì)4階龍格-庫(kù)塔算法進(jìn)行改進(jìn)，并得到了衍射擾動(dòng)下鉻原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而可以分析3維沉積特性。

2 結(jié)果與分析

Fig.1 The basic principle model of laser-focused Cr atoms with straight edge diffraction

圖1 中給出了激光匯聚鉻原子沉積的直邊衍射模型。高斯激光束腰中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)O，準(zhǔn)直后的鉻原子束沿著z軸運(yùn)動(dòng)［15］，激光束沿著x軸傳播，反射鏡放置在坐標(biāo)原點(diǎn)O處，衍射邊到反射鏡的距離為x1，激光中軸線與基片表面的距離為b，激光駐波場(chǎng)束腰半徑為w0。

2.1 衍射邊到反射鏡的距離對(duì)3維沉積特性的影響

圖2和圖3中分別給出了x1為0.81cm和4.26cm時(shí)鉻原子的運(yùn)動(dòng)軌跡和3維沉積光柵結(jié)構(gòu)，其中共振激光波長(zhǎng)λ＝425.55nm，激光束腰w0＝0.1mm。在衍射邊逐漸遠(yuǎn)離激光束腰處的過(guò)程中，原子運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)沿著偏離衍射邊的方向移動(dòng)，導(dǎo)致沿著激光傳輸方向的運(yùn)動(dòng)軌跡不再對(duì)稱，最終使得沉積光柵的半峰全寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）增加。當(dāng)x1＞2cm時(shí)，y＝0平面的累積條紋的單峰結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分裂狀態(tài)，而y＝0平面兩側(cè)沉積條紋的單峰結(jié)構(gòu)惡化程度逐漸減弱，由于y＝0平面處匯聚鉻原子的能力最強(qiáng)，因此分裂狀態(tài)也最嚴(yán)重，此時(shí)對(duì)應(yīng)的3維沉積光柵會(huì)呈現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu)。另外，y＝0平面鉻原子的沉積數(shù)目最多，而y平面兩側(cè)的鉻原子的沉積數(shù)目逐漸減少，并且匯聚過(guò)程均落后于y＝0平面，只有當(dāng)實(shí)驗(yàn)參量的選擇適當(dāng)時(shí)，y平面的3維沉積光柵才會(huì)呈現(xiàn)高斯輪廓分布。

Fig.2 3-D trajectory of Cr atoms under different parameter x1

Fig.3 3-D deposition grating of Cr atoms under different parameter x1

Fig.4 The characteristics of deposition grating under different parameter x1

利用累積的方法，圖4中給出了衍射邊到反射鏡的距離不同時(shí)沉積條紋的FWHM及對(duì)比度C。當(dāng)x1＝0.81cm時(shí)，衍射激光駐波場(chǎng)中心位置處沉積條紋的FWHM為3.32nm，對(duì)比度為34.27，此處的沉積光柵質(zhì)量最佳；當(dāng)x1＞1cm后，沉積條紋的FWHM保持線性增加的趨勢(shì)，而對(duì)比度的范圍在30上下波動(dòng)；當(dāng)x1＝4.26cm時(shí)，鉻原子在衍射駐波場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著多次匯聚過(guò)程，其中心位置處沉積條紋的FWHM增至114.32nm，對(duì)比度為33.32，沉積光柵質(zhì)量嚴(yán)重惡化。

2.2 激光駐波場(chǎng)中軸線到基片表面的距離對(duì)3維沉積特性的影響

圖5和圖6中分別給出了b不同時(shí)鉻原子的運(yùn)動(dòng)軌跡和3維沉積光柵結(jié)構(gòu)，其中x1＝0.81cm。從運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，當(dāng)基片表面移動(dòng)到激光中軸線以上時(shí)，隨著b的增大，鉻原子會(huì)逐漸向衍射駐波場(chǎng)中心以下位置處匯聚，并且匯聚到基片表面的鉻原子數(shù)不斷減少，這是由于基片邊緣擋住了大部分激光光束的傳播，偶極力逐漸減小導(dǎo)致了鉻原子產(chǎn)生延后匯聚的現(xiàn)象。

Fig.5 3-D trajectory of Cr atoms under different parameter b

Fig.6 3-D deposition grating of Cr atoms under different parameter b

圖7 中給出了激光駐波場(chǎng)中軸線到基片表面距離不同時(shí)沉積條紋的半峰全寬及對(duì)比度。當(dāng)b＝－0.3w0時(shí)，衍射激光駐波場(chǎng)中心位置處沉積條紋的半峰全寬為11.98nm，對(duì)比度為26.38；當(dāng)b移動(dòng)到0.3w0以上時(shí)，沉積條紋的半峰全寬增大，同時(shí)對(duì)比度降低，導(dǎo)致沉積光柵的質(zhì)量迅速惡化；通過(guò)對(duì)不同基片縱向位置處的沉積條紋進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)b＝0.1w0時(shí)，衍射駐波場(chǎng)中沉積條紋的半峰全寬為3.19nm，對(duì)比度為41.20，此處3維沉積光柵效果與理想沉積效果最為接近，并且優(yōu)于如前所述b＝0處的沉積光柵效果。

Fig.7 The characteristics of deposition grating under different parameter b

3 結(jié) 論

基于半經(jīng)典理論，建立了鉻原子在直邊衍射激光駐波場(chǎng)的計(jì)算模型，利用改進(jìn)的4階龍格-庫(kù)塔算法對(duì)鉻原子的3維運(yùn)動(dòng)軌跡和3維沉積光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，基片邊緣的衍射效應(yīng)會(huì)影響最終的匯聚效果，通過(guò)調(diào)整適當(dāng)?shù)幕恢每梢垣@得質(zhì)量較好的納米光柵結(jié)構(gòu)，但最佳的沉積基片位置會(huì)隨著實(shí)驗(yàn)參量的改變而偏離激光中軸線位置，這將為原子光刻實(shí)驗(yàn)提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)信息。

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Effect of straight edge diffraction on 3-D deposition characteristics of Cr atom s

XIAO Yuxin，ZHANG Wentao
（Department of Electrical Engineering and Automation，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

In order to study the influence of straightedge diffraction on the deposition characteristics in the process of laser-focused Cr atoms，the improved fourth-order Runge-Kutta algorithm was adopted to simulate the 3-D trajectory and deposition grating of Cr atoms in the straight edge diffraction laser standing wave field based on the semi-classical model.The influence of the distance from diffraction edge to mirror and from laser medial axis to substrate surface on laser focused atomic deposition process were described.The results show that diffraction effect on the deposition effect will be changed by the different substrate placement.When the distance from diffraction edge to mirror equals 0.81cm and the distance from laser medial axis to substrate surface equals0.01mm，the full width at half maximum of nanograting reaches the minimum，at the same time，the contrast reaches the maximum.The research results provide a richer theoretical guidance for atomic lithography experiments.

laser technique；straight edge diffraction；Runge-Kutta algorithm；3-D deposition

O436

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.013

1001-3806（2014）06-0785-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11064002）；廣西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2013GXNSFDA019002）；廣西省科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)課題資助項(xiàng)目（桂科合1346010-5）；桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題資助項(xiàng)目（20130122-1）

肖宇馨（1989-），女，碩士研究生，現(xiàn)主要從事納米光柵計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)方面的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：glietzwt＠163.com

2013-11-07；

2013-12-04