1.7 Исследование влияние рентгеновского облучения на с60

Развитие технологий производства фуллереновых пленок и устройств на основе фуллерена в больших масштабах потребовало исследований поведения фуллерен содержащих материалов в условиях эксплуатации. Давно известен факт о полимеризации и димеризации фуллерена под действие света [29-31]. Полимеризация – это процесс который приводит к образованию длинных цепочек из связанный между собой молекул фуллерена. При димеризации цепочка состоит соответственно из двух молекул С₆₀. Фотополимеризация чаще происходит по механизму циклоприсоединения, когда двойные связи внутри фуллерена рвутся и образовывается четырехзвенное углеродной кольцо. Если воздействие светом производится при наличии в пленке кислорода, может происходить процесс, называемый фотоассистированной диффузией. Скорость диффузии кислорода в пленке увеличивается и это приводит в итоге к образованию димера С₁₂₀О. Под действием давления и температур возможно образование и более сложных структур. Тем не менее физические и химические свойства фуллерена могут меняться в связи с полимеризацией.

В работе [31] рассматриваются аспекты радиационной химии и механизмов взаимодействия ионизирующего излучения (рентгеновские лучи и электроны) с твердой формой С₆₀ в целом и как резиста для рентгеновской литографии.

Рис. 26. Схематическое изображение первичных (фотоэффект) и вторичных (флуоресценция, Оже-электроны) электронов, появившиеся в результате облучения рентгенов [29].

Во время рентгеновского облучения только небольшая часть от изначальной дозы облучения поглощается в С₆₀ Большая часть (более 99%), проходит сквозь и захватывается подложкой (Si, Cr, Cu, Ag, Au, Pb, KBr, кварц). В результате взаимодействия с подложкой рождаются фотоны и электроны, которые частично поглощаются в подложке. Оставшиеся вторичные фотоны и электроны могут значительно влиять на фуллерен (рис. 26.). Интересным моментов этой работе являются результаты исследований структур из фуллерена синхротронным излучением. Оказалось, что на изображении структуры с кислородом появляются «трещины» из аморфного

а) б)

Рис. 27. Микроструктуры из углерода созданные на кремниевой основе с маской из фуллерена. а – бескислородный фуллерен, б – фуллерен, содержащий кислород [29].

углерода образовавшегося под действием облучения, и картина сильно искажается (рис. 27.).

Интересно, что при использовании С₆₀ в рентгеновской литографии, он ведет себя, как негативный резист. При низких дозах (1800 Дж/cм₂) количество возбужденных электронами молекул увеличивается за счет вторичной электронной эмиссии от подложки. Тем не менее, плотность возбужденных молекул фуллерена находится в таком диапазоне, где возбужденные молекулы окружены молекулами в их основном состоянии, что приводит к полимеризации. Полимеризованные области существенно снижают пространственное разрешение микроструктур, так как вторичные электроны распространятся не только по облученной области, проникая под рентгеновскую маску. Этот эффект хорошо известен в рентгеновской литографии, он тем сильнее, чем больше электронов испускает подложка и может быть уменьшен за счет использования таких подложек, которые испускают минимальное количество вторичных электронов. Возможные перспективы применения фуллеренов для рентгеновской литографии – это последующее преобразование микроструктур из чистого углерода в карбид кремния при отжиге.

При высоких дозах облучения (2830 Дж/cм²) плотность возбужденных электронов такова, что возбужденные молекулы окружены в основном другими возбужденными молекулами и таким образом препятствуют полимеризации. Этот эффект также увеличивается с увеличением числа вторичных электронов, и возникает главным образом на границе раздела между пленкой С₆₀ и подложкой, что приводит к снижению степени полимеризации внутри пленки по сравнению с поверхностью, но изменение степени полимеризации не сильно влияет на свойства С₆₀, как резиста. Низкая степень конверсии С₆₀ на границе не приводит к слипанию с микроструктурой. Тем не менее, при использовании С₆₀ с большими дозами синхротронного облучения, нужно использовать подложки, которые не эмитируют много вторичных электронов, а излучение надо делать малой интенсивности, чтобы поддерживалось оптимальное для полимеризации количество возбужденных молекул С₆₀.