Polozhii H. Beams formation in proton beam writing equipment

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0824U002745

Applicant for

Specialization

  • 104 - Фізика та астрономія

24-09-2024

Specialized Academic Board

ДФ1_6618

Institute of Applied Physics National Academy of Sciences of Ukraine

Essay

The thesis is dedicated to research of proton beam writing technology that is used for fabrication of small-sized structures with micro- and nanometer resolution. The thesis consists of an introduction, three chapters, conclusions, a list of used sources and two appendixes. The volume of the thesis is 172 pages of which 139 pages of the main part. The thesis contains 62 figures and 4 tables. The list of used sources consists of 100 items. The results of the research are published in 18 scientific publications of which are 5 articles in specialized scientific journals of Ukraine, 1 article in a foreign specialized scientific journal and 12 abstracts from scientific conferences. The aim of the thesis was in theoretical investigation of the possibility to increase resolution of proton beam writing technology to tens or ones of nanometers and experimental work on Ukrainian technology base related to proton beam writing. In the thesis, for the first time, computer simulation of the dynamics of the ion beam in probe-forming systems based on an orthomorphic quadruplet of magnetic quadrupole lenses with one, two, and three octupole lenses-correctors was carried out. The theoretical possibility of achieving a resolution of 10...100 nanometers has been demonstrated. A formalism has been developed that describes the algorithm for determining the power supply of octupoles for the full and partial correction of spherical aberrations of the third order using the matrizant method. Irradiation of samples has been improved thanks to the introduction of the vector method of proton-beam lithography of small-sized structures. The vector method was tested experimentally through the creation of small-sized structures on the channel of the nuclear scanning microprobe of the Sokil analytical accelerator facility of the Institute of Applied Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine. The control of the megaelectronvolt energy proton beam has been improved thanks to the implementation and testing in experimental work of the fast beam blanker system on the channel of the nuclear scanning microprobe of the Sokil accelerator complex of the IAP NASU. For the first time, experiments on proton beam writing on chitosan films, in particular chitosan films on a polycor substrate and thick chitosan films not attached to a solid substrate, covered with thin films of titanium, titanium nitride and zinc oxide, were carried out. Microstructures were obtained from computer-generated vector templates, as well as linear periodic structures in a chitosan film on a polycortical substrate due to focusing a proton beam into a line. The results of computer modeling of the dynamics of ion beams in probe-forming systems based on an orthomorphic quadruple of magnetic quadrupole lenses indicate the possibility of creating units for proton beam writing with a resolution of tens to ones of nanometers, which can be used in the production of nanoelectronics at the level of the best modern technological processes, while this technology is available for implementation in Ukraine in the near future with the need for much smaller investments than would be required for the implementation of hard ultraviolet (EUV) lithography. The technology of proton beam writing is well suited for the production of single and small-series samples, and the use of relatively simple to implement nanostamping technology will make it possible to scale production at least hundreds of times, which will make it possible to establish mass production of advanced nanoelectronics.

Research papers

S.V. Kolinko, I.S. Kolinko, H.E. Polozhii, A.G. Ponomarev Beam scanning control system for proton beam writing // East European Journal of Physics, 2021, № 3, 14028, p. 134 — 140

Polozhii H.E., Ponomarev A.G., Kolinko S.V., Rebrov V.A. Vector proton beam writing system // Problems of Atomic Science and Technology, 2022, No. 3, р. 52 — 55

Polozhii H.E., Ponomarev A.G., Kolinko S.V., Rebrov V.A. Vector proton beam writing system // Problems of Atomic Science and Technology, 2022, No. 3, р. 52 — 55

Ponomarev A.G., Kolinko S.V., Polozhii H.E., Rebrov V.A. High demagnification probe-forming systems with spherical aberration correction for a nuclear microprobe // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research. B, 2023, V. 543, p. 165102.

Ponomarev A.G., Kolinko S.V., Polozhii H.E., Rebrov V.A. High Resolution Probe-forming System With Spherical Aberration correction for nuclear microprobe // Problems of Atomic Science and Technology, 2023, No. 3, , р 153 — 157

H. Ye. Polozhii, A. G. Ponomarev, S. V. Kolinko, V. A. Rebrov, R. O. Shulipa, O. M. Kalinkevich, O. V. Kalinkevich Proton beam writing: World experience and prospectives in Ukraine // Nuclear Physics and Atomic Energy 2023, volume 24, issue 1, pages 72-80

Oksana Kalinkevich, Hlib Polozhii, Sergey Kolinko, Yevgen Zinchenko, Aleksei Kalinkevich, Sergei N. Danilchenko, Aleksandr G. Ponomarev, Ivan Yu. Protsenko Proton beam writing on chitosan films for bionanomedicine and microfluidics: pilot experiments // Proceedings of the 2020 IEEE 10th International Conference on "Nanomaterials: Applications and Properties", NAP 2020, Sumy State University, 9309570.

Калінкевич О. В., Положий Г.Є., Колінко С. В., Зінченко Є.І., Карпенко А.Ю., Батурин В.А., Пономарьов О.Г., Калінкевич О. М., Данильченко С.М., Controllable structures on the surface of natural polymers made by proton beam writing and femtosecond laser treatment // 7th International Conference "NANOBIOPHYSICS: Fundamental and Applied Aspects", October 4–8, 2021, B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the NAS of Ukraine, Kharkiv, Ukraine. р.51

O.M. Kalinkevich, O.V. Kalinkevich, E.I. Zinchenko, O.Yu. Karpenko, H.E. Polozhii, S.N. Danilchenko, A.M. Sklyar, I.Buchvarov, L.Angelova, A.Daskalova Chitosan-based nanostructured materials medicine // Proceedings of Ukrainian Conference with International Participation «Chemistry, Physics and Technology of Surface» devoted to the 35th anniversary of the Chuiko Institute of Surface Chemistry of NAS of Ukraine and Workshop «Nanostructures and Nanomaterials in Medicine : Challenges, Tasks and Perspectives». – Kyiv, 2021.

H.E. Polojiy, A.G. Ponomarev, S.V. Kolinko, V.A. Rebrov, V.F. Salivon Vector Proton-Beam Writing System // XXVII Іnternational conference on charged particle accelerators, September 21-24, 2021 Ukraine, Kharkov, р. 91-92

Положій Г. Є., Ребров В. А., Колінько С. В., Саливон В. Ф., Пономарьов О. Г., Калінкевич О. М., Калінкевич О. В., Зінченко Є. І. Вдосконалення каналу протонно-променевої літографії на АПК “СОКОЛ” в Інституті прикладної фізики НАН України // Сучасні проблеми експериментальної, теоретичної фізики та методики навчання фізики: матеріали VІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, молодих учених, науково-педагогічних працівників та фахівців з міжнародною участю, присвяченої 30-річчю незалежності України. м. Суми, 12-14 квітня 2021 р. – Суми: СумДПУ, 2021. – с. 66.

Г. Є. Положій, О. Г. Пономарьов, С. В. Колінько, В. А. Ребров, Р. О. Шуліпа Протонна літографія: Світовий досвід та перспективи в України // XХІХ щорічна наукова конференція Інституту ядерних досліджень НАН України (Київ, 26 - 30 вересня 2022 року), с.72-73.

A.G. Ponomarev, H.E. Polozhii, S.V. Kolinko, V.A. Rebrov, V.F. Salivon Proton beam writing of X-ray difraction gratings using a quadruplet of magnetic quadrupole lenses with individual power supplies // 18-th International conference on nuclear microprobe technology and applications (ICNMTA2022), September 11-16, 2022, Ljubljana, Slovenia, p. 89.

Пономарьов О.Г., Колінько С.В., Положій Г.Є. Формування пучка в установках протонно-променевої літографії високої роздільної здатності // Сучасні проблеми експериментальної, теоретичної фізики та методики навчання фізики: матеріали VІІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції з міжнародною участю, м. Суми, 24-26 жовтня 2022 р. – Суми: ІПФ НАН України, 2022. – с. 65.

Пономарьов О.Г., Колінько С.В., Ребров В.А., Положій Г.Є., Салівон В.Ф. Система скидання пучка зі зразка для каналу протонно-променевої літографії аналітичного прискорювального комплексу ІПФ НАН України // Сучасні проблеми експериментальної, теоретичної фізики та методики навчання фізики: матеріали VІІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції з міжнародною участю, м. Суми, 24-26 жовтня 2022 р. – Суми: ІПФ НАН України, 2022. – с. 64-65.

Положій Г. Є., Пономарьов О. Г., Ребров В. А., Колінько С. В., Салівон В. Ф., Калінкевич О. М., Калінкевич О. В., Шуліпа Р. О. Протонна літографія в Україні та світі // Сучасні проблеми експериментальної, теоретичної фізики та методики навчання фізики: матеріали ІХ Всеукраїнської науково-практичної конференції з міжнародною участю, м. Суми, 10-12 квітня 2023 року – с. 71-72.

Ponomarev A.G., Kolinko S.V., Polozhii H.E., Rebrov V.A. High demagnification probe-forming systems with spherical aberration correction for nuclear microprobe // Сучасні проблеми експериментальної, теоретичної фізики та методики навчання фізики: матеріали ІХ Всеукраїнської науково-практичної конференції з міжнародною участю, м. Суми, 10-12 квітня 2023 року – с. 13-15.

О.Г. Пономарьов, С.В. Колінько, Г.Є. Положій, В.А. Ребров Зондоформуючі системи високої роздільної здатності з корекцією сферичних аберацій для ядерного скануючого мікрозонду // XХІ конференція з фізики високих енергій та ядерної фізики (Харків, 21 - 24 березня 2023 року), с.13.

Files

Similar theses