CC BY
32
УДК 535.421
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СВЕРХЛОКАЛЬНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ НАНОЛИТОГРАФИИ
Александр Григорьевич Полещук
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, зав. лабораторией дифракционной оптики, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Сергей Константинович Голубцов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-технолог, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Александр Рашитович Саметов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, ведущий инженер, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Экспериментально исследован лазерный термохимический метод записи дифракционных структур в пленках хрома, основанный на локальном лазерном окисления при тепловом действии лазерного излучения. Экспериментально показана возможность прямой лазерной записи высококачественных дифракционных структур с размером зон менее 0.5 мкм, а также зазоров между зонами около 0.1 мкм.
Ключевые слова: дифракционная оптика, лазерный термохимический метод, пленки хрома, лазерное окисление, нанолитография.
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE FEATURES OF SUPER-LOCALIZED LASER THERMOCHEMICAL NANOTLITOGRAPHY
Alexander G. Poleshchuk
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Kop-tyug Prospect, D. Sc., Head of Laboratory of the Diffraction Optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Sergey K. Golubtsov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, engineer, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Alexander R. Sametov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, chief engineer, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
The laser thermochemical method of recording of diffraction structures in thin chromium films is experimentally studied. Method is based on local laser oxidation under the thermal action of the laser radiation. The possibility of direct laser recording of high-quality diffraction structures with a size of zones less than 0.5 p,m, and gaps between zones of about 0.1 p,m are experimentally demonstrated.
Key words: diffraction optics, laser thermochemical method, laser oxidation, chromium films, nanolithography.
Создание и применение дифракционных оптических элементов (ДОЭ), является одним из наиболее значимых направлений развития современной оптики и лазерной физики. Лазерно-индуцированное окисление тонких пленок хрома с последующим селективным травлением уже широко используется на практике для изготовления элементов фотоники и дифракционной оптики. Эти методы в свое время были впервые предложены и развиты до уровня реальной технологии авторским коллективом ИТМО и ИАиЭ СО РАН [1-4]. В настоящее время основной областью применения технологии лазерно-индуцированной термохимической нанолитографии является изготовление ДОЭ.
При лазерном облучении тонких пленок некоторых металлов, например, хрома, титана и др., на поверхности могут образовываться оксиды, которые позволяют защитить металл от последующего воздействия химического трави-теля. Применительно к видимому диапазону длин волн, таким путем успешно изготавливаются ДОЭ с минимальными размерами зон 0.5 мкм и общими размерами до 250 мм, - в частности, для контроля точности изготовления асферических зеркал больших телескопов [5].
Однако в настоящее время существует ряд направлений фотоники, где указанные минимальные размеры структуры слишком велики. Одно из них - это субволновая дифракционная оптика с выраженными резонансными эффектами. Это перспективное направление требует создания микроструктур с типичным размером менее половины длины волны света (0.1-0.3 мкм) [6]. С появлением источников излучения в мягком рентгеновском диапазоне возникла проблема создания дифракционной оптики с размерами структуры в несколько десятков нанометров. Таким образом, в настоящее время актуальным является поиск новых путей формирования наноструктур (50-100 нм) на оптических подложках диаметром до 200 мм и более.
Согласно классической модели [1] термическое воздействие лазерного излучения на тонкие пленки хрома приводит к образованию тонкого слоя окисла, изменяющего физико-химические свойства облученной поверхности. Также было установлено [2, 3], что кроме образования на поверхности пленки окиси хрома, протекает еще ряд процессов, в частности отжиг, рекристаллизация и частичное окисление пленки на всю толщину. Таким образом, при экспонировании пленки хрома лазерным излучением имеют место как процессы поверхностного окисления, так и изменение свойств в объеме пленки. Совокупность этих процессов и обеспечивают локализацию термическое воздействие лазерного излучения [7].
В связи термическим механизмом записи существенное влияние на размер и ровность краев формируемых микроструктур имеют свойства напыленной пленки хрома, режим экспонирования и размер сфокусированного лазерного пучка.
В настоящей работе приводятся результаты экспериментального исследования термохимического метода записи дифракционных микро и нано структур на пленках хрома полученных при различных условиях напыления и условиях экспонирования.
1. Напыление пленок хрома. Для напыления хрома использовалась установка магнетронного напыления PHASE IIJ [8] с двумя магнетронами (с хромовыми мишенями диаметром 102 мм) обеспечивающая нанесения покрытия с неравномерностью не более 15 % на подложки диаметром до 380 мм. Напыляемые полированные стеклянные подложки (50х50мм) устанавливались на планетарной системе вращения. Начальные условия напыления: температура подложки комнатная, начальное значение давления - 1*10-6 Торр, рабочее давление газа аргона (Ar) - PAr=1,5*10-4 Торр, напряжение на магнетронах -U = 350-360 В, рабочий ток - I = 850-900 мА. При напылении контролировалось пропускании пленок - 1 %, что соответствовало толщине пленки хрома около 40 нм. При исследовании условий напыления, параметры PAr, U и I менялись в достаточно большом диапазоне.
2. Экспонирование пленок хрома. Экспонирование напыленных пленок хрома осуществлялось сфокусированным лазерным пучком на установке «круговая лазерная записывающая система» (КЛЗС) [9]. Экспонирование осуществлялось при относительной скорости движения лазерного пучка от 0.075 до 1.2 м/сек (на радиусах 1, 4, 8 и 16 мм при скорости вращения подложки 12 об/сек) и мощности излучения в диапазоне от 0.2 до 20 мВт в сфокусированном пятне на длине волны 532 нм. Размеров сфокусированного лазерного пучка составлял около 0.5 мкм на уровне У (FWHM). Экспонирование тестовых дифракционных структур осуществлялось с мощностью излучения в лазерном пучке на уровне от 0.6Рк до 0.8Рк от критической (мощность излучения Рк, соответствует началу плавления пленки хрома при данной скорости движения лазерного пучка). После экспонирования, пленка хрома проявлялась в щелочном селективном травителе [10] до полного стравливания неэкспонированных участков.
3. Результаты и обсуждение. На рис. 1 приведены характерные примеры полученных с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) микрофотографий тестовых дифракционных структур записанных в пленках хрома при скорости движения записывающего пучка 1.2 м/сек (на радиусе 16 мм). Период записанных линий составляет 1 мкм. Относительная мощность лазерного излучения при записи приведенных структур составляла, соответственно, 0.7Рк (рис. 1, а) и 0.8Рк (рис. 1, б). Исследовалось влияние условий напыления (давления газа, напряжения и тока магнетронов) пленки хрома на пространственное разрешение, требуемую мощность лазерного излучения, форму краев записываемых линий и т. д.
4. В примере на рис. 1 условия напыления пленки хрома соответствовали данным приведенным в п. 1. В частности видно, что при мощности излучения равной 0.7 Рк зазор между хромовыми треками (рис. 1, б) составляет около 0.1 мкм. При мощности излучения равной 0.8 Рк ширина линий составляет ровно 0.5 мкм (рис. 1, а), что соответствует размеру записывающего пучка на уровне У.
Рис. 1. Полученные с помощью РЭМ микрофотографии дифракционных структур записанных в пленках хрома и проявленных в селективном травителе. Период структуры 1 мкм. Мощность излучения в записывающем лазерном
пучке составляла 0.6Рк (а) и 0.7Рк (б)
Экспериментально исследован лазерный термохимический метод записи дифракционных структур в пленках хрома. Метод локального лазерного окисления основан на тепловом действии лазерного излучения. Экспериментально показана возможность прямой лазерной записи высококачественных дифракционных структур с размером линий менее 0.5 мкм, а также зазоров между линиями около 0.1 мкм.
Данная работа поддержана проектом РФФИ ОФИ-М № 14-29-07227 и частично проектом Комплексной программы фундаментальных исследований Сибирского отделения РАН № П.2П/П.Ю-6.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вейко В. П., Либенсон М. Н. и др. Термохимическое действие лазерного излучения // Доклады АН СССР. - 1973. - Т. 208. - С. 587-590.
2. Лазерная термохимическая технология синтеза дифракционных оптических элементов на пленках хрома / В. П. Коронкевич, А. Г. Полещук, Е. Г. Чурин, Ю. И. Юрлов // Квантовая электроника. - 1985. - 12, № 4. - С. 755-761.
3. Полещук А. Г., Коронкевич В. П. Лазерные методы трехмерного микроструктурирования оптических поверхностей // 3D лазерные информационные технологии / под. ред. П. Е. Твердохлеба. - Новосибирск : ИАЭ, 2003. - С. 243-310.
4. Veiko V. P., Poleshchuk A. G. Laser-Induced Local Oxidation of Thin Metal Films: Physical Fundamentals and Applications // Veiko V. P., Konov V. I. (Eds.). Fundamentals of LaserAssisted Micro- and Nanotechnologies. Springer Series in Materials Science, 2014. Vol. 195, XVII, pp.149-172.
5. Разработка интерференционно-голографической ИК системы контроля формы центрального параболического зеркала космического телескопа обсерватории «Миллиметрон» / А. Г. Полещук, Р. К. Насыров, А. Е. Маточкин, В. Н. Хомутов, В. В. Черкашин, А. Е. Качк,
А. Г. Верхогляд, Л. Б. Касторский, В. М. Михалкин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Меж-дунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 1. - С. 51-58.
6. Сойфер В. А. Дифракционная компьютерная оптика. - М. : Физматлит, 2007. - 736 с.
7. Исследование пространственного разрешения лазерной термохимической технологии записи дифракционных микроструктур / В. П. Вейко, В. И. Корольков, А. Г. Полещук, А. Р. Саметов, Е. А. Шахно, М. В. Ярчук // Квант. электроника. - 2011. - Т. 41, № 7. -С. 631-636.
8. http://www.ajaint.com/sputtering-systems.html.
9. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure / Poleshchuk A. G., Churin E. G., Koronkevich V. P., Korolkov V. P., Kharisov A. A., Cherkashin V. A., Kirianov V. P., Kirianov A. V., Kokarev S. A., Verhoglad A. G. // Appl. Optics. 1999. 38, № 8. P. 1295-1301.
10. Processing parameters optimization for thermochemical writing of DOEs on chromium films / Cherkashin V. A., Churin E. G., Burge J. H., Korolkov V. P., Poleshchuk A. G., Kharisov A. A., Koronkevich V. P. // Proc. of SPIE, 1997, v. 3010, p. 168-179.
© А. Г. Полещук, С. К. Голубцов, А. Р. Саметов, 2017
