Моделирование и оптимизация фотолитографической технологии изготовления дифракционного поворотного фокусирующего элемента для ИК диапазона Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535.421

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИОННОГО ПОВОРОТНОГО ФОКУСИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ИК ДИАПАЗОНА

Артем Владимирович Паньков

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (923)175-66-68, e-mail: [email protected]

Виктор Павлович Корольков

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]

Руслан Камильевич Насыров

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-79-31, e-mail: [email protected]

Для фокусировки излучения мощных СО2 лазеров, использумых для обработки и резки металлов, можно использовать дифракционные отражающие фокусаторы. Они могут быть экономически эффективно изготовлены с применением фотолитографии с зазором на основе растрированного фотошаблона. Однако этот метод дает характерные дефекты: сглаженные обратные скаты пилообразного профиля и паразитную синусоидальную модуляцию рельефа на несущей пространственной частоте растра фотошаблона. Эти дефекты приводят к рассеянию света в паразитные дифракционные порядки. В настоящей работе изучены способы решения этой проблемы. Проведено компьютерное моделирование, рассмотрены методы оптимизации растрированного фотошаблона, определен оптимальный размер зазора при печати фотошаблона и период его растрирования.

Ключевые слова: ДОЭ, фокусаторы, фотолитография с зазором, растрированный фотошаблон.

MODELING AND OPTIMISATION PROXOMITY PRINTING METHOD FOR IR RANGE DIFFRATIVE SWIVEL FOCUSATOR

Artyom V. Pankov

Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, software engineer, tel. (923)175-66-68, e-mail: [email protected]

Victor P. Korolkov

Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, Doctor of Engineering Sciences, Senior Researcher, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]

Ruslan K. Nasyrov

Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, Candidate of Engineering Sciences, Research Officer, tel. (383)330-79-31 e-mail: [email protected]

Refractive diffractive focusators may be used to focus radiation of high-powered CO2 lasers, that are used for metal cutting. They can be created economically effective by the method of proximity printing. However, this method has characteristic defects, they are: non-vertical reverse slope of sawtooth profile and parasitic sinusoidal relief modulation on spatial frequency of rasterized photomask. This defects lead to dissipation of radiation into parasitic diffraction orders. Computer modulation was conducted, optimisation methods of rasterized photomask were studied, optimal value of clearance between photomask and photoresist and rasterizing period of photomask were determined.

Key words: DOE, focusators, proximity printing, rasterized photomask.

Оптические компоненты систем фокусировки излучения мощных СО2 лазеров, используемых для обработки и резки металлов, являются расходным материалом из-за нарастающего со временем количества дефектов, вызванных продуктами разрушения обрабатываемого материала. Поэтому актуальной является задача разработки дешевой фокусирующей оптики. Одним из вариантов решения проблемы является создание отражающего дифракционного фокуса-тора, микроструктура которого сформирована на поверхности медной водоох-лаждаемой пластины. С учетом характеристик лазерного пучка в технологических системах резки в ИАиЭ был разработан высокоэффективный дифракционный поворотный фокусирующий элемент (ДПФЭ) [1]. Угол падения входного коллимированного пучка на ДПФЭ - 45 градусов, диаметр входного пучка - 20 мм, длина волны лазера - 10.6 мкм, фокусное расстояние ДПФЭ - 250 мм, размер ДПФЭ в плоскости падения пучка - 43 мм, минимальный период дифракционной структуры - 70 мкм. Для изготовления ДПФЭ предполагается использовать фотолитографическую технологию как наиболее экономически эффективную при серийном производстве дифракционных элементов, устойчивых к мощному ИК излучению.

Применение проекционной литографии для изготовления описанного ДПФЭ невозможно из-за его большого размера. Поэтому было предложено формировать полутоновое распределение интенсивности экспонирующего излучения на пленке фоторезиста теневым методом печати растрированного фотошаблона через зазор [2]. В этом методе фотошаблон и фоторезист находятся на расстоянии d друг от друга (рис. 1) для сглаживания модуляции локального распределения интенсивности, вызванной растром фотошаблона.

Предлагаемую технологию изготовления ДПФЭ с применением фотолитографии с зазором можно разбить на следующие основные этапы: расчет и изготовление растрированного фотошаблона; экспонирование слоя фоторезиста через растрированный фотошаблон с зазором на стандартной установке контактной литографии; проявление фоторезиста и формирование рельефа; покрытие фоторезистного рельефа тонкой пленкой серебра или золота и выращивание на нем слоя меди; отделение медной реплики от фоторезиста и закрепление ее на медной шайбе пайкой или клеем.

Рис. 1. Схема теневого метода создания ДОЭ

При создании ДОЭ с пилообразным профилем методом фотолитографии с зазором на нем возникают характерные дефекты микрорельефа: из-за наличия зазора между фотошаблоном и фоторезистом возникает не вертикальный обратный скат пилообразного профиля; наличие амплитудной дифракционной решетки с постоянным периодом (растра фотошаблона) приводит, из-за эффекта Тальбота, к синусоидальной паразитной модуляции пилообразной формы микрорельефа на несущей частоте растра фотошаблона. С увеличением зазора амплитуда синусоидальных модуляций падает, но при этом растет величина обратного ската, из-за чего уменьшается дифракционная эффективность ДОЭ по формуле[3]:

где ?7С - дифракционная эффективность, Л - период пилообразного профиля, £ -величина обратного ската. Задача состоит в том, чтобы выбрать оптимальную пространственную частоту растрирования и величину зазора. Для устранения влияния эффекта Тальбота можно сделать растр со случайным размером ячейки. Также важно понять как влияет субволновая синусоидальная решетка на оптические свойства медного зеркала.

Задача решалась с помощью численного моделирования эффективности дифракционных порядков методом Релеевского разложения отраженного и прошедшего излучения с последующим решением уравнений Максвелла [4]. Расчеты показали, что рассеяние света при падении света под углом 45° на си-

нусоидальную решетку, сформированную на поверхности медного зеркала, может быть значительным при неоптимальном выборе периода растра и достаточно большой глубине решетки (рис. 2). Паразитное рассеяние возникает из-за наличия -1 порядка дифракции от синусоидальной решетки. Это единственный не нулевой порядок дифракции отраженного света, который может существовать при условии, что длина волны падающего излучения больше периода дифракционной решетки. Наличие этого паразитного порядка дифракции определяется условием:

< 1

где 9 - угол падения излучения на дифракционную решетку , Я0- длина волны излучения, & - период дифракционной решетки. Таким образом, для устранения паразитного рассеяния света необходимо при растрировании полутонового фотошаблона выбирать размер ячейки, учитывая угол падения излучения на решетку и данное условие. Для ДПФЭ, рассматриваемого в данной работе, для устранения -1 порядка дифракции размер ячейки растра должен быть меньше, чем 6.2 мкм.

™ 80 о;

Глубина модуляции (нм)

Рис. 2. Потери на дифракцию излучения с А=10.6 мкм для решетки с периодом 7 мкм (материал - медь) в зависимости от глубины решетки: 1 - для ТМ поляризованного излучения, 2 - для не поляризованного излучения, 3 - для

ТЕ поляризованного излучения

Наличие на поверхности металла субволновой решетки приводит к изменению эффективного комплексного коэффициента преломления и как следствие к изменению поглощения излучения. Влияние решетки на поглощение моделировалось с помощью демонстрационной версии программы PCGRATE [5]. Расчеты показали, что поглощение излучения для решетки глубиной до 1.75 мкм меняется незначительно.

Влияния случайного распределения в структуре растра фотошаблона моделировалось численно на основе метода расчета интеграла Релея-Зоммерфельда с помощью быстрого Фурье преобразования [6]. Было выбрано два вида случайного распределения, которые можно внести в растр при его создании: смещение бинарных структур, отвечающих пилообразному профилю рельефа, на случайную величину от 0 до 2 мкм от начального положения по оси У и случайное изменение размера ряда ячеек растра по оси У в диапазоне от -40% до +40% от их изначального размера. После этого проведены расчеты модуляции распределения интенсивности на расстояниях от 1 до 100 мкм для трех растров (рис. 3): а - регулярный растр, б и с - с ранее указанными случайными распределениями. Для характеризации синусоидальной модуляции и величины обратного ската было выбрано среднеквадратичное отклонение между расчетным рельефом от идеального пилообразного рельефа с вертикальным обратным скатом (рис. 4, а):

м N

ДМ5 =

M*N

sawtooth j

i=l j=1

где /(%[,у7)-расчетное распределение интенсивности, а 15тююот - профиль идеальной пилообразной формы, М - количество точек по оси Х, N - количество точек по оси У.

а

Ось X (мкм) б

с

Рис. 3. Функция пропускания бинарного фотошаблона:

а) регулярный растр; б) со смещением структур; с) - с изменением размера ряда ячеек

Из графика (рис. 4, б) видно, что введение случайного распределения в растр не принесло желаемого результата. Но по минимуму графика средне-квадратического отклонения определен оптимальный зазор, при котором пара-

зитная модуляция минимальна. Для длины волны 405 нм (источник экспонирующего излучения в фотолитографической установке) и размера ячейки растра 7 мкм это расстояние равно 63 мкм. При этом ширина обратного ската составила - 4.3 мкм

Рис. 4. а) срез рачетного распределения интенсивности по оси X в сравнении с профилем идеальной пилообразной формы для 3 растров, зазор 63 мкм. б) среднеквадратичное отклонение расчетных профилей от идеальных. 1 - регулярный растр, 2 - со смещением структур, 3 -с изменением размера ряда ячеек

Таким образом, показано, что метод фотолитографии с зазором, использующий растрированный фотошаблон, может быть использован для изготовления отражающих дифракционных фокусирующих элементов, работающих в дальнем ИК-диапазоне.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ленкова Г.А. // Сборник трудов 11-ой Международной конференции "Голография ЭКСПО -2014" (16 - 17 сентября 2014 г., г. Сочи), 2014 г. С. 67-69. М.: Изд-во ООО "Голография-Сервис".

2. Полещук А.Г. // Компьютерная оптика. - 1996. - В.16 - С. 54-61.

3. F. Shen, A. Wang // APPLIED OPTICS. - 2006. - V.45, №.6 - P. 1102-1110.

4. Дифракционная компьютерная оптика: / Под ред. В.А. Сойфера. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - С. 308-320.

5. www.pcgrate.com

6. T. Hessler, M. Rossi, R.E. Kunz and M.T.Gale// APPLIED OPTICS. - 1998. - V.16, №.19 - P. 4069-4079.

© А. В. Паньков, В. П. Корольков, Р. К. Насыров, 2015