Повышение предельного пространственного разрешения при прямой лазерной записи по фоторезисту многоуровневых ДОЭ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 29.31.26

ПОВЫШЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ

ПРИ ПРЯМОЙ ЛАЗЕРНОЙ ЗАПИСИ ПО ФОТОРЕЗИСТУ МНОГОУРОВНЕВЫХ ДОЭ

Виктор Павлович Корольков

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, е-mail: victork@iae.nsk.ru

Руслан Камильевич Насыров

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-79-31, e-mail: nasyrov.ruslan@gmail.com

Николай Геннадьевич Миронников

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-79-31, e-mail: mironnikov.nikolay@gmail.com

Работа посвящена экспериментальному исследованию предела пространственного разрешения при прямой записи многоуровневых ДОЭ по фоторезисту и методам его уменьшения за счет теоретической оптимизации распределения экспозиции. Экспериментальная часть исследований проводилась на круговой лазерной записывающей системе CLWS-300IAE.

Ключевые слова: прямая лазерная запись, многоуровневые дифракционные оптические элементы, дифракционная эффективность, круговая лазерная записывающая система.

INCREASING OF SPATIAL RESOLUTION LIMIT AT DIRECT LASER WRITING OF MULTILEVEL DOE ON PHOTORESIST

Victor P. Korolkov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, D. Sc., leading researcher, tel. (383)333-30-91, e-mail: victork@iae.nsk.ru

Ruslan K. Nasyrov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, Ph. D., senior researcher, tel. (383)330-79-31, e-mail: nasyrov.ruslan@gmail.com

Nikolai G. Mironnikov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, Ph. D., senior researcher, tel. (383)330-79-31, e-mail: mironnikov.nikolay@gmail.com

The paper is devoted to experimental study of spatial resolution limit (SPL) at direct laser writing of multilevel DOEs on photoresist and methods for SPL reduction for account of theoretical optimization of exposure dose distribution. Experimental part of the study was made by means of circular laser writing system.

Key words: direct laser writing, multilevel diffractive optical elements, diffraction efficiency, circle laser writing system (CLWS).

Введение.

Сканирующие методы прямой лазерной записи микроструктур являются наиболее универсальными и широко используются для формирования микрорельефа дифракционных и микрооптических элементов. Они основаны на сканировании сфокусированным амплитудно-модулированным лазерным пучком поверхности подложки, покрытой регистрирующим слоем. Пространственное разрешение сканирующей записи определяется диаметром записывающего лазерного пучка в фокусе объектива. Требования современной дифракционной оптики ставят все более сложные задачи, требующие высокого пространственного разрешения (ПР). Дальнейшее уменьшение диаметра записывающего за счет повышения апертуры фокусирующего объектива затруднено большим весом объективов с большой апертурой и необходимостью повышения точности системы автофокусировки из-за уменьшения глубины фокуса [1].

Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию предела ПР при прямой лазерной записи (ПЛЗ) многоуровневых дифракционных оптических элементов (ДОЭ) по фоторезисту и методам его уменьшения за счет теоретической оптимизации распределения экспозиции. Экспериментальная часть исследований проводилась на круговой лазерной записывающей системе CLWS-300IAE, принцип работы и типичные характеристики которой описаны в работе [2].

1. Определение пространственного разрешения прямой лазерной записи

многоуровневых микроструктур

Обычно величина ПР для регистрирующих сред характеризуется в числе пар черных и белых линий для амплитудных сред или пар линий с максимальной и минимальной глубиной рельефа для фазовых сред, приходящихся на 1 мм. Для сканирующих записывающих лазерных систем (СЗЛС) ПР характеризуется, как правило, диаметром записывающего пучка в фокусе. Ширина 5 формируемого элемента или дорожки при бинарной записи с двумя уровнями амплитудного пропускания (для фотошаблонов) или глубины (фазы) примерно равна диаметру пучка. Использование для бинарной записи высококонтрастных регистрирующих сред позволяет сделать 5 существенно меньше размера экспонирующего пятна, а также процесс записи практически нечувствительным паразитных колец и пятна рассеяния в распределении интенсивности в фокусе лазерного пучка. В случае многоуровневой ПЛЗ [3] по линейной фоточувствительной среде, такой как фоторезист, знание диаметра распределения интенсивности по какому-то стандартному уровню не позволяет оценить возможности записывающей системы при формировании высокоэффективных дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Наличие пятна рассеянного света из-за светорассеяния на дефектах оптических компонентов и несовершенства излучения лазера, а также колец в распределении интенсивности приводит к сглаживанию формируемого распределения экспозиции и, соответственно, микрорельефа после проявления фоторезиста. Сглаживание микрорельефа приводит

к падению дифракционной эффективности в первом порядке дифракции (DE1)

[3]. В случае падения DE1 ниже уровня 40%, обеспечиваемого бинарными фазовыми элементами, изготовление дифракционной структуры как многоуровневой становится бессмысленным. С точки зрения определения пространственного разрешения ПЛЗ многоуровневых микроструктур естественным тестовым объектом, удобным для экспериментального и теоретического анализа, является линейная дифракционная решетка с «блеском». Период Тпр такой решетки, при котором DE1 на 10% выше эффективности бинарной решетки (то есть равна 44%) предлагается рассматривать как предельное пространственное разрешение СЗЛС при многоуровневой записи. Рассмотрим применение этого параметра и способ его улучшения на примере системы CLWS-300IAE.

2. Моделирование ПЛЗ по фоторезисту

Одним из преимуществ ПЛЗ по фоторезисту является почти линейная зависимость глубины профиля от дозы экспозиции. Это упрощает не только процесс изготовления, но и компьютерное моделирование процесса записи. При этом формирование рельефа описывается обычно как свертка данных для модуляции лазерного излучения с распределением интенсивности в записывающем пучке

[4]. Реальное поведение фоторезиста в процессе записи и проявления намного сложнее и требует рассмотрения различных кинетических эффектов, которые описываются нелинейными моделями. Тем не менее, линейная модель весьма хорошо описывает глубину профиля для тонких слоев фоторезиста. Для улучшения соответствия экспериментальных и теоретических результатов необходимо использовать не реально измеренный диаметр записывающего пучка, а диаметр w эффективного гауссова распределения интенсивности, учитывающего сглаживающие эффекты неконтрастного проявления фоторезиста:

1 (x) = 1max exP

4(ln 2)( x - x )2

w2

(1)

В работе [5] предложен метод определения параметра w дифференцированием поперечного сечения микрорельефа с периодом много больше w.

Анализируемые далее результаты численного моделирования были получены путем расчета распределения экспозиции Е(х) в фоторезисте на одномерной координатной сетке х^ с равномерным шагом Ах согласно следующему выражению:

-| n1

Е(х]) = — XI (х] - х) • Р(х1), (2)

Етах i=1

N ег • Т

где N1 = ———р, Ыр - количество периодов (не менее трех) линейной решетки Ах

с периодом Тр на расчетном участке координаты х, Р(х) - данные для управле-

ния мощностью пучка при экспонировании на координате хг-. Нормировочная величина Етах рассчитывалась следующим образом:

Emax = max

( ni ^

X1 (xj - xi)

V i=1

(3)

Дифракционная эффективность в скалярном приближении в М-ом дифракционном порядке рассчитывалась через М-ю компоненту преобразования Фурье от фазовой функции моделируемого микрорельефа линейной решетки с периодом Тр\

DEM =

FT

м

V н(x)(n -1)

V Л

(4)

где Л - рабочая длина волны дифракционной структуры, n - коэффициент преломления материала, в котором сформирован рельеф. Эффективность в нулевом порядке мы будем, соответственно, обозначать DE0, а в рабочем первом порядке DE1.

Необходимо отметить, что применение скалярной модели для расчета дифракции на решетке с периодом несколько микрометров не совсем корректно. Чтобы уменьшить несоответствие модели эксперименту мы ввели подгонку ключевого параметра w в формуле (1) таким образом, чтобы после свертки эффективного распределения интенсивности с идеальным профилем линейной решетки эффективность DE1 была равна соответствующей величине на аппроксимированной экспериментальной зависимости 1, показанной на рис. 1. При этом в диапазоне периодов решеток от 2 до 5 мкм, величина w изменялась от 0.825 до 0.67 мкм. При этом экспериментально измеренный диаметр записывающего пятна составил 0.58 мкм. Предел пространственного разрешения Тпр многоуровневой записи согласно экспериментальной зависимости составил 2.9 мкм.

Рис. 1. Экспериментальные и теоретические зависимости дифракционной эффективности от периода решетки:

1 - экспериментальная для неоптими-зированной записи, 2 и 3 - соответственно теоретическая и экспериментальная для оптимизированной записи

2

3. Повышение пространственного разрешения ПЛЗ по фоторезисту

Для того чтобы повысить предел разрешения был применен метод приграничной оптимизации дифракционных зон, предложенный в работе [3]. Он заключается во встраивании заранее рассчитанного универсального переходного процесса вблизи скачков мощности пучка на границах дифракционных зон (рис. 2а). График 3 на рис. 2б демонстрирует расчетный профиль рельефа решетки с периодом 3 мкм, сформированной с оптимизированными данными для экспонирования, показанными на рис. 2 а. Теоретическая зависимость дифракционной эффективности от периода оптимизированной решетки показана на рис. 1 (график 2). Предел пространственного разрешения Тпр многоуровневой записи по теоретической зависимости должен уменьшиться до 2.45 мкм при оптимизации данных Р для экспонирования. Однако после записи решеток с оптимизированными данными эффективность оказалась даже выше расчетных данных. Тем не менее из рис. 1 это может быть объяснено отклонением процесса формирования микрорельефа от линейного варианта, описываемого сверткой при резком повышении мощности записывающего пучка в узкой области вблизи границ дифракционных зон.

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Н, отн. ед.

*

лг

X, мкм

Рис. 2а. Оптимизированные данные для изменения мощности пучка для записи решетки с периодом 3 мкм

Рис. 2б. Результат моделирования профиля решетки с периодом 3 мкм:

1 - идеальный профиль, 2 - теоретический, 3 - теоретический после оптимизации

Согласно экспериментальным зависимостям 1 и 3 на рис. 1 для оптимизированной записи предел пространственного разрешения Тпр уменьшился с 3 мкм до 2.2 мкм. Таким образом, приграничная оптимизация данных для экспонирования позволила улучшить пространственное разрешение многоуровневой записи по фоторезисту на 24 % с учетом введенного критерия по дифракционной эффективности в первом порядке дифракции.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Верхогляд А. Г., Завьялова М. А., Корольков В. П. Датчик автоматической фокусировки для круговых лазерных записывающих систем // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 1. - С. 117-122.

2. Poleshchuk A. G., Korolkov V. P. Laser writing systems and technologies for fabrication of binary and continuous relief diffractive optical elements // Proc. SPIE 6732, 67320X1-67320X10 (2007).

3. Korolkov V. P., Nasyrov R. K., Shimansky R. V. Zone-boundary optimization for direct laser writing of continuous-relief diffractive optical elements // Appl. Opt. 45, 53-62 (2006).

4. Analysis and optimization of fabrication of continuous-relief diffractive optical elements / T. Hessler, M. Rossi, R. E. Kunz, M. T. Gale // Appl. Opt. 1998. Vol. 37. P. 4069-4079.

5. Korolkov V. P., Ostapenko S. V., Nasyrov R. K. Unification of approaches to optimization and metrological characterization of continuous-relief diffractive optical elements // Proc. SPIE. 2010. Vol. 7718. 77180S.

© В. П. Корольков, Р. К. Насыров, Н. Г. Миронников, 2017