Применение контурной маски для повышения дифракционной эффективности ДОЭ с кусочно-непрерывным рельефом Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

ПРИМЕНЕНИЕ КОНТУРНОЙ МАСКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ДИФРАКЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДОЭ С КУСОЧНО-НЕПРЕРЫВНЫМ РЕЛЬЕФОМ

Виктор Павлович Корольков

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 1, старший научный сотрудник лаборатории дифракционной оптики, тел. (383)3333-091, e-mail: [email protected]

В статье рассмотрено применение металлизированной контурной маски в технологии изготовления ДОЭ с кусочно-непрерывным рельефом для уменьшения обратных скатов зон и соответствующего повышения дифракционной эффективности.

Ключевые слова: дифракционные оптические элементы, кусочно-непрерывный рельеф, дифракционная эффективность, контурная маска.

APPLICATION OF CONTOUR MASK FOR ENHANCING A DIFFRACTION EFFICIENCY OF CONTINUOUS-RELIEF DOES

Victor P. Korolkov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, senior researcher of laboratory of diffractive optics, phone +7(383)3333-091, e-mail: [email protected]. su

Paper describes an application of metal contour mask in fabrication technology of continuous-relief DOEs for reducing backward slopes and corresponding enhancing the diffraction efficiency.

Key words: diffractive optical elements, continuous relief, diffraction efficiency, contour mask.

Появление высокотехнологичных продуктов массового спроса, требующих огромных тиражей, инициирует разработку технологий изготовления ДОЭ, снижающих затраты производства и улучшающих качество дифракционной структуры. Однако до сих пор промышленное применение находят, как правило, только недолговечные, но дешевые пластмассовые элементы. Внедрение дифракционной оптики в области, требующие долговременного использования в сложных условиях (большие перепады температур, влажность, мощные лазерные пучки), ставит проблему разработки экономически эффективных методов получения непрерывного фазового профиля с высоким пространственным разрешением на поверхности оптических материалов с высокой механической, химической стойкостью и температурной стабильностью - например, плавленого кварца.

Фотолитография в контактном и проекционном вариантах с бинарными амплитудные фотошаблоны используется для изготовления высокоэффективных ДОЭ по многоуровневому методу на основе комплекта совмещаемых фотошаблонов, положившему начало промышленному освоению высокоэффективных ДОЭ. Методами фотолитографии бинарный рисунок фотошаблона переносится в рельефообразующий материал (как правило, фоторезист) и производится сухое или жидкостное травление подложки через окна в фоторезисте

на определенную глубину. Специфика микроструктуры дифракционной оптики позволяет при использовании N фотошаблонов получить 2N фазовых уровней [1]. Несмотря на высокую точность изготовления отдельных фотошаблонов, фотолитографическая технология на основе комплекта совмещаемых бинарных шаблонов не позволяет изготавливать дифракционные элементы с высокой числовой апертурой. Трудность этого метода заключается в конечной точности совмещения фотошаблона и фазовой микроструктуры и, следовательно, накоплении ошибок совмещения при переходе от шаблона к шаблону.

В последние годы активно используются аналоговые технолог^ на основе полутоновых фотошаблонов (ПФ) [2] и растровых фотошаблонов [3]. Полутоновая технология позволяет применить как многократную контактную печать без зазора (в отличие от растрового метода), так и высокоразрешающую проекционную печать с уменьшением. Методы прямой лазерной [4] записи с аналоговым управлением интенсивностью записывающего пучка на пленках рельефообразующих материалов - резистов - также широко применяются при синтезе высокоэффективных и высококачественных ДОЭ. Все эти аналоговые методы позволяют избавиться от многочисленных операций совмещения фотошаблона и сформированного на предыдущем шаге микрорельефа. Однако все они используют слабоконтрастные фоторезисты и проявители, чтобы получить примерно линейную зависимость толщины проявленного слоя фоторезиста от экспозиции. По этой причине невозможно получить вертикальные края дифракционных зон (рис. 1).

Эта проблема может быть решена путем комбинирования лучших свойств бинарной многошаблонной и аналоговой технологий - вертикальный край при «сухом» травлении через металлическую маску и пологий рельеф, сформированный полутоновой технологией [5]. Это комбинирование может быть осуществлено за счет применения одной бинарной контурной маски (КМ) с металлизированными линиями контура дифракционных зон и одной полутоновой. Последовательность основных операций выглядит следующим образом (рис. 2):

1. Формирование КМ на заготовке ДОЭ (I).

2. Нанесение резиста на эту маску (II)

3. Совмещение КМ с фотошаблоном, формирующим полутоновое распределение интенсивности, или системой координат лазерного записывающего устройства.

4. Полутоновое экспонирование фоторезиста с распределением интенсивности 1(х) (III).

5. Формирование рельефа в фоторезисте после жидкостного проявления (IV).

6. Сухое травление подложки через маску в резисте (V).

Рис. 1. Изображение рельефа в фоторезисте, сформированного с помощью полутонового фотошаблона

7. Удаление контурной маски.

IV

V

Рис. 2. Стадии процесса с применением КМ

Проведенное в скалярном приближении моделирование предложенного метода показало, что он может быть также оптимизирован, если «сухое» травление производится на определённую глубину и ширина линий контурной маски выбрана определённым образом.

0.5

! 51 ! * : /

■ .... і

—Д. * - і

г

ф \

* | ■ . . Г \ ш X, мкм

10

20

0.5

0

• т* г1 I

*—3

1

К/\

г >1 /' X, мкм .

10

20

(б)

Рис. 3. Варианты формы рельефа дифракционных зон с периодом 10 мкм в зависимости от ширины линий КМ и глубины травления через нее: а) 1 - травление до уровня 1, 2 - травление до уровня максимума профиля в резисте, (б) 3 - травление до уровня 1 через маску с оптимизированной

шириной линий

На рис. 3 показано как изменяется рельефа дифракционной решетки с периодом 10 мкм в зависимости от ширины линий КМ и глубины травления через нее. Уровень 1 глубины соответствует фазовой задержке 2% для идеального

треугольного профиля (показан линией с точками). При ширине обратного ската 2,63 мкм в модели ширина, линий маски для получения максимальной эффективности должна составлять 1, 83 мкм, то есть 0.7 ширины ската. В таблице

1 демонстрирует прирост дифракционной эффективности по сравнению с дифракционной решеткой, изготовленной без использования КМ.

Таблица 1

Дифракционная эффективность моделируемой решетки

Условия моделирования Дифракционная эффективность

Без КМ 63.4%

Случай 1 77.5%

Случай 2 94.2%

Случай 3 96.8%

Упрощенная экспериментальная проверка метода с КМ была проведена на модельном рельефе в фоторезисте, микроинтерферограмма которого показана на рис. 4.

(а) (б)

Рис. 4. Микроинтерферограммы двух вариантов экспериментально изготовленного профиля для проверки метода: а) - треугольный рельеф, б) -рельеф с выступом, моделирующим результат использования контурной маски

Рис. 5 показывает дифракционную эффективность в зависимости от ширины пологой части рельефа к периоду дифракционной решетки. Существенный рост дифракционной эффективности очевиден

0% -4--------------------------

0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75

Рис. 5. Дифракционная эффективность в зависимости от отношения ширины пологой части рельефа к периоду дифракционной решетки: графики 1 и 2 -для рельефа с выступом, 3 и 4 - для треугольного рельефа, 1 и 3 - эксперимент,

2 и 4 - расчетные данные

Заключение. Метод контурной маски сочетает преимущества аналоговых и бинарных процессов. Он позволяет существенно увеличить дифракционную эффективность. Однако его применение для ДОЭ с периодом менее 5 мкм требует теоритической проверки результатов оптимизации в рамках точной теории дифракции.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Спектр Б.И.. Об одном методе синтеза фазовой структуры киноформов // Автометрия. - 1985. - N 6. - С. 34.

2. Корольков В.П., Малышев А.И., Никитин В.Г., Полещук А.Г., Харисов А.А., Черкашин В.В., Ву Ч. Полутоновые фотошаблоны на основе LDW-стекол // Автометрия. -1998. - N 6. - C. 27-37.

. Полещук А.Г. Изготовление высокоэффективных элементов дифракционной оптики с помощью полутоновой и фоторастровой технологий//Автометрия. - 1991. - N 6. - C. 66-76.

4. V. P. Korolkov, R. K. Nasyrov, R. V. Shimansky, Optimization for direct laser writing of continuous-relief diffractive optical elements, Proc. SPIE 6732, 67320P (2007).

5. Ogusu Makoto, Iwasaki Yuichi, Method of manufacturing diffractive optical element, Patent USA N20020122255, September, 2002.

© В.П. Корольков, 2013