CC BY
24
УДК 29.31.26
РАЗРАБОТКА СКАНИРУЮЩЕГО ЛАЗЕРНОГО НАНОЛИТОГРАФА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СВЕРХРАЗРЕШАЮЩЕЙ ЗАПИСИ ДИФРАКЦИОННЫХ НАНОСТРУКТУР
Александр Григорьевич Полещук
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук
Антон Евгеньевич Качкин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (383)333-30-91, е-mail: antoshka787@yandex.ru
Виктор Павлович Корольков
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, зав. лабораторией, тел. (383)333-30-91, е-mail: victork@iae.nsk.ru
Руслан Владимирович Шиманский
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, е-mail: shimansky@iae.nsk.su
Владимир Николаевич Хомутов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, е-mail: v.n.homutov@gmail.com
Андрей Георгиевич Седухин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, е-mail: sedukhin@iae.nsk.su
Работа посвящена разработке прототипа компактного сканирующего лазерного нано-литографа для исследования по прямой сверхразрешающей записи дифракционных структур, в том числе субволновых. Лазерная запись в декартовых координатах может быть сделана как на тонких пленках металлов, так и на пленках фоторезистов, нанесенных на плоскую стеклянную подложку.
Ключевые слова: сканирующий лазерный нанолитограф, субволновые дифракционные наноструктуры, пленки металлов, фоторезист, прямая лазерная запись.
DEVELOPMENT OF SCANNING LASER NANOLITHOGRAPHY SYSTEM FOR STUDY OF HIGH RESOLUTION WRITING OF DIFFRACTIVE NANOSTRUCTURES
Alexander G. Poleschuk
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc.
Anton E. Kachkin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Engineer-programmer, phone: (383)333-30-91, е-mail: antoshka787@yandex.ru
Viktor P. Korolkov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Акаёеш1к Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Head of Laboratory, phone: (383)333-30-91, е-mail: victork@iae.nsk.ru
Ruslan V.Shimansky
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher, phone: (383)333-30-91, е-mail: shimansky@iae.nsk.su
Vladimir N. Khomutov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher, phone: (383)333-30-91, е-mail: v.n.homutov@gmail.com
Andrei G. Sedukhin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher, phone: (383)333-30-91, е-mail: sedukhin@iae.nsk.su
The work is devoted to the development of a prototype of a compact scanning laser nano-lithography system for the study of direct super-resolution writing of diffractive structures, including subwavelength ones. Laser writing in Cartesian coordinates can be done both on thin metal films and photoresist films deposited on a flat glass substrate.
Key words: scanning laser nanolithographer, subwavelength diffractive nanostructures, metal films, photoresist, direct laser writing.
В ИАиЭ СО РАН в рамках выполнения проекта РНФ «Развитие сверхразрешающей термохимической лазерной технологии формирования компьютерно-синтезированных дифракционных наноструктур» разрабатывается компактный лазерный x-y нанолитограф (x-y ЛНЛ). Подсистема сканирования выполнена на базе двухкоординатного стола с прецизионными направляющими, имеющими свободный ход до 30 мм. Используемая в указанном нанолитографе техника является дальнейшим развитием ранее разработанной системы прямой лазерной записи [1].
На рис. 1 показана оптическая схема x-y ЛНЛ. В него установлен УФ диодный лазерный модуль LuxXplus 405-300 с длиной волны 405 нм и мощностью 300 мВт производства Omicron GmbH (Германия). Лазер может осуществлять цифровую (двухуровневую) модуляцию с частотой от 0 до 100 МГц, что позволяет исследовать лазерную запись, как непрерывным пучком, так и импульсным. Аналоговая модуляция может осуществляться в полосе частот до 3 МГц. Для управления модуляцией лазера был разработан специальный электронный модуль, способный синхронизироваться по внешнему цифровому сигналу. В дальнейшем этот модуль будет использован для осуществления записи сложных дифракционных структур. Для измерения перемещений по одной коодина-те в x-y ЛНЛ установлен линейный датчик перемещений (Renishaw, Великобритания) с разрешением 1,2 нм. По сигналу с этого датчика устанавливается межтрековое (межстрочное) расстояние. По второй координате привод работает в режиме постоянной линейной скорости со стабилизацией скорости по сигналу со второго датчика (также Renishaw) с разрешением 100 нм.
Рис. 1. Оптическая схема лазерного нанолитографа:
СД1-СД2 -дихроичные светоделители, Л1-Л4 - линзы, М1-М3 -Р2Т - пьезоактюатор, М/О - микрообъектив
зеркала,
Оптическая схема рассчитана для установки иммерсионного микрообъектива с числовой апертурой 1.23 (70х апохромат, ЛОМО), либо сухого объектива Olympus Mplan 100x0.9 с пьезопозиционером для перемещения объектива в вертикальном направлении. Во входном зрачке объективов может монтироваться центральная заградительная диафрагма с регулируемым коэффициентом виньетировании. Указанная диафрагма позволяет реализовать кольцевую фор-
му пучка на входе объективов и, тем самым, обеспечить работу объектива в сверхразрешающем режиме и сократить размер сфокусированного лазерного пятна (приближенно и в зависимости от коэффициента виньетирования диафрагмы) на фактор от 1 до 1.6. Кроме того, предусмотрена возможность замены диафрагм на более сложные (по структуре) специально рассчитываемые компьютерно-синтезированные аподизирующие фильтры. При использовании иммерсионного объектива предусматриваются два режима его работы - в штатном режиме с пропусканием лазерного пучка на выходе объектива через иммерсионную жидкость и стеклянную подложку (покровное стекло) с нанесенной на ее тыльную поверхность тонкой металлической пленкой регистрирующего материала для записи (хром, титан, и др. металлы), а также в режиме, когда пленка металла нанесена на фронтальную поверхность подложки и осуществлена соответствующая коррекция фокусировки объектива. Первый и второй режимы соответствуют случаю так называемой записи через стекло и случаю прямой лазерной иммерсионной записи. Расчетная величина сфокусированного лазерного пятна по уровню половинной интенсивности составляет (в первом скалярном приближении и усредненно по координатам х и у) порядка 125 нм при коэффициенте виньетировании заградительной диафрагмы 0.9. Профили пучка в фокальной плоскости удовлетворительно аппроксимируется по координатам х и у функциями Бесселя первого рода и нулевого порядка. Это позволяет удобно использовать данный вид аппроксимации при решении задачи о нахождении теплового отклика от воздействия лазерного пучка в материале подложки и регистрирующего материала (при подстановке данных профилей в уравнение теплопроводности и его последующего решения).
Пьезопозиционер, на котором установлен объектив обеспечивает фокусировку системы. Управление пьезопозиционером осуществляется с помощью электронного модуля с блоком пьезодрайвера, который позволяет пользователю выставлять требуемые значения вертикального положения микрообъектива. Так же данный электронный модуль поддерживает канал обратной связи для использования в режиме автофокусировки.
На рис. 2 показан внешний вид, созданного прототипа лазерного нанолито-графа, предназначенного для первичной апробации новых фокусирующих систем и экспериментов по лазерной записи на различных материалах.
Для повышения разрешения х-у ЛНЛ разработана высокоапертурная иммерсионная фокусирующая система на базе микроскопного апланатического объектива и заградительной диафрагмы (пространственно-частотного фильтра) для обеспечения субволновой фокусировки при линейной форме поляризации излучения лазера. В экспериментальном варианте был использован серийный объектив с водной иммерсией ЛОМО 70х1,23 ВИ для работы на длинах волн 532 и 633 нм. Было проведено сопоставление характеристик данной системы с характеристиками другой разработанной системы на базе дифракционного элемента (ДОЭ), преобразующего гауссову форму лазерного пучка в кольцевую, и кольцевого зеркала (КЗ) [2]. В типовых случаях с желаемой субволновой фокусировкой, система на основе микроскопного объектива про-
игрывает в световой эффективности системе на основе ДОЭ и КЗ в десятки раз (точные цифры зависят от характеристик заградительного фильтра, от соотношения размера шейки гауссова пучка на входе системы и размера входного зрачка системы, а также от характеристик ДОЭ и КЗ). В этой связи, было сделано заключение, что мощности имеющегося лазера может оказаться недостаточно для проведения процесса термохимической записи с применением микроскопного апланатического объектива и заградительной диафрагмы. В связи с этим было проведено совершенствование второй более светоэффективной системы. Для отработки специализированных методик и трудоемких операций по необходимой прецизионной юстировке компонентов оптической системы на основе ДОЭ и КЗ, был изготовлен и собран экспериментальный макет более легкой в изготовлении и настройке «сухой» фокусирующей оптической системы (непосредственного аналога иммерсионной системы с тем же самым углом сведения лучей, но в свободном пространстве), с применением сделанного на заказ высокоапертурного кольцевого зеркала высокого оптического качества. На базе специально созданного юстировочного стенда были экспериментально отработаны специализированные методики юстировки взаимного положения ДОЭ и кольцевого зеркала, позволяющие обеспечить практически полную компенсацию таких основных видов аберраций, как кома и сферическая аберрация [3]. Данная система и методика ее настройки послужит основой для нового варианта светоэффективной иммерсионной фокусирующей системы.
Рис. 2. Внешний вид лазерного нанолитографа
Таким образом, разработана и исследована высокоапертурная иммерсионная фокусирующая система на базе серийных апланатических объективов и компьютерно-синтезированных аподизирующих и пространственно-частотных фильтров (в виде простых заградительных диафрагм и их более сложных аналогов) для работы в видимом диапазоне длин волн и при линейной форме поляризации излучения лазера. Рассчитанная низкая световая эффективность такой системы для случая субволновой кольцевой фокусировки излучения указала на необходимость перехода к более светоэффективным системам.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-19-01721).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Poleshchuk A.G., Churin E.G., Koronkevich V.P., Korolkov V.P. Polarcoordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure // Applied Optics.- 1999. -V. 38, N. 8. - P.1295-1301.
2. Sedukhin A.G., Poleshchuk A.G. Efficient tight focusing of laser beams optimally matched to their thin-film linear-to-radial polarization conversion: Method, implementation, and field near focus // Optics Communications. - 2018. - V. 407. - P. 217-226.
3. Седухин А. Г., Полещук А. Г. Особенности юстировки высокоапертурного дифракционно-рефлекторного объектива // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2017» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 1. - С. 91-95.
REFERENCES
1. Poleshchuk A.G., Churin E.G., Koronkevich V.P., Korolkov V.P. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure // Applied Optics. - 1999. - V. 38, N 8. - P.1295-1301.
2. Sedukhin A.G., Poleshchuk A.G. Efficient tight focusing of laser beams optimally matched to their thin-film linear-to-radial polarization conversion: Method, implementation, and field near focus // Optics Communications. - 2018. - V. 407. - P. 217-226.
3. Sedukhin A.G., Poleshchuk A.G., Pecularities of aligning a high-numerical-aperture dif-fractive-reflective objective lens / Proceedings of the conference «SibOptics-2017». - Vol. 1. - Novosibirsk, SSUH@T. - P.91-95.
© А. Г. Полещук, А. Е. Качкин, В. П. Корольков, Р. В. Шиманский,
В. Н. Хомутов, А. Г. Седухин, 2018
