Сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН создали новые технологии прямой лазерной записи дифракционных структур на металлических пленках с антиотражающим покрытием. Разработки помогут сделать дифракционные оптические элементы более компактными и повысить экономическую эффективность производства оптических устройств. Исследования в рамках этого проекта были поддержаны Российским научным фондом.
Дифракционная оптика — это подраздел оптики, в котором преобразование света осуществляется за счет законов дифракции, то есть огибания волнами препятствий. Дифракционные оптические элементы представляют собой прозрачные или отражающие тонкие пластины со сформированным на них микрорельефом. Они позволяют осуществлять практически любые преобразования света и к тому же имеют относительно малый вес и габаритные размеры, поэтому пользуются сегодня большим спросом. Их применяют в высокоточной измерительной технике, физике лазеров, космосе, медицине и множестве бытовых устройств (например, в качестве оптических компонентов сканеров штриховых кодов в магазинах). В лаборатории дифракционной оптики ИАиЭ СО РАН разработан полный цикл производства дифракционных оптических элементов.
Термохимическая запись структур
Одна из технологий изготовления таких элементов — прямая термохимическая лазерная запись. Она осуществляется следующим образом: на кварцевую или стеклянную подложку напыляют пленку хрома толщиной 25—30 нанометров, далее подложку устанавливают в систему лазерной записи — там выполняется сканирование по подложке сфокусированным лазерным пучком. В тех участках, где происходит лазерное воздействие, пленка хрома нагревается, взаимодействует с окружающим кислородом и окисляется. В результате там, где прошел лазерный пучок, поверх исходного металла формируется тонкая оксидная пленка.
Затем подложку с хромом и записанным оксидным рисунком на ней помещают в жидкостный травитель, и те места хрома, которые не облучили лазером, смываются (стравливаются). Сформированная оксидная пленка тоже травится, но медленнее. Здесь важно не передержать элемент, иначе он будет испорчен. Если далее поместить образец в установку реактивного ионного травления, то в областях, где пленка хрома отсутствует, сформированный рисунок будет углубляться в материал подложки. Оставшаяся пленка хрома тоже будет постепенно удаляться, но с существенно более низкой скоростью по сравнению с материалом кварцевой подложки. Когда весь оставшийся хром исчезнет, в ранее открытых участках подложки образуются достаточно глубокие канавки. Так записанный рисунок переносится в материал подложки.
В лаборатории ИАиЭ СО РАН прямую термохимическую лазерную запись реализуют на металлических пленках, в частности на пленках хрома, а также титана, циркония и гафния с напыленным антиотражающим покрытием — поверхностным слоем кремния. На развитие этой технологии был получен грант Российского научного фонда.
«Перед нами стояла задача расширить возможности по изготовлению элементов дифракционной оптики с использованием термохимической технологии лазерной записи. Сегодня для этого мы активно применяем технологию лазерной записи на пленках хрома. Однако у хрома, кроме преимуществ, есть и свои недостатки. Например, при лазерной записи на его пленках нельзя добиться сквозного окисления. Кроме того, жидкостный травитель хрома, помимо металлической пленки, травит и записанный оксидный рисунок. Это накладывает ограничение на глубину микрорельефа, который возможно получить в подложке с помощью данной технологии», — рассказывает руководитель проекта РНФ научный сотрудник лаборатории дифракционной оптики ИАиЭ СО РАН кандидат технических наук Дмитрий Александрович Белоусов.
Чтобы попробовать преодолеть эти ограничения, ученые решили исследовать металлы подгруппы титана. Однако столкнулись с проблемой: оказалось, что пленки титана активно поглощают кислород из окружающей атмосферы и, соответственно, постепенно окисляются без лазерного воздействия на них. Характеристики регистрирующего материала в таком случае непостоянны и меняются в зависимости от времени хранения образца.
«У нас возникла идея напылять поверх пленки титана тонкий слой кремния, который должен был защитить металлическую пленку от окисления. Выбор пал именно на кремний, потому что это распространенный и хорошо изученный материал, как с точки зрения физических свойств, так и с точки зрения методов его травления. Для наших задач важно после лазерной записи иметь возможность проявить записанный рисунок. Кроме того, в установках лазерной записи, которые мы используем, излучение записывающего пучка имеет длину волны ультрафиолетового или видимого диапазона спектра, а кремний хорошо поглощает излучение в этих диапазонах. Подобрав оптимальную толщину его напыляемого слоя, мы можем повысить поглощение излучения лазерного записывающего пучка регистрирующим двухслойным материалом кремний/титан. Предполагалось, что это позволит уменьшить мощность лазерного излучения, необходимую для термохимической реакции, а также повысит разрешение лазерной записи (и в конечном итоге даст возможность формировать структуры меньшего размера, чем при стандартной технологии с использованием пленок хрома)», — говорит Дмитрий Белоусов.
Для расширения направлений исследования, помимо пленок титана, ученые взяли также пленки хрома, циркония и гафния. При выборе материалов исходили из того, что пленки хрома уже хорошо изучены с точки зрения записи и проявления полученного рисунка, а пленки циркония и гафния ранее позволяли получать очень перспективные результаты.
Эксперименты показали, что процесс термохимической реакции при лазерной записи на двухслойных пленках кремний/металл более сложный, чем ожидалось сначала. В результате химического анализа экспонированных лазерным пучком участков такой пленки ученые подобрали диапазон мощности лазера, при котором металл вступает в соединение с поверхностным слоем кремния. Это приводит к образованию на металлической пленке силицидной (неоксидной) маски. При реактивном ионном травлении скорость удаления силицида титана ниже, чем у пленок хрома, что может позволить формировать в подложке более глубокие канавки. Таким образом, эта технология оказалась перспективной для изготовления дифракционных элементов с бинарно-фазовым рельефом с помощью лазерной записи на пленках титана.
Неожиданно для исследователей, наиболее интересные результаты, пригодные к внедрению в производственную практику, показала технология лазерной записи на пленках хрома с напыленным кремниевым покрытием. Чтобы проявить записанный на такой двухслойной пленке рисунок, нужно сначала в жидкостном травителе удалить не облученные лазерным пучком участки пленки кремния, а затем, уже в другом жидкостном травителе, — убрать открытые участки нижележащей пленки хрома. По сравнению со стандартной технологией, которая используется в ИАиЭ СО РАН, эта методика более сложная. Однако оказалось, что образованный силицид хрома очень устойчив к травителям как кремния, так и хрома.
«Чтобы не испортить элемент и не разрушить сформированную защитную пленку, в нашей стандартной хромовой технологии важно не передержать образец после лазерной записи в жидкостном травителе. Новая же технология позволяет решить эту проблему за счет устойчивости сформированной защитной силицидной маски к используемым травителям. Таким образом, с ее помощью можно повысить процент выпуска годных элементов. В экспериментах мы целенаправленно пытались испортить записываемую защитную силицидную маску в наших травителях, но пока нам это не удалось сделать даже специально. Кроме того, мы экспериментально подтвердили, что предложенная технология позволяет записывать структуры существенно меньшего размера», — рассказывает Дмитрий Белоусов.
В дальнейшем ученые планируют продолжить экспериментальные исследования новых технологий, чтобы выявить пределы погрешностей и определить области применения. Эти работы лежат в русле приоритетного направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Индустрия наносистем».
«Мы надеемся, что развитие методов прямой лазерной записи на многослойных металлосодержащих пленках позволит расширить наши возможности по изготовлению дифракционных оптических элементов, а также повысить экономическую эффективность и производительность производственного процесса», — комментирует Дмитрий Белоусов.
Работы выполнены в рамках гранта РНФ № 22-79-00049. Результаты проекта вошли в число важнейших достижений ИАиЭ СО РАН за 2023 год, были отмечены научной комиссией по фотонике Отделения физических наук РАН на выставке «Фотоника-2024» и опубликованы в журналах, индексируемых WoS и SCOPUS.
«Наука в Сибири» по материалам пресс-службы ИАиЭ СО РАН
Фото предоставлены пресс-службой ИАиЭ СО РАН
