Разработка и исследование оптических методов изготовления дифракционных элементов на основе материалов с управляемым коэффициентом поглощения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат технических наук Корольков, Виктор Павлович

• Корольков, Виктор Павлович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Корольков, Виктор Павлович

Оглавление

Введение.

Глава 1. Конструирование микроструктуры ДОЭ с учетом технологии изготовления.

1.1. Основы расчета дифракционных линз.

1.2. Варьирование микроструктуры ДОЭ.

1.3. Преобразование модуляционной функции ДОЭ в поверхностный микрорельеф.

1.4. Влияние ошибок и ограничений процесса изготовления на дифракционную эффективность.

1.5. Оценка дифракционной эффективности линейных и осе симметричных ДОЭ с непрерывным профилем.

1.6. Оценка дифракционной эффективности для ДОЭ, заданных аналитически.

1.7. Выводы к главе 1.

Глава 2. Круговые лазерные записывающие системы (KJI3C) для изготовления ДОЭ

2.1. КЛЗС с горизонтальным расположением шпинделя.

2.2. КЛЗС с вертикальной осью шпинделя.

2.3. Системы управления мощностью лазерного пучка с одним модулятором

2.3.1. Система модуляции с каналами прямой и обратной связи.

2.3.2. Базовая система модуляции мощности записывающего пучка.

2.3.3. Система модуляции с тремя каналами обратной связи.

2.4. Система управления мощностью пучка с независимыми каналами стабилизации и модуляции

2.4.1. Метод инкрементной записи ДОЭ.

2.4.2. Инкрементный аналого-цифровой привод модулятора.

2.5. Выводы к главе 2.

Глава 3. Экспериментальное исследование полутоновой лазерной записи на пленках аморфного кремния

3.1. Получение пленок a-Si.

3.2. Методика экспериментов.

3.3. Результаты экспериментов для пленок различных типов.

3.4. Обсуждение результатов исследований.

3.5. Применение пленок a-Si для записи полутоновых фотошаблонов.

3.6. Выводы к главе 3.

Глава 4. Исследование применения поверхностно-модифицированных LDW-стекол для лазерной записи.

4.1. Технология изготовления LDW-стекол.

4.2. Исследование воздействия сканирующего лазерного пучка на LDW-стекла.

4.3. Жидкостное травление LDW-стекол.

4.4. Особенности полутоновой лазерной записи на LDW-стеклах.

4.5. Влияние скорости сканирования на полутоновую лазерную запись.

4.6. Многопроходная запись.

4.7. Пространственное разрешение.

4.8. Использования LDW-стекол для изготовления полутоновых фотошаблонов.

4.9. Выводы к главе 4.

Глава 5. Применение полутоновых фотошаблонов для формирования рельефа фазовых ДОЭ.

5.1. ДОЭ с глубоким профилем.

5.2. Изготовление дифракционных микроструктур с высоким пространственным разрешением.

5.3. Изготовление кольцевых высокоэффективных ДОЭ.

5.4. Изготовление ДОЭ с произвольным топологическим рисунком.

5.5. Выводы к главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование оптических методов изготовления дифракционных элементов на основе материалов с управляемым коэффициентом поглощения»

Дифракционные структуры давно используются в оптике как дисперсионные элементы в спектральных приборах. Их применение для преобразования волновых фронтов долгое время оставалось всего лишь интересным математическим следствием из теории дифракции, не имеющим значения для практики. В конце 50-х годов крупнейший отечественный оптик А.И.Тудоровский писал [1]: «Исторический опыт с зонными пластинками не дает оснований надеяться на хорошие результаты применения фазовых пластинок в оптических системах. .Возможность изготовления фазовых пластинок со сферическими поверхностями, «ступенчатых линз», удовлетворительного качества, представляется весьма сомнительной». Этот вывод базировался на возможностях оптической технологии того времени.

Появление лазеров и бурное развитие микроэлектроники коренным образом изменило ситуацию. Стало возможным изготавливать оптические детали с микрорельефом, имеющим пространственные размеры сравнимые с длиной волны света. Дополнительным стимулом послужило усовершенствование в конце 60-х годов аналоговой голографии и появлением тогда же цифровой голографии. Но, безусловно, самый мощный толчок развитию технологий синтеза дифракционной оптики дал спрос на принципиально новые компоненты для наукоемкой продукции широкого потребления, возникший в девяностые годы. Основой этого спроса стало повсеместное внедрение полупроводниковых лазеров. Вообще прогресс в дифракционной оптике тесно связан с развитием лазерной техники и технологии. Хроматизм дифракционной оптики несущественен для монохроматического излучения лазеров и благодаря этому там, где применялись лазеры, практически всегда находилось место для применения дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Благодаря тому, что они дают возможность создавать продукты с совершенно новыми свойствами, которые в принципе не могли быть получены на основе традиционных оптических технологий. Результатом совместного развития лазерной техники и дифракционной оптики стало широкое их внедрение в промышленные приборы, технологии и товары массового спроса [2] .

Особенно заметной стала эта тенденция в волоконно-оптической связи, лазерных технологиях обработки металлов, офтальмологии, разработке устройств оптической записи/считывания информации, технологии дисплеев, и совершенно новой области техники - микро-опто-электро-механике.

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 простого и дешевого метода получения непрерывного фазового профиля с высоким пространственным разрешением на поверхности оптических материалов с высокой механической, химической стойкостью и температурной стабильностью.

Синтез дифракционных оптических элементов (ДОЭ) с микрорельефом сложной топологии базируется на применении современных фотолитографических и лучевых технологий. Многие методы, которые в свое время революционизировали микроэлектронику, теперь с успехом внедрены в изготовление оптики с поверхностным микрорельефом. Бинарные амплитудные фотошаблоны используются как для изготовления бинарных фазовых элементов, так и фазовых элементов с пилообразным профилем по многоуровневому методу на основе комплекта совмещаемых фотошаблонов, положившему начало промышленному освоению высокоэффективных ДОЭ (Рис. 1,а) . Методами фотолитографии рисунок фотошаблона переносится в рельефообразующий материал (как правило, фоторезист) и производится сухое или жидкостное травление подложки на определенную глубину. Специфика микроструктуры дифракционной оптики позволяет при использовании N фотошаблонов получить 2м фазовых уровней [3].

N111111

ПИИЖНИН)

Первый бинарный фотошаблон

1111111! ПИКИ

Экспонирование

Проявление фоторезиста Травление подложки

Второй фотошаблон

Экспонирование Проявление

Травление а)

Прямая запись с переменной интенсивностью

5 Про явление

Травление

НИЖНИМИ

Полутоновой фотошаблон

Экспонирование

Проявление

Травление в)

Рис.1. Технологии изготовления высокоэффективных ДОЭ. 1есмотря на высокую точность изготовления отдельных фотошаблонов, фотолитографическая технология на основе комплекта совмещаемых бинарных шаблонов не позволяет изготавливать дифракционные элементы с высокой числовой апертурой и большой глубиной фазового профиля (высокопорядковые ДОЭ - [4]) . Трудность этого метода заключается в конечной точности совмещения фотошаблона и фазовой микроструктуры и, следовательно, накоплении ошибок совмещения при переходе от шаблона к шаблону.

Поэтому методы прямой лазерной или электронно-лучевой записи на пленках резистов широко применяются при синтезе высокоэффективных и высококачественных ДОЭ. Метод прямой записи сфокусированным пучком по рельефообразующему материалу позволяет избавиться от многочисленных операций совмещения фотошаблона и сформированного на предыдущем шаге микрорельефа (Рис.1, б). Но в этом случае рельеф, сформированный в фоторезисте, можно переносить только один раз в подложку, а для каждого последующего элемента приходится повторять дорогостоящий процесс записи. Поэтому чаще всего метод прямой записи используют для тиражирования полученного в фоторезисте оригинала методами гальванопластики и снятия реплик. С оригинала, полученного прямой записью сфокусированным пучком, снимается никелевая копия, которая затем тиражируется в любых количествах методами, применяемыми для производства CD/DVD дисков: фотополимеризации, инжекционного литья под давлением и т.д. [5]. Такая технологическая цепочка стала базовой для массового промышленного изготовления ДОЭ. Но конечным продуктом является недолговечные элементы из полимерных материалов.

Многообещающей альтернативой является полутоновая технология, в основе которой лежит применение полутоновых фотошаблонов (ПФ), в которых коэффициент пропускания меняется плавно или ступенчато по заданному закону в требуемом для фотолитографического процесса диапазоне [ б] (рис.1, в) . Полутоновая технология позволяет применить как многократную контактную печать без зазора (в отличие от фоторастрового метода) , так и высокоразрешающую проекционную печать с уменьшением.

Наиболее простым и доступным материалом, который может быть применён для изготовления ПФ, является фотографическая эмульсия [7]. Изображение шаблона на ней может быть получено, например, проекционной печатью с уменьшением. Однако пространственное разрешение и механическая прочность фотоэмульсии низкие, а явление усадки (вследствие «мокрого» процесса обработки) снижает точность выполнения шаблона.

Другой известный метод изготовления ПФ основан на разбиении полутонового изображения на ячейки, в которых оптическое пропускание может принимать определенное значение из заданного диапазона при многократном напылении поглощающей пленки через окна в маскирующем покрытии [8]. При использовании дихотомического метода для получения 2N уровней плотности требуется N бинарных масок и N раз повторять фотолитографию и напыление. Использование этого метода ограничено точностью совмещения бинарных фотошаблонов.

В принципе полутоновой фотошаблон может быть эмулирован и бинарным растрированным фотошаблоном, который передает изменение коэффициента пропускания изменением ширины прозрачных элементов структуры на основе алгоритмов широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции с последующей фильтрацией частоты дискретизации [9]. В результате при переносе изображения с помощью проекционной оптической системы или контактной печати с зазором в фоторезисте формируется необходимое распределение интенсивности. Но необходимость фильтрации частоты дискретизации существенно ограничивает пространственное разрешение метода. Поэтому он нашел применение в основном при изготовлении рефракционной микрооптики [Ю] .

Важнейшим моментом в доказательстве жизнеспособности идеи полутоновых фотошаблонов стало появление HEBS-стекол (HEBS - high energy beam sensitive), производимых американской фирмой CANYON MATERIALS [11]. HEBS-стекла уже достаточно хорошо исследованы и применяются для изготовления полутоновых фотошаблонов на электронно-лучевых генераторах изображений [12]. Однако этот материал и электронно-лучевая запись обладают рядом недостатков: во-первых, запись фотошаблонов большого размера на электроннолучевых генераторах изображений - весьма дорогостоящий процесс, во-вторых, электронно-лучевая запись на HEBS-стеклах имеет принципиально низкое пространственное разрешение, обусловленное рассеянием электронов в толстом (>1 мкм) чувствительном слое, и, в-третьих, электронно-лучевые генераторы изображений не позволяют проводить локальное фотометрирование изготавливаемого фотошаблона для калибровки в процессе записи.

Лазерные сканирующие системы записи экономически более эффективны, чем электронно-лучевые, и фотометрирование в них осуществить гораздо легче. В связи с этим, перспективным представляется исследование материалов, изменяющих коэффициент поглощения под действием сфокусированного лазерного пучка, но остающихся стабильными под воздействием актиничного ультрафиолетового излучения при переносе структуры шаблона в фоторезист. Известен ряд материалов, обладающих таким свойством (халькогениды, фотохромные материалы), но они имеют либо низкую механическую прочность, либо нестабильность оптических свойств. Поэтому задача поиска и исследования новых материалов для лазерной записи ПФ весьма актуальна.

Задача изготовления полутоновых фотошаблонов предъявляет специфические требования не только к светочувствительным материалам, но и к лазерным записывающим устройствам. Они связанны с необходимостью повышения точности управления мощностью записывающего пучка и осуществления контроля параметров регистрирующей среды и процесса записи. Необходимо также отметить специфику фотошаблонов ДОЭ как таковых. Они существенно отличаются от фотошаблонов используемых в микроэлектронике. Дифракционные оптические элементы могут иметь диаметр до 2 00-3 0 0 мм (а для некоторых уникальных задач- и 1 метр [13]), а характерный размер дифракционных зон может изменяться от микрометров до миллиметров. Требования на точность могут достигать долей длины волны света. При этом они накладываются не только на относительную точность межзонных расстояний или совмещаемость шаблонов комплекта, но и на абсолютную точность выполнения всех элементов структуры относительно некоторого начала координат. В то же время в дифракционной оптике нет необходимости в столь высоких требованиях как в микроэлектронике на дефектность микроструктур, так как оптические элементы работают интегрально всей площадью.

В литературе описан ряд различных Х-У и круговых сканирующих систем, используемых для изготовления ДОЭ [14-17]. Элементы первичного изображения в полярных координатах - это круги и дуги, в то время как в Декартовой системе это линии и прямоугольники. Упомянутые выше элементы записываются с минимальными ошибками дискретизации. Дифракционная структура в электронно-лучевых или лазерных устройствах записи, работающих в прямоугольной системе координат, представляется набором элементарных изображений трапеций или прямоугольников, ориентированных вдоль двух фиксированных ортогональных осей [18]. Это приводит к рассеянию света на углах прямоугольников и появлению дополнительного шума в формируемом изображении. Но для ДОЭ с произвольной топологией, границы дифракционных зон - это сложные геометрические кривые, которые искажаются примерно одинаково независимо от метода сканирования.

Круговые сканирующие системы имеют несколько преимуществ по сравнению с традиционными х-у системами [19]. Главное преимущество это высокая скорость записи благодаря непрерывному сканированию по угловой координате. Линейная скорость записывающего пучка может легко достигать десятков метров в секунду. Это позволяет изготавливать ДОЭ большого диаметра за короткое время, и, следовательно, приводит к уменьшению вероятности возникновения ошибок и затрат на изготовление.

Другое важное преимущество кругового сканирования это уменьшение шумов при синтезе ДОЭ с дифракционными зонами близкими по форме к кругу (спираль, эллипс). Запись в полярных координатах резко уменьшает количество данных для осесимметричных ДОЭ. Дифракционные элементы такого типа могут быть изготовлены с максимальной точностью только на устройствах, использующих для записи полярную систему координат. И, наконец, круговые системы могут быть применены для записи ДОЭ на выпуклых или вогнутых поверхностях вращения. Таким образом, наиболее перспективным способом изготовления фотошаблонов ДОЭ является запись с помощью круговых лазерных записывающих систем.

Цель работы заключалась в разработке и исследовании оптических методов изготовления дифракционных элементов с использованием прямой лазерной записи полутоновых фотошаблонов на материалах с управляемым коэффициентом поглощения. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: исследовать поведение оптических свойств пленок аморфного кремния и поверхностно-модифицированных ЪБИ-стекол под действием лазерного излучения; разработать и исследовать способы записи, контроля и применения полутоновых фотошаблонов для формирования микрорельефа ДОЭ; разработать методы управления мощностью лазерного пучка, обеспечивающие запись осесимметричных и произвольных полутоновых фотошаблонов на круговых лазерных записывающих системах; разработать метод оценки дифракционной эффективности ДОЭ при данном технологическом процессе по аналитически заданной для этого ДОЭ фазовой функции.

В первой главе кратко рассмотрены основные принципы расчета высокоэффективных фазовых ДОЭ на примере дифракционной линзы. Обсуждены методы вариации микроструктуры ДОЭ, преобразование модуляционной функции в поверхностный микрорельеф и влияние ошибок и ограничений технологии рельефообразования на дифракционную эффективность.

На основе известных методов расчета дифракционной эффективности линейных решеток с «блеском» предложен подход к оценке эффективности линейных и осесимметричных ДОЭ в первом порядке дифракции. Подход учитывает заданное распределение интенсивности излучения на линзе, эффект «затенения» и влияние обратного ската, характерного для предполагаемого технологического процесса. Угол наклона всех зон считается выполненным идеально. Дискретизация профиля по глубине отсутствует.

Предложен также численный метод оценки дифракционной эффективности произвольного ДОЭ, заданного аналитически. Алгоритм основан на суммировании вкладов в дифракционную эффективность от ячеек, на которые разбита область задания элемента. Период сетки выбирается меньше минимального периода зон ДОЭ. Вклад от каждой ячейки сетки оценивается как эффективность линейной пилообразной решетки с периодом, соответствующим градиенту фазовой функции в этой точке и заданной длине волны. Это значение эффективности рассчитывается с учетом эффекта «затенения» и величины обратного ската для предполагаемого технологического процесса и берется с весовым коэффициентом, распределение интенсивности падающего на элемент излучения. Метод позволяет оценить достижимость заданной дифракционной эффективности элемента без рассмотрения выполняемого им преобразования волнового фронта.

Во второй главе описаны круговые лазерные записывающие системы (КЛЗС), использовавшиеся для проведения экспериментов.

В ИАиЭ СО РАН при участии автора работы разработаны два типа таких устройств, предназначенных для записи ДОЭ в полярной системе координат: с горизонтальным и вертикальным расположением аэростатического шпинделя. Рассмотрены устройство и технические параметры каждой КЛЗС.

С точки зрения развития технологий записи, особенно важен канал модуляции мощности записывающего пучка. Требования новых технологий записи стимулировали разработку новых систем модуляции. Было разработано и реализовано несколько оригинальных систем модуляции. Первоначально все системы строились на применении одного акустооптического модулятора. Были разработаны три системы: с прямой и обратной связью по сигналам с двух фотоприемников, с одним каналом обратной связи и с тремя каналами обратной связи по сигналу с одного фотоприемника. Созданный базовый канал модуляции КЛЗС с одним каналом оптико-электронной обратной связи осуществлял стабилизацию заданного уровня мощности и высокоскоростную бинарную модуляцию. Он обеспечил возможность записи с высокой точностью произвольных бинарных масок и кольцевых полутоновых фотошаблонов. На его основе была разработана система модуляции записывающего пучка КЛЗС с тремя каналами обратной связи для технологических задач, требующих переключения мощности пучка между несколькими уровнями (диски-оригиналы для оптической памяти, многоуровневые ДОЭ).

С целью увеличения количества уровней в записываемых структурах и точности формы дифракционных зон разработан принцип инкрементной записи многоуровневых дифракционных структур. На базе этого принципа создан инкрементный аналого-цифровой привод скоростного модулятора, который был использован для 16-ти уровневой модуляции излучения в составе системы управления мощностью пучка с независимыми каналами стабилизации и модуляции. Эта система с двумя модуляторами была применена в модернизированной круговой лазерной записывающей системе CLWS-300.

В третьей главе описывается экспериментальное исследование полутоновой лазерной записи на пленках негидрогенизированного аморфного кремния (a-Si). Нагрев лазерным излучением приводит к уменьшению коэффициента пропускания пленок. Степень осветления зависит от мощности записывающего пучка и скорости сканирования. Контраст записи, понимаемый как отношение пропускания облученной пленки к пропусканию исходной пленки, может достигать 10 для длины волны 43 6 нм. Результаты исследования термоструктурной лазерной записи на пленках a-Si показали возможность полутоновой регистрации изображений с пространственным разрешением до 2 000 лин/мм.

Экспериментальное исследование записи на пленках, полученных различными способами напыления, показало, что эффект наблюдается на пленках всех типов, но диапазоны изменения коэффициента пропускания и соответствующие им диапазоны интенсивности записывающего лазерного пучка, различны. Некоторые типы пленок склонны к образованию микрокристаллитов, которые увеличивают дефектность.

Обнаружено увеличение толщины пленок на облученных участках пленок кремния. При мощности лазерного пучка вблизи порогового значения, требуемого для плавления, увеличение достигает 2 5% от исходной толщины пленки и монотонно уменьшается при понижении мощности записывающего пучка.

Впервые продемонстрирована оптическая запись полутоновых фотошаблонов сфокусированным лазерным пучком на пленках a-Si. При этом обнаружен эффект оконтуривания дифракционных зон, характерный для полутоновой оптической записи на материалах, изменяющих свое пропускание под действием лазерного излучения.

Исследованы различные методы тестирования полутонового регистрирующего материала перед записью и методы проверки полутоновых фотошаблонов.

Четвертаяглава посвящена исследованию поверхностномодифицированных LDW-стекол - нового и перспективного материала для полутоновой лазерной технологии. Для изготовления этих стекол используют заготовки из цинко-боросиликатного стекла, подвергающиеся ионному обмену для введения ионов серебра в структуру боросиликатного стекла. Последующее облучение широким электронным пучком приводит к образованию металлических частичек серебра, резко повышающих оптическое поглощение поверхностного слоя стекла. Сфокусированный лазерный пучок осуществляет тепловое стирание окрашенных частичек за счет химической реакции металлического серебра. Пропускание стекла зависит от мощности пучка и его можно менять от первоначального значения, равного 0,1-5%, до 70-80 %.

Приводятся результаты количественного исследования поведения LDW-стекол при различных режимах записи: измерены зависимость коэффициента пропускания от мощности пучка при различных скоростях сканирования; исследовано пространственное разрешение и определена взаимосвязь пространственного разрешения и изменения коэффициента пропускания.

Обнаружено различие в распределении коэффициентов пропускания дифракционных зон, записанных с повышением и с понижением мощности пучка вдоль траектории пучка. Предложены способы записи, устраняющие или уменьшающие разницу в форме зон.

Для повышения точности записи полутоновых фотошаблонов предложено использовать метод импульсной записи вблизи центра вращения подложки. При таком методе записи мощность лазерного пучка, необходимая для достижения заданного уровня пропускания, слабо зависит от скорости сканирования до 10 см/с.

В основе технологии изготовления полутоновых фотошаблонов лежит зависимость оптических свойств модифицированного поверхностного слоя от плотности поглощенной энергии лазерного пучка. Однако при этом имеет место обратное воздействие измененных оптических свойств на дальнейшее поглощение энергии записывающего пучка, проявляющееся, в частности, в проблеме «оконтуривания» дифракционных зон. Предложены различные методы преодоления эффекта «оконтуривания» при записи полутоновых фотошаблонов.

В пятой главе рассмотрены различные методы получения поверхностного микрорельефа с применением материалов, изменяющих коэффициент пропускания под действием лазерного излучения.

Предложен и экспериментально апробирован метод изготовления матриц-оригиналов для репликации ДОЭ с глубоким рельефом с применением контактной печати двух идентичных полутоновых фотошаблонов.

Приведено описание нового метода изготовления фоторезистных матриц-оригиналов и кварцевых ДОЭ с высоким пространственным разрешением на основе использования фотошаблонов записанных на пленках аморфного кремния и обратного экспонирования фоторезиста нанесенного на рисунок фотошаблона. Возможности нового метода показаны на примере изготовления микрорельефа с периодом 0,8 мкм. Данный метод может быть применен при изготовлении больших кварцевых высокоэффективных и высокоапертурных ДОЭ, которые не могут быть изготовлены методом контактного копирования из-за большой площади и мелких зон.

Продемонстрированы возможности полутоновой фотолитографической технологии на примере изготовления серии дифракционных линз. Проведено сравнение дифракционной эффективности этих линз, измеренной экспериментально и рассчитанной по предложенной методике.

Впервые продемонстрирована запись полутоновых фотошаблонов с произвольным топологическим рисунком на КЛЗС. При этом доказана возможность устранения «оконтуривания» дифракционных зон с помощью формирования короткого светового импульса перед экспонированием зон с понижением мощности вдоль траектории движения пучка.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы настоящей работы.

На защиту выносятся следующие положения:

1. На пленках негидрогенизированного аморфного кремния, обладающих высокой механической прочностью и химической стойкостью, можно производить прямую лазерную запись полутоновых фотошаблонов, обеспечивающую пространственное разрешение до 2 00 0 лин/мм и диапазон изменения коэффициента пропускания от 0,5-2% до 10-20% (длина волны 43 6 нм).

2. Метод прямой лазерной записи на поверхностно-модифицированных стеклах позволяет изготавливать полутоновые фотошаблоны ДОЭ с периодом дифракционных зон до 5 мкм. При этом максимальное пространственное разрешение и точность формирования дифракционных зон достигаются в диапазоне изменения коэффициента пропускания от 5-10% до 60% (длина волны 436 нм).

3. Погрешности изготовления полутоновых фотошаблонов при прямой лазерной записи на материалах с управляемым коэффициентом поглощения можно снизить, контролируя оптические свойства записанных структур, применяя режим импульсной записи при скорости сканирования ниже 10 см/с и формируя короткий световой импульс перед экспонированием полутоновых зон с понижением мощности пучка вдоль траектории его движения

4. Двухсторонним контактным экспонированием пленки фоторезиста через два идентичных полутоновых фотошаблона, на один из которых эта пленка предварительно нанесена, можно обеспечить формирование микрорельефа ДОЭ с глубиной более 5 мкм.

5. Разработанные и созданные устройства модуляции и стабилизации мощности записывающего пучка, включающие оптико-электронный канал обратной связи, обеспечивают запись высокоточных бинарных и полутоновых фотошаблонов ДОЭ на круговых лазерных записывающих системах в диапазоне скоростей от менее чем 10~2 см/с до 103 см/с.

1. Конструирование микроструктуры ДОЭ с учетом технологии изготовления

Первым этапом в процессе создания дифракционного оптического элемента является расчет его микроструктуры на основе требований выполняемой им оптической задачи и возможностей технологического процесса. И очень часто, именно возможности технологического процесса являются главным ограничивающим фактором в таких расчётах. Особенно актуальна проблема оптического конструирования, учитывающего особенности технологии изготовления, для высокоэффективных фазовых ДОЭ. Причем при расчете таких элементов необходимо не только рассчитать микроструктуру элемента, но и оценить его дифракционную эффективность, так как это помогает избежать траты времени и средств на попытки изготовления ДОЭ с заведомо неприемлемыми для данной оптической задачи параметрами. Тем более, что иногда даже невозможно измерить дифракционную эффективность ДОЭ как целого, пока не собрано все устройство. В оптических же схемах, содержащих несколько ДОЭ, вопрос предварительной оценки дифракционной эффективности является первоочередным и обязательным элементом оптического конструирования.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Корольков, Виктор Павлович

Выводы:

1. Доказана возможность применения полутоновых фотошаблонов на основе материалов с лазерно-индуцированным изменением коэффициента пропускания для изготовления высокоэффективных дифракционных оптических элементов с периодом дифракционных зон до 5 мкм.

2. Разработан и исследован метод изготовления фазовых ДОЭ с применением контактной двухсторонней печати двух идентичных полутоновых фотошаблонов, который обеспечивает получение глубины рельефа не менее 5 мкм.

3. Разработан новый метод изготовления микропрофилированных фоторезистных матриц-оригиналов и кварцевых ДОЭ o высоким пространственным разрешением на основе использования фотошаблонов, записанных на пленках аморфного кремния, и обратного экспонирования фоторезиста, нанесенного на рисунок фотошаблона. Для случая изготовления кварцевых ДОЭ проводится ионное травление кварцевой подложки через слой проявленного фоторезиста и полутоновой маскирующий слой a-Si.

4. Методом полутоновой фотолитографии изготовлена серия дифракционных линз с минимальным периодом зон 8 мкм. Максимальная достигнутая дифракционная эффективность линз составила 82% при равномерном распределении интенсивности излучения в плоскости линзы. На примере этих линз проверен предложенный метод оценки дифракционной эффективности. При обратном скате 1,5 мкм и равномерном распределении интенсивности этот метод дает величину эффективности 77%.

5. Подтверждена возможность записи полутоновых фотошаблонов с произвольным топологическим рисунком и количеством уровней не менее 16 на круговой лазерной записывающей системе.

6. Доказана возможность устранения оконтуривания дифракционных зон с помощью формирования короткого светового импульса перед экспонированием зон с понижением мощности вдоль траектории движения пучка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в работе получены следующие результаты и выводы:

1. Путем исследования эффекта уменьшения коэффициента поглощения пленок a-Si под действием сфокусированного лазерного пучка в диапазоне скоростей сканирования от 1СГ2 см/с до 2 00 см/с доказана возможность прямой лазерной записи полутоновых фотошаблонов с пространственным разрешением до 2 00 0 мм-1 и диапазоном изменения коэффициента пропускания от 0,5-2% до 102 0% (длина волны 43 6 нм).

2. Обнаружен эффект увеличения толщины пленки аморфного кремния при нагреве лазерным излучением, который предложено использовать для прямого формирования фазового микрорельефа с глубиной до 50 нм.

3. На основе изучения поведения оптических свойств поверхностно-модифицированных LDW-стекол при непрерывном и импульсном режимах лазерной записи в диапазоне скоростей сканирования до 400 см/с показано, что максимальные пространственное разрешение и точность формирования топологического рисунка полутоновых фотошаблонов достигаются в диапазоне изменения коэффициента пропускания от 5-10% до 60% (длина волны 43 6 нм).

4. Разработанные и созданные устройства модуляции и стабилизации лазерного излучения, реализующие принцип оптико-электронной обратной связи, обеспечивают на круговых лазерных записывающих системах запись с субмикронной точностью бинарных и многоуровневых дифракционных элементов.

5. Предложен и реализован метод инкрементной записи дифракционных структур, позволивший при изготовлении многоуровневых элементов с произвольным топологическим рисунком сократить объем данных, передаваемых в устройство записи.

6. На материалах с управляемым коэффициентом поглощения (пленки а-Si и LDW-стекла) контроль оптических свойств записанных структур и сочетание режимов импульсной записи (при скорости сканирования ниже 10 см/с) и непрерывной записи (при скорости сканирования выше 10 см/с) обеспечивают снижение погрешности изготовления полутоновых фотошаблонов.

143

7. Устранение эффекта «оконтуривания» дифракционных зон при записи произвольных полутоновых• фотошаблонов оптимально достигается путем формирования короткого светового импульса перед экспонированием полутоновых зон с понижением мощности пучка вдоль траектории его движения.

8. Разработанный и исследованный метод изготовления фазовых ДОЭ с применением контактной двухсторонней печати двух идентичных полутоновых фотошаблонов обеспечивает получение глубины рельефа не менее 5 мкм.

9. Реализуемость требуемой дифракционной эффективности ДОЭ при данном технологическом процессе можно определить по аналитически заданной для этого ДОЭ фазовой функции.

Разработанные оптические методы изготовления дифракционных элементов с использованием прямой лазерной записи и устройства для их реализации внедрены в эксплуатацию в ряде российских и зарубежных научно-технических организаций.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Корольков, Виктор Павлович, 2000 год

1. Тудоровский А.И. Объектив с фазовой пластинкой// Оптика и спектроскопия. - 1959.- т. V1.- вып. 2.- с.198-210.

2. Коронкевич В.П, Корольков В.П., Ленкова Г.А., Михальцова И.А., Пальчикова И.Г., Полещук А.Г., Седухин А.Г., Чурин Е.Г., Юрлов Ю.И. Киноформы: технология, новые компоненты и оптические системы. Часть I1//Автометрия.- 1989. -N 4.- стр.47-64.

3. Спектр Б.И. Об одном методе синтеза фазовой структуры киноформов//Автометрия.-1985.- N6.- с.34.

4. Faklis D., Morris М. . Spectral properties of multiorder diffractive lenses// Appl.Opt.- 1995. v.34,- P.2462.

5. Gale M.T. Replication technology for diffractive optical elements//Proс. SPIE N3010.-1997.-111-123.

6. Заявка на патент Японии N59-50521, МКИ H01L21/30, опубл. 23.03.1984. РЖЭ.- N1.-1986.

7. Anderson Н., Ekberg М., Hard S. , Jacobsson S., Larsson M., NilssonT. Single photomask, multilevel kinoforms in quartz and photoresist: manufacture and evaluation //Applied Optics- v. 29.1. N 28.- pp.4259-4264.

8. Morton S. The finbest gray scale yet//IEEE Spectrum.- October-1993.- p.68.

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

10. Reimer К., Quenzer H.J., Jurss М., Wagner В. Micro-optic fabrication using one-level gray-tone lithography// Proc. SPIE.-1997. -v.3008. pp.279-288.

11. Wu C., Che-Kuang. Патент США N 4894303. 1990.

12. Barton I.M., Britten J.A., Dixit S.N., et al. Large-aperture, lightweight diffractive lenses for spaceapplications// in Diffractive Optics and Micro-Optics, OSA Technical Digest (Optical society of America, Washington DC, 2000)pp.253-255.

13. Коронкевич В.П, Корольков В.П., Ленкова Г.А., Михальцова И.А., Пальчикова И.Г., Полещук А.Г., Седухин А.Г., Чурин Е.Г., Юрлов Ю.И. Киноформы: технология, новые компоненты и оптические системы. Часть 1//Автометрия.- 1989. -N 3.

14. Ogata S., Tada М., Yoneda М. . Electron-deam writing system and its application to large and high-density diffractive optic elements//Appl.Opt.-1994.- v.33,- p.2032.

15. Bowen J.P., Michaels R.L., Blough C.G. Generation of large-diameter diffractive elements with laser pattern generation//Appl. Opt.-1997.- v.36.- p.8970.

16. Goltsos W., Liu S. Polar co-ordinate laser writer for binary optics fabrication//Proc. SPIE.-1990.- v.1211.- p.137.

17. Hawley R.W., Gallager N.C. An efficient electron beam pattern data format for the production of binary computer generated holograms// SPIE.- 1990.-v.1211.- pp.11-23.

18. Koronkevich V.P., Kiryanov V.P., Korol'kov V.P., Poleshchuk A.G., Cherkashin V.V., Kharisov A.A. Fabrication of diffractive optical elements by laser writing with circular scanning //Proc. SPIE.-1995.- v.2363.- pp.290-297.

19. Гудмэн Дж. Введение в Фурье оптику. М.: Мир, 1970.

20. Гончарский А.В., Попов В.В., Степанов В.В. Введение в компьютерную оптику. М.: Издательство МГУ, 1991.

21. Hessler Т., Rossi М., Kunz R.E., Gale М.Т. Analysis and optimization of fabrication of continuous-relief diffractive optical elements// Appl. Opt.- 1998.-v.3.-pp.4069-4079.

22. Минин И.В., Минин О.В. Дифракционная квазиоптика и ее применения //Новосибирск.-СибАГС.-1999.-273с.

23. Методы компьютерной оптики//Под ред. В.А.Сойфера.- М. : Физматлит, 2000.- 688с.

24. Ленкова Г.А. Киноформ: Синтез фазовой структуры и допустимые погрешности//Препринт N98, ИАиЭ, 1979г.

25. Fujita T.,Nishihara N,.Koyama J, .Blazed gratings and Fresnel lenses fabricated by electron-beam lithography//Optics Letters.-1982. -v.7.- N12.- p.578-580.

26. Suleski T.J., O'shea D.С.Gray-scale masks for diffractive optics fabrication: I. Commercial slide imagers// Appl. Opt.-1995.-v.34.- N 32.- pp.7507-7517.

27. Levy U., Mendlovic D., Marom E. Efficiency analysis of resolution-limited D0Es//in Diffractive Optics and Micro-Optics, OSA Technical Digest (Optical society of America, Washington DC, 2000). -pp.150-152.

28. Ведерников B.M., Кирьянов В.П., Коронкевич В.П., Корольков В.П., Полещук А.Г., Седухин А.Г. Лазерная технология изготовления круговых шкал и кодовых дисков//Препринт №319.-ИАиЭ СО АН СССР.- Новосибирск.- 1986.

29. Koronkevich V.P., Kiryanov V.P., Korol'kov V.P., Poleshchuk A.G., Cherkashin V.V., Kharisov A.A. Fabrication of diffractive optical elements by laser writing with circular scanning.// Proc. SPIE.-1995 -v.2363.- pp.290-297.

30. Коронкевич В.П., Корольков В.П., Полещук А.Г., Харисов А.А., Черкашин В.В. Синтез дифракционных оптических элементов в полярной системе координат анализ погрешностей изготовления и их измерение// Автометрия.- 1997.- №6.- с.42-56.

31. 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.-N8.-pp.1295-1301.

32. Коронкевич В.П., Полещук А.Г., Чурин Е.Г., Юрлов Ю.И. Лазерная термохимическая технология синтеза дифракционных оптических элементов в пленках хрома//Квантовая электроника.-1985.- N 4. с. 755 .

33. Cherkashin V.V., Churin E.G., Korol'kov V.P., Kooronkevich V.P., Kharissov A.A., Poleshchuk A.G.,.Bürge J.H. Processing parameters optimization for thermochemical writing of DOEs on chromium films//Proc. SPIE.- 1997.- v. 3010.-pp. 168-179.

34. Корольков В.П., Полещук А.Г., Чурин Е.Г. Способ изготовления дифракционных оптических элементов. Авторское свидетельство СССР №1280560, 1986, G02B 27/42 //Бюлл.: Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки.-1986.

35. Koronkevich V.P., Kirianov V.P., Korolkov V.P., Poleshchuk A.G., Cherkashin V.A., Harisov A.A. Fabrication of diffractive Optical elements by direct laser-writing with circular scanning//Proс.SPIE. -1995.-V.2363.- pp. 290-297.

36. Guhr J. Test results of the circular laser writing system CLWS-300/с//EOS Topical Meeting Series, Diffractive Optics.-1997. V.12.- P.206.

37. Корольков В.П., Полещук А.Г. Устройство модуляции светового потока с шумоподавлением. Авт. Свид. №1034506, 1983, G02fl/01.

38. Корольков В.П., Полещук А.Г. Управление оптическим излучением в прецизионных лазерных фотопостроителях// Автометрия.- 1985.- N 6.- с.51-61.

39. Rao L.K. Optics Communications. 1988.-V. 65.- p. 239.

40. Новые регистрирующие среды для голографии.-J1. : Наука, 1983.

41. Staebler D.L. Laser-beam annealing of discharge-produced amorphous silicon//Journal of Applied Physics.-1979.-v. 50,- p. 3648-3652.

42. Казанский А.Г., Сапцин B.M., Сапцина Т.Н. Оптическая запись и обработка информации//Куйбышев. изд.КуАИ.-1986.- с.72.

43. Janai М., Moser F. . Journal of Applied Physics.-1982.- v. 53.- N3.- pp.1385-1386 .

44. Корольков В.П., Чернухин В.П. Лазерная технология изготовления фотошаблонов на пленках аморфного кремния// Тезисы докладов III Всесоюзной конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» -Таллин.-1987.- с.67-68.

45. Shih, Jern Т.С., Rong Н.С., Hsiang Н.Т. A feasibility study on the use of amorphous silicon as optical recording medium // Jap. J. Appl. Phys.- 1987.-Pt.l.-v.26.- N2.- pp.193-196.

46. Комраков Б.М., Шапочкин Б.А. Измерение параметров оптических покрытий//М.: Машиностроение.- 1986.

47. Гочияев В.З., Корольков В.П., Соколов А.П., Чернухин В. П. Полутоновая оптическая запись на пленках а-Б1//Квантовая электроника.-1989.- т.16.- N11.- с.2343-2348,

48. Korolkov V.P., Malyshev A.I., Nikitin V.G., Cherkashin V.V., Poleshchuk A.G., Kharissov A.A.Application of gray-scale LDW-glass masks for fabrication of high-efficiency DOEs//Proc. SPIE.-1999. -v.3633.- pp.129-138.

49. Корольков В.П., Чернухин В.П. Оптическая запись на пленках аморфного кремния с субмикронным разрешением//Журнал технической физики.- 1989.-т. 59.-вып. 6.- с.131-133.

50. Gotchiyaev V.Z., Korolkov V.P., Sokolov А.P. Optical recording on amorphous silicon films: optical and structural changes, spatial resolution// Proc. Ill Intern. Symp. on Modern Optics, 1988, v.II, p.446-449. Budapest.

51. Корольков В.П., Крыжовский И. И. Михайлов М.Д., Соколов А.П. Применение пленок аморфного кремния в лазерной технологии изготовления КОЭ//Тезисы докладов всесоюзного семинара-совещания «Вопросы прикладной голографии».- Тбилиси.- 1989.-с.47.

52. Korolkov V.P., Sokolov А.P., Semakov V.S. Optical recording materials for producing diffraction elements// Procedings SPIE, International Conference "Holography'89", 1989.-v.1183.- p.672-674.-Varna, Bulgaria.

53. Gotchiyaev V.Z., Korolkov V.P., Sokolov A.P., Chernukhin V.P. High resolution optical recording on a-Si films// Journal of Non-Crystalline Solids.- 1991.-V137&138.-pp.1297-1300.

54. Richter M., Wang Z.P., Ley L. Solid state communications. -1981. -v.69.- p. 625.

55. Iqbal Z. et al. Solid State Communications.-v.69.-1981. -p.993.

56. Webber H.C., Gullis A.G., Chew N.G. Applied Physics Letters.- 1983.- v.43.- p.669.

57. Olson G.L. et al. In: Laser Solid Interactions and

58. Transient Thermal Processing of Materials. N.Y.: Elsiver Science

59. Publishing Company.-1983.-p.141.

60. Wu C., Che-Kuang. High energy beam sensitive glasses. Патент США N 5285517. C03C 15/00.- 1994.

61. Kley E.B., Cumme M., Wittig L.C., Wu C. Adapting existing e-beam writers to write HEBS-glass gray scale masks// Proceedings SPIE.- V.3633.- 1999.-PP.

62. CMI Product information No. 95-08. LDW-glass photomask blanks.

63. Перло П., Синези С., Рипетто М., Успленьев Г. В. Использование круговой лазерной записывающей системы для изготовления полутоновых шаблонов дифракционных оптических элементов на основе DLW glass пластинок//Компьютерная оптика.-1997.-№17.- с.85-93.

64. Корольков В.П., Малышев А.И., Никитин В.Г., Полещук А. Г., Харисов А.А., Черкашин В.В., By Ч. Полутоновые фотошаблоны на основе LDW-стекол //Автометрия.- 1998.-N6.-рр.27-37.

65. Корольков В.П., Малышев А.И., Никитин В.Г., Полещук А.Г., Харисов А.А., Черкашин В.В., By Ч. Изготовление высокоэффективных ДОЭ с помощью полутоновых фотошаблонов на основе LDW-стекол// Компьютерная оптика, Самара, 1998, Т. 18, стр. 43-51.

66. Коронкевич В.П., Корольков В.П., Полещук А. Г. Лазерные технологии в дифракционной оптике// Автометрия.-1998.-N 6.-С.5-26.

67. Koronkevich V.P., Korolkov V.P., Malyshev A.I., Nikitin V.G. New fabrication method for diffractive optical elements with deep phase relief// Proceedings SPIE.-V.3010.-1997.- pp.180-191.

68. Коронкевич В.П., Пальчикова И.Г., Полещук А.Г. Бифокальный микроскоп с киноформными оптическими элементами//Автометрия.-1987. -N 6.

69. Korolkov V.P., Malyshev A.I. , Nikitin V.G., Poleshchuk A.G., Wu С. Fabrication of high-efficiency diffractive optical elements with application of LDW-glass// EOS Topical Meeting Digest Series «Diffractive Opitics».- 1999.-V.22.-P. 189-190.

70. Koronkevich V.P., Lenkova G.A., Iskakov I.A., Korolkov V.P., Malyshev A.I. The bifocal diffractive/refractive intraocular lens // Abstracts of 3d International Symposium Modern Problems of Laser Physics. Novosibirsk, 2000. p. 201.

71. Шиманский P.В., Полещук А.Г., Корольков В.П., Черкашин В.В., Харисов А.А. Оптимизация метода прямой записи при изготовлении ДОЭ с непрерывным профилем// Компьютерная оптика. N2 0, стр. 8 083.