Анализ погрешностей лазерной записи оптических микроструктур на плёнках молибдена

В настоящее время абляция металлических плёнок лазерным излучением широко используется в таких областях, как полупроводниковое производство, фотоэлектрические устройства, дифракционные решетки и другие высокотехнологичные приложения [1–9]. В данной области исследований актуальной является задача формирования амплитудных дифракционных оптических элементов (ДОЭ), а также маскирующих слоёв, применяемых для переноса микрорельефа в подложку. В этом отношении перспективны тонкие плёнки молибдена [6], поскольку молибден имеет следующие особенности:

– низкие температуры окисления металла и сублимации оксида;

– высокое соотношение температуропроводностей металл/оксид.

В работах [10–12] показана возможность формирования оптических микроструктур путём лазерной абляции тонких плёнок молибдена. Был обнаружен эффект трёхкратного сокращения размера зоны абляции (по сравнению с диаметром фокального пятна). Однако края треков получались неровными, вокруг треков формировалась зона термического воздействия, обусловленная окислением металла.

Цель настоящей работы заключается в выявлении влияния технологических погрешностей изготовления решёток на эффективность их работы.

Для этого было проведено моделирование пространственного спектра фокусировки в дальней зоне.

• 1.    Методы и материалы

• 2.    Анализ результатов

Микроструктуры формировались на станции лазерной записи CLWS-200 [13–14] в следующей последовательности технологических операций:

– напыление тонкой плёнки молибдена на подложку;

– формирование тестовой решётки путём локальной абляции плёнки под воздействием лазерного излучения.

Основанием служили оптически гладкие подложки из стекла и плавленого кварца марки КВ размером 50×50 мм, толщиной 3 мм. Плёнки молибдена с тол- щиной 17 нм наносилась магнетронным способом на установке «Каролина Д-12А» (Россия, Зеленоград) при следующих условиях: мощность магнетрона – 700 Вт, температура подложек – 200º С, давление аргона – 2,0· 10-1 Па. Время напыления составляло 2 мин.

Лазерная запись проводилась при следующих условиях: рабочая длина волны лазерного излучения – 488 нм; максимальная мощность , подводимая к головке записи, – около 100 мВт; структура записи – концентрические кольца с шагом 3 мкм и внешним радиусом 3 мм ; величина мощности для каждого кольца уменьшалась от 100% в точке наибольшего радиуса до 0 в центре с шагом 0,5%. Скорость вращения образца – 10 об/с. Указанные параметры процесса соответствовали максимальной плотности мощности лазерного излучения Е max =2∙10⁷ Вт/см². Воздействие лазерного излучения приводило к локальной абляции плёнки молибдена.

Фрагмент решётки, подвергшейся анализу, приведен на рис. 1 [10]. Ширина треков – в пределах 250– 400 нм.

Структура представлена на рис. 1 путём бинаризации и может быть преобразована в бинарную дифракционную решётку (рис. 2 б ).

Рис. 1. Снимок решётки, подвергшейся анализу

Получившаяся структура является амплитудной решёткой с разными по размеру зонами. При этом получившийся вариант является амплитудной решёткой, но без особых проблем может быть превращён в фазовую дифракционную решётку. Рассмотрим работу полученной структуры в обоих вариантах.

Рис. 2. Преобразованный вид идеальной (а) и реальной (б) решётки (негативные изображения)

Для наглядности на рис. 3 показана профилограмма участка выведенной структуры (рис. 3 а ), снятая в направлении, перпендикулярном трекам записи, с помощью профилометра Tencor. Профиль аналогичной бинарной решетки показан на рис. 3 б .

Для расчета распределение интенсивности в дальней зоне дифракции плоской световой волны на рассматриваемой двумерной структуре использовались быстрые алгоритмы прямого расчета преобразования Фурье [15–17].

Рис. 3. Профили участка (а) реальной и (б) приведённой к бинарному виду дифракционной структуры

Расчет на основе численного интегрирования, в отличие от алгоритмов быстрого преобразования Фурье, позволяет корректно оценивать физические характеристики формируемых полей. Особенно это важно при анализе диспергирующих свойств дифракционных решеток [18, 19].

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

Рис. 4. Распределение интенсивности по порядкам в дальней зоне дифракции от амплитудной структуры, представленной на рис. 3 (а), то же самое распределение интенсивности по порядкам в дальней зоне дифракции от амплитудной структуры, представленной на рис. 2б в сравнении с распределением от идеальной решетки (пунктирная линия) (б)

На рис. 4 а приведено распределение интенсивности по порядкам, на рис. 4 б – то же самое распределение вместе с распределением интенсивности идеальной амплитудной решётки (рис. 2 а ) с тем же самым периодом и шириной треков. Среднеквадратичное отклонение двух графиков на рис. 4 б составляет 0,26, что с учётом характера распределения является не большой ошибкой. Также была промоделирована дифракция на фазовой решётке этого типа. Для этого оцифрованное распределение, показанное на рис . 1, было преобразовано в фазовую пропускающую функцию, профиль которой показан на рис. 5.

На рис. 6 а представлено распределение интенсивности в дальней зоне дифракции, полученное после использования преобразования Фурье. На рис. 6 б – то же распределение в сравнении с распределением идеальной фазовой решетки с тем же периодом и шириной треков. Среднеквадратичное отклонение двух графиков на рис. 6 б составляет 0,21, что с учётом характера распределения также является не большой ошибкой, т.к. в данном случае важнее точное совпадение положения максимумов.

Заключение

В работе экспериментально показана возможность создания оптических структур субмикронного разрешения. Также путем моделирования показана работоспособность сформированных структур как в амплитудном, так и в фазовом варианте.

Рис. 5. Сечение фазовой пропускающей функции, полученное из профилограммы на рис. 2а

		V\    w	л	у\

Рис. 6. Распределение интенсивности по порядкам в дальней зоне дифракции от фазовой структуры, представленной на рис. 5 (а), то же распределение интенсивности по порядкам в дальней зоне дифракции от амплитудной структуры, представленной на рис. 5б в сравнении с распределением от идеальной решетки (пунктирная линия) (б)

Величины среднеквадратичных отклонений для распределений интенсивности в 0,26 и 0,21 соответственно для амплитудной и фазовой решеток некритичны, если исходить из структуры получившихся распределений (наблюдается практически идеальное совпадение положения дифракционных порядков). Т аким образом, продемонстрирована работоспособная технология для формирования дифракционных структур с минимальным размером элемента 0,25 мкм.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 14-07-00177, 16-29-09528, 16-29-11744, 16-07-00825.