Анализ погрешностей лазерной записи оптических микроструктур на плёнках молибдена
Автор: Полетаев Сергей Дмитриевич, Волотовский Сергей Геннадьевич
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Короткое сообщение
Статья в выпуске: 3 т.40, 2016 года.
Бесплатный доступ
Методом вычислительного эксперимента исследовано влияние технологических погрешностей формирования амплитудных оптических решёток, изготовленных методом лазерной абляции тонких плёнок молибдена, на распределение дифракционных порядков в дальней зоне дифракции. Для этого оцифровывалась профилограмма участка сформированной дифракционной структуры с последующим преобразованием в амплитудную или фазовую функции пропускания.
Дифракционный микрорельеф, амплитудный оптический элемент, лазерная абляция
Короткий адрес: https://sciup.org/14059481
IDR: 14059481 | DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-3-422-426
Текст научной статьи 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.
Список литературы Анализ погрешностей лазерной записи оптических микроструктур на плёнках молибдена
- Zoppel, S. Selective ablation of thin Mo and TCO films with femtosecond laser pulses for structuring thin film solar cells/S. Zoppel, H. Huber, G.A. Reider//Applied Physics A. -2007. -Vol. 89(1). -P. 161-163. - DOI: 10.1007/s00339-007-4158-7
- Tan, B. High repetition rate femtosecond laser nano-machining of thin films/B. Tan, A. Dalili, K. Venkatakrishnan//Applied Physics A. -2009. -Vol. 95(2). -P. 537-545. - DOI: 10.1007/s00339-008-4938-8
- Wang, X.C. 355 nm DPSS UV laser surface texturing on Si substrate/X.C. Wang, L.Y.L. Wu, Q. Shao, H.Y. Zheng//SIMTech technical reports. -2009. -Vol. 10(4). -P. 203-208.
- Krause, S. Precise microstructuring of indium-tin oxide thin films on glass by selective femtosecond laser ablation/S. Krause, T. Miclea, F. Steudel, S. Schweizer, G. Seifert//EPJ Photovoltaics. -2013. -Vol. 4. -40601 (5 p.). - DOI: 10.1051/epjpv/2012013
- Ihlemann, J. Fabrication of diffractive phase elements for the UV-range by laser ablation patterning of dielectric layers/J. Ihlemann, D. Schafer//Applied Surface Science. -2002. -Vol. 197/198. -P. 856-861. - DOI: 10.1016/S0169-4332(02)00462-2
- Heise, G. Laser ablation of thin molybdenum films on transparent substrates at low fluences/G. Heise, M. Englmaier, C. Hellwig, T. Kuznicki, S. Sarrach, H.P. Huber//Applied Physics A: Materials Science & Processing. -2011. -Vol. 102, Issue 1. -P. 173-178. - DOI: 10.1007/s00339-010-5993-5
- Bauerle, D. Laser chemical processing: an overview to the 30th anniversary/D. Bauerle//Applied Physics A: Materials Science & Processing. -2010. -Vol. 101, Issue 2. -P. 447-459. - DOI: 10.1007/s00339-010-5837-3
- Алфёров, С.В. О возможности управления лазерной абляцией при острой фокусировке фемтосекундного излучения/С.В. Алфёров, С.В. Карпеев, С.Н. Хонина, К.Н. Тукмаков, О.Ю. Моисеев, С.А. Шуляпов, К.А. Иванов, А.Б. Савельев-Трофимов//Квантовая электроника. -2014. -Т. 44, № 11. -С. 1061-1065.
- Заярный, Д.А. Наномасштабные процессы кипения при одноимпульсной фемтосекундной лазерной абляции золотых пленок/Д.А. Заярный, А.А. Ионин, С.И. Кудряшов, А.А. Руденко, С.Г. Бежанов, С.А. Урюпин, А.П. Канавин, В.И. Емельянов, С.В. Алферов, С.Н. Хонина, С.В. Карпеев, А.А. Кучмижак, О.Б. Витрик, Ю.Н. Кульчин, С.В. Макаров//Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. -2015. -Т. 101, № 6. -C. 428-432. - DOI: 10.7868/S0370274X15060077
- Волков, А.В. Высокоразрешающая лазерная запись контактных масок на плёнках молибдена для изготовления элементов дифракционной оптики/А.В. Волков, О.Ю. Моисеев, С.Д. Полетаев//Компьютерная оптика. -2013. -Т. 37, № 2. -С. 220-225.
- Волков, А.В. Применение тонких плёнок молибдена для контактных масок при изготовлении микрорельефов элементов дифракционной оптики/А.В. Волков, О.Ю. Моисеев, С.Д. Полетаев, И.В. Чистяков//Компьютерная оптика. -2014. -Т. 38, № 4. -С. 757-762.
- Волков, А.В. Особенности процесса воздействия лазерного излучения на тонкие плёнки молибдена/А.В. Волков, Н.Л. Казанский, О.Ю. Моисеев, В.Д. Паранин, С.Д. Полетаев, И.В. Чистяков//Журнал технической физики. -2016. -Т. 86, № 4. -С. 101-105.
- Poleshchuk, A.G. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure/A.G. Poleshchuk, E.G. Churin, V.P. Koronkevich, V.P. Korolkov, A.A. Kharissov, V.V. Cherkashin, V.P. Kiryanov, A.V. Kiryanov, S.A. Kokarev, A.G. Verhoglyad//Applied Optics. -1999. -Vol. 38, Issue 8. -P. 1295-1301.
- Kazanskiy, N.L. Research & Education Center of Diffractive Optics/N.L. Kazanskiy//Proceedings of SPIE. -2012. -Vol. 8410. -84100R. - DOI: 10.1117/12.923233
- Doskolovich, L.L. Software on diffractive optics and computer generated holograms/L.L. Doskolovich, M.A. Golub, N.L. Kazanskiy, A.G. Khramov, V.S. Pavelyev, P.G. Seraphimovich, V.A. Soifer, S.G. Volotovskiy//Proceedings of SPIE. -1995. -Vol. 2363. -P. 278-284. - DOI: 10.1117/12.199645
- Хонина, С.Н. Алгоритмы быстрого расчета дифракции радиально-вихревых лазерных полей на микроапертуре/С.Н. Хонина, А.В. Устинов, С.Г. Волотовский, М.А. Ананьин//Известия Самарского научного центра РАН. -2010. -Т. 12, № 4. -С. 15-25
- Khonina, S.N. Near-field propagation of vortex beams: models and computation algorithms/S.N. Khonina, A.V. Ustinov, A.A. Kovalyov, S.G. Volotovsky/Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). -2014. -Vol. 23, Issue 2. -P. 50-73. - DOI: 10.3103/S1060992X14020027
- Казанский, Н.Л. Моделирование работы космического гиперспектрометра, основанного на схеме Оффнера/Н.Л. Казанский, С.И. Харитонов, Л.Л. Досколович, А.В. Павельев//Компьютерная оптика. -2015. -Т. 39, № 1. -C. 70-76. - DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-1-70-76
- Карпеев, С.В. Исследование дифракционной решётки на выпуклой поверхности как диспергирующего элемента/С.В. Карпеев, С.Н. Хонина, С.И. Харитонов//Компьютерная оптика. -2015. -Т. 39, № 2. -С. 211-217. - DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-2-211-217