Изготовление высокоэффективных ДОЭ с помощью полутоновых фотошаблонов на основе LDW-стекол

В настоящее время одной из проблем сдерживающей массовое применение дифракционной оптики является разработка простого и дешевого метода получения непрерывного фазового профиля с высоким пространственным разрешением. Стандартная фотолитографическая технология на основе комплекта совмещаемых шаблонов не позволяет изготавливать дифракционные оптические элементы (ДОЭ) с большой числовой апертурой (NA>0.2) и глубиной фазового профиля (до 3-Юл, в видимой части спектра). Методы прямой лазерной или электронно-лучевой записи на пленках фоторезистов позволяют создавать высокоэффективные и высококачественные ДОЭ, но только в единичных экземплярах. Многообещающей альтернативой этим методам является полутоновая технология, в основе которой лежит применение полутоновых фотошаблонов (ПФ) на основе материалов с коэффициентом поглощения, изменяющимся под воздействием лазерного или электронного пучка [1-5]. Полутоновая технология позволяет применить как многократный контактный перенос структуры на поверхность оптических подложек покрытых фоторезистом, так и проекционную фотолитографию с уменьшением. В этом случае она может успешно конкурировать с фоторастровым методом изготовления ДОЭ [6]. Полученный рельеф на поверхности пленки фоторезиста может переноситься как в материал подложки с помощью сухого травления, так и тиражироваться методами гальванопластики. Через ПФ можно экспонировать и толстые (до нескольких десятков микрометров) слои фоторезистов и решить задачу создания высокопорядковых ДОЭ, с глубиной рельефа до нескольких десятков длин волн [7]. Ожидается, что такие оптические элементы позволят создать ахроматические и полихроматические оптические системы для массовых применений.

Наиболее простым и доступным материалом, который может быть применен для изготовления ПФ является фотографическая эмульсия [8]. Однако пространственное разрешение и механическая прочность фотоэмульсии - низкие, а явление усадки, вследствие «мокрого» процесса проявления и закрепления изображения, снижает точность выполнения ПФ.

Нсгидрогенизированный аморфный кремний (a-Si) стал одним из первых регистрирующих материалов. которые лишены указанных выше недостатков. Впервые уменьшение оптического поглощения пленок a-Si под действием лазерного излучения описано в работе [9]. В дальнейшем было доказано, что это явление связано с кристаллизацией пленок и имеет не пороговый характер. В работе [2] показана возможность полутоновой оптической записи сканирующим лазерным пучком на пленках a-Si с высоким пространственным разрешением.

Однако реальным поворотным моментом в реализации идеи полутоновых фотошаблонов стало появление стандартизованных промышленно изготавливаемых HEBS (HEBS - high energy beam sensitive) и LDW стекол (LDW - Laser Direct Writing), производимых фирмой CANYON MATERIALS, Inc [3-5, 10]. HEBS стекла уже достаточно хорошо исследованы и применяются для изготовления полутоновых фотошаблонов на электронно-лучевых генераторах изображений. Однако запись фотошаблонов большого размера этим методом весьма дорогостоящий процесс, поэтому LDW стекла для лазерной записи имеют большие перспективы. Целью настоящей работы является исследование поведения LDW стекол в широком диапазоне скоростей сканирования лазерного пучка, особенностей изготовления фотошаблонов на крутовой лазерной записывающей системе, а также обсуждение результатов применения ПФ для изготовления фазовых дифракционных линз.

L LOW и HEBS стекла

В основе технологии производства LDW-стекол лежит явление ионного обмена, широко используемого в настоящее время при изготовлении градиентных линз и линзовых матриц, оптических волноводов [11, 12]. Процесс использует явление замещения ионов натрия, входящих в состав силикатных стекол на ионы серебра при оораоотке поверхности стекла в расплавах или перегретых водных растворах солей серебра при температуре 300-3 50°С [4]. Это приводит, в частности, к изменению градиента показателя преломления в поверхностном слое глубиной до 10 мкм, который используется для создания градиентной оптики. Кроме этого обнаружено, что облучение таких стекол электронным пучком с энергией порядка 20-30 кэВ приводит к уменьшению концентрации ионов серебра и образованию металлических коллоидов серебра в структуре стекла [4]. В результате коэффициент поглощения поверхностного слоя резко возрастает Это эффект используется для записи полутоновых фотошаблонов сфокусированным электронным пучком на так называемых HEBS-стеклах, которые изготавливаются из силикатного стекла со специальными добавками (оксиды переходных металлов) и после ионно-обменной обработки прозрачны. LDW-стекла получаются из HEBS-стекол обработкой всей поверхности электронным пучком с энергией 20-30 кэВ и плотностью заряда до 400 мкК/cm2. При нагревании лазерным пучком или в печи (свыше 200 °C) коэффициент поглощения может быть снова уменьшен за счет, того что металлическое серебро вступает в химические реакции с образованием ионов серебра. Таким образом, процесс записи на LDW стеклах может быть отнесен к классу термохимических процессов.

В зависимости от времени и условий модифицирования глубина слоя, в котором происходят преобразования, может варьироваться от 1 до 3 микрон, а пропускание неэкспонированных лазером стекол - от 0.1 до 10% на длине волны 436 нм. В настоящее время выпускается несколько типов стекол: LDW-IR- ориентированные на запись пучком инфракрасного лазера (1.06 микрона); LDW-HR - ориентированные на запись пучком в видимой области спектра.

В работе [5] описаны первые эксперименты по применению LDW-стекла для записи на круговой лазерной записывающий системе CLWS-300 в Исследовательском Центре ФИАТ. Однако, применение системы, предназначенной для записи бинарных элементов и не оснащенной средствами контроля оптического пропускания не позволило реализовать в полной мере потенциал LDW-стекол.

• 2.    Исследование воздействия сканирующего лазерного пучка на LDW-стекла

  Детальное исследование воздействия сфокусированного излучения аргонового лазера на LDW-стекла проводилось нами на круговой лазерной записывающей системе, разработанной в ИАиЭ СО РАН [13] и специально модернизированной для записи на LDW-стеклах. Запись велась пучком диаметром 1 мкм при скорости вращения подложки 10-12 об/сек. В диапазоне радиусов записи 0.2-15 мм линейная скорость движения сфокусированного пучка изменялась от 15 до 1100 мм/с. Пропускание экспонированного стекла после записи измерялось прецизионным однокоординатным фотометром, в котором ослабленное излучение аргонового лазера фокусировалось на поверхности измеряемой структуры в пятно диаметром 1.5-2 мкм и прошедший через структуру свет собирался объективом на поверхности фотодиода. Так как полутоновые фотошаблоны обычно используются для экспонирования фоторезиста на длине волны 436 нм, то необходимо получать заданную функцию пропускания именно на этой длине волны. По результатам измерения на спектрофотометре больших экспонированных участков LDW-стекла была получена связь оптических плотностей на длинах волн 436 и 514 нм. Пример такой зависимости для стекла типа Н показан на

• 3.    Особенности использования LDW-стекол для изготовления полутоновых фотошаблонов

Рис. 1. Связь оптической плотности на длинах ваш 436 и 514 нм для LDW-стекла типа II

При облучении лазерным пучком пропускание может быть поднято до 70 - 80%. На рис. 2 показана экспериментальная кривая изменения пропускания LDW-стекла типа I, измеренная на 514 нм и пересчитанная на 436 нм в зависимости от мощности записывающего лазерного пучка (длина волны 514 нм). Для получения рельефа ДОЗ в пленках фоторезистов достаточно иметь контраст (отношение максимального пропускания к минимальному) полутонового фотошаблона от 1:3 до 1:15 в 'зависимости от типа фоторезиста, его толщины и проявителя LDW-стекла позволяют легко получить контраст в этом

Рис 2. Пример зависимости пропускания на длинах волн 514 (I) и 436 (2) нм от мощности лазерного пучка для LDW-стекла Iтипа Скорость сканирования записывающего пучка - 150 мм/сек.

В основе технологии изготовления полутоновых фотошаблонов на LDW стеклах лежит зависимость оптических свойств модифицированного поверхностного слоя от плотности поглощенной энергии лазерного пучка. Однако при этом происходит обратное воздействие измененных оптических свойств на дальнейшее поглощение энергии записывающего пучка, проявляющееся, в частности, в проблеме «первого трека». Она заключается в том, что при прохождении луча по неэкспонированной поверхности поглощение значительно выше, чем при последующих проходах луча по частично экспонированной поверхности. Это связано с уменьшением поглощения энергии из-за частичного прохождения светового пятна по участку пленки с увеличившимся пропусканием. Подобное поведение наблюдается и при лазерной записи на пленках a-Si. В сканирующих лазерных записывающих системах для устранения этого эффекта необходимо уменьшать мощность первого трека в кольцевой дифракционной зоне, если она начинает записываться с края максимального пропускания. Возможен и другой путь устранения этой проблемы: при записи кольцевой дифракционной структуры начинать запись из центра, в случае увеличения пропускания к внешнему краю .юны, а в противоположном случае-начинать с последней внешней зоны. Несколько сложнее ситуация при изменении мощности в направлении углового сканирования, здесь играет роль время остывания стекла, в особенности при высоких скоростях сканирования. Поэтому можно ожидать, что кривая зависимости пропускания от мощности пучка будет различной для углового и радиального направления.

При записи полутоновых фотошаблонов с произвольной функцией пропускания, задача усложняется тем, что во время одного прохода, записывающий луч может пересекать много дифракционных зон с противоположными наклонами. В ре-зультате может возникать разница в форме зон, наклоненных в противоположные стороны, а так же оконтуривание дифракционных зон, экспонирование которых начинается с максимальной мощности.

Проблему можно решить программным путем-коррекцией мощности записывающего луча в зависимости от наклона трехмерной поверхности дифракционной зоны по отношению к направлению движения луча. Но в общем случае для произвольной структуры этот путь слишком сложен. Другой путь решения этой проблемы, физический - включается в уменьшении влияния индуцированного записывающим пучком изменения пропускания на поглощение энергии. Например, при записи электронным пучком на HEBS стеклах изменение оптического поглощения пленок не сказывается на взаимодействии электронного пучка со стеклом. Для LDW-сгекол возможны два пути:

• -    уменьшение максимального контраста фотошаблона до уровня не более 3-5;

• -    использование для записи излучения длинноволновой (0.6-1 мкм) части спектра, где поглощение пленок достаточно низкое.

4.    Пространственное разрешение

Последний путь предпочтительнее, так как позволяет получать при необходимости и большой контраст, а также из-за того, что поглощение световой энергии происходит на всей глубине светочувствительного слоя. Тем самым уменьшается лимитирующее влияние теплопроводности на процесс при больших линейных скоростях сканирования. Но поскольку поглощение приповерхностного слоя ниже, то для достижения необходимой температуры в слое нужна большая мощность лазерного пучка. Таким образом, в этом случае при выборе типа лазера для записывающей системы с высоким пространственным разрешением остается практически единственная возможность: использовать лазер с длиной волны в диапазоне 600-700нм.

Толщина модифицированного поверхностного слоя LDW стекла должна быть не менее 1 мкм, так как концентрация серебра слишком низкая, чтобы обеспечить высокую исходную оптическую плотность в тонком слое. Эго накладывает ограничение на пространственное разрешение записываемых структур. Однако низкая теплопроводность стекла и в особенности эффект локализации термохимических изменений в слое позволяют получить достаточно высокое пространственное разрешение.

Эффект локализации связан с резким понижением поглощения энергии в центре гауссова распределения интенсивности записывающего пучка, если интенсивность в центре достаточна для сквозного просветления слоя. Для изготовления полутоновых фотошаблонов важна не столько минимальная ширина записываемой линии, сколько минимально достижимая ширина края зоны (обратного ската), где должен происходить скачок фазы в дифракционном элементе (рис. 3). Размер обратного ската структуры приблизительно равен половине ширины d дорожки с максимальным пропусканием (для позитивного материала).

Рис. 3. Неидеадъный полутоновой фотошаблон

Для оценки качества полутонового шаблона, можно ввести фактор качества по аналогии с фактором качества фазовой структуры [14]:

Q^l-x/T^X-d/^-n,(1)

где х - ширина края зоны, Т - период зоны (рис. 3). Определяя дифракционную эффективность как:

П = Q\(2)

можно получить оценку величины S полутонового пространственного разрешения для получения дифракционной эффективности ц:

S=l/7 = —   ^)

d

Фактически величина S определяет максимальное количество пилообразных дифракционных зон (зон Френеля) на 1 мм. Однако, при использовании этого соотношения на практике необходимо учитывать, что d зависит от мощности записывающего пучка и индуцированного им изменения пропускания светочувствительного слоя. На рис. 4 приведена зависимость ширины записанной дорожки и пропускания LDW стекла типа I от мощности записывающего лазерного пучка (длина волны 514 нм) при скорости сканирования 20 мм/сек. Размер записывающего пятна составлял 0.8 мкм на уровне е'1.

Из графика видно, что при пропускании ниже 60-65% (до наступления насыщения) ширина линии не превышает 1 мкм. Таким образом, из выражения (3) следует, что пространственное разрешение составляет 200 дифракционных зон на 1 мм. для допустимой дифракционной эффективности 80%.

Рис. 4. Зависимость ширины записанной дорожки и пропускания LDW стекла типа I от мощности лазерного пучка при скорости сканирования 200 мм/сек. Кривая 1 - пропускание, кривая 2 - ширина дорожки

5.    Скорость сканирования и метоо записи

Использование LDW-стекол в качестве регистрирующих сред для записывающи,х систем с круговым сканированием требует определения с большой точностью зависимости пропускания ПФ от мощности записи в большом диапазоне скоростей сканирования [5]. Получение этой зависимости наиболее сложно при записи вблизи центра (0 - 1 мм), когда вариация скорости движения записывающего пятна очень велика. Для решения этой проблемы нами был применен способ импульсной записи, заключающийся в экспонировании кольцевых дорожек серией коротких импульсов лазерного излучения с постоянной длительностью, но переменным периодом, обратно пропорциональным радиусу записываемой дорожки. Период следования импульсов записи выбирается из условия постоянной величины перенало-жения соседних экспонируемых пятен. Если поверхность регистрирующего материала успевает остыть за время между импульсами, то мощность, требуемая для записи, не будет зависеть от скорости сканирования и весь процесс записи производится при одинаковых параметрах.

Проведенные нами исследования показали, что из-за низкой теплопроводности LDW стекла и малого размера записывающего пятна, область записи не успевает полностью остыть за время (менее 10 мкс) между соседними импульсами. Поэтому полностью избавиться от зависимости от скорости сканирования не удается. На рис. 5 показаны зависимости пропускания от мощности для нескольких радиусов при импульсном способе записи (длительность импульсов 1 мкс, линейное расстояние между точками включения соседних импульсов - 0.5 мкм) и обычном способе записи (соответственно 5(a) и 5(6)). Кривые 1 на каждом графике соответствуют пропусканию 33% на длине волны 514 нм, кривые 2-пропусканию 6 %. Видно, что зависимости мощности записи от радиуса дтя импульсного и обычного способов записи имеет противоположный наклон.

Это объясняется тем, что поверхность стекла не успевает остыть между соседними импульсами и при больших скоростях сканирования, когда расстояние между импульсами уменьшается и увеличивается влияние предварительного подогрева, требуется меньшая мощность для записи.

Из рис. 5 (б) также следует, что применение импульсной записи эффективно до радиуса I мм (скорость сканирования - 75 мм/сек), а при больших радиусах мощность изменяется практически линейно для обычного способа записи, и он дает хорошую точность.

6.    Изготовление фазовых ДОЭ с помощью полутоновых фотошаблонов

Технология получения фазовых ДОЭ была нами апробирована на примере изготовления линзы Френеля диаметром 10.6 мм с фокусным расстоянием 82 мм для длины волны света 514 нм. Структура полутонового фотошаблона, записанного на LDW стекле типа 1 была методом контактной |)ютолито-графии перенесена в фоторезист S1400. Микроинтерферограмма участка поверхности фазовой линзы, полученная с помощью микроинтерферометра МИИ-4, показана на рисунке 6. Границы зон (рис. 66), видимые как темные полосы (обратные скаты), имеют ширину 2.5-3 микрона, в то время как тс же границы зон на шаблоне имели ширину не более 1 микрона. По нашему мнению, увеличение размеров границ связано с дифракцией экспонирующего излучения в слое ПФ (1-1.5 мкм) и рассеянием света в с те (Ьотопезиста (1.5-2 мкьД

Рис. 5. Зависимости пропускания от мощности для нескольких радиусов при импульсном (а) и обычном (б) способах записи. 1 - 33%, 2 — б % пропускание на длине волны 514 нм

Рис 6 Участок поверхности фазовой дифракционной линзы:- микроинтерферограмма в белом свете (а), микрофотография этого же участка на отражение

На рис. 7 показан график зависимости дифракционной эффективности от радиуса и периода зон. Видно, что дифракционная эффективность достигает 98% в центре и падает до 80 % на зонах с размером около 8 мкм. Общая дифракционная эффективность линзы превышала 85%.

Рис. 7. Зависимость дифракционной эффективности линзы от радиуса и среднего периода зон в этом участке

7.    Заключение

Проведенные исследования показали перспективность применения LDW-стекол в качестве полутоновых фотошаблонов для изготовления дифракционных оптических элементов.

Исследованы зависимости пропускания LDW-стекол от мощности записывающего пучка в широком диапазоне скоростей сканирования. Рассмотрены особенности изготовления фотошаблонов на круговой лазерной записывающей системе. Предложен импульсный способ записи, позволяющий эффективно решить проблемы точного формирования структуры полутонового шаблона вблизи центра вращения заготовки фотошаблона. Проведены изме рения дифракционной эффективности тестовых структур в зависимости от периода дифракционных зон, показавшие возможность получения 80 % эффективности для структур с периодом до 8 мкм.