Расчёт, изготовление и исследование субволнового аксикона для поляризационного преобразования излучения терагерцового диапазона

Появление новых источников в терагерцовом диапазоне, в том числе мощных, таких как лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) [1], требует развития и совершенствования соответствующей элементной базы для управления пучками такого излучения. Значительное количество работ [2–4] посвящено созданию линз и дифракционных решёток терагерцового диапазона, однако эффективное применение когерентного тера-герцового излучения требует создания элементов с более широкими функциональными возможностями, в частности, во многих приложениях необходима фокусировка пучка в заданные двух- и трёхмерные области, в других приложениях необходимо иметь возможность управления поперечно-модовым составом и поляризационными свойствами формируемого пучка. В случае создания элементов для управления мощными пучками большое значение имеет выбор материала подложки. В работе [5] показано, что применение полимерных элементов для этих целей ограничено в силу их невысокой лучевой стойкости. В [4] приведены результаты исследования силовых бинарных линз и делителей пучка терагерцового диапазона, изготовленных с помощью технологии однократного травления подложки из высокоомного кремния. После формирования дифракционного микрорельефа на одной из сторон подложки на обе поверхности элемента наносилось антиотражающее покрытие [4]. Исследование изготовленных элементов [4] показало их высокую лучевую стойкость (свыше 4 кВт / см2), однако они обладали невысокой энергетической эффективностью в силу бинарного (двухуровневого) дифракционного микрорельефа (теоретическая оценка для энергетической эффективности бинарной дифракционной линзы, напри-

мер, составляет 41% [6]). В [7] приведены результаты исследования бинарного кремниевого элемента, предназначенного для фокусировки Гауссова пучка тера-герцового лазера в квадрат и изготовленного с помощью технологии, описанной в [4]. В работе [8] приведены результаты исследования кремниевых бинарных элементов, предназначенных для формирования одномодовых пучков Гаусса–Эрмита и Гаусса–Лагерра из освещающего Гауссова пучка мощного терагерцового лазера на свободных электронах. В работе [9] приведены результаты исследования элементов, предназначенных для формирования одномодовых бесселевых пучков с орбитальным угловым моментом. Однако в работах [8, 9] речь идёт об изменении поперечномодового состава пучка без изменения поляризационного состояния освещающего пучка. В то же время ряд актуальных приложений требует формирования пучков с заданным поперечно-модовым составом и заданным поляризационным состоянием [10]. К таким приложениям относятся лидары (формирование пучков, устойчивых к распространению в дисперсионных и турбулентных средах [11]), системы связи с поперечно-модовым уплотнением [12–15], лазерная обработка материалов [16–18] и микроструктурирование [19, 20], задачи сверхразрешения [21–25] и возбуждения плазмонных волноводов [26].

Для решения задачи одновременного управления поперечно-модовым составом и поляризационным состоянием формируемого когерентного терагерцо-вого пучка в данной работе предложено использовать микрорельеф с существенно субволновым характерным размером зон.

В работах [27, 28] было продемонстрировано эффективное применение тонких (толщиной порядка

100 нм) субволновых решёток для поляризационного преобразования мощного излучения CO 2 лазера с длиной волны 10,6 мкм. Сочетание субволнового рельефа с дополнительным структурированием зон оптического элемента позволяет осуществлять поляризационно-фазовую модуляцию падающего пучка [29–31]. Скачок фазы на π в таких металинзах осуществляется путём расположения субволновых решёток под углом в 90° в соседних зонах Френеля.

Субволновый аксикон (кольцевая решётка с периодом меньше длины волны) также представляет собой метаповерхность, которая позволяет выполнять преобразование линейно-поляризованного излучения в цилиндрически поляризованное [31].

В данной работе был рассчитан, изготовлен и исследован методами численного и натурного экспериментов кремниевый субволновый аксикон для преобразования линейно-поляризованного излучения тера-герцового диапазона в цилиндрически-поляризован-ный пучок.

1.    Расчёт субволнового аксикона

Как правило, дифракционные аксиконы используются для формирования бездифракционных пучков [32], поперечный размер которых практически не меняется на значительном расстоянии вдоль оптической оси. При уменьшении периода аксикона, что соответствует увеличению числовой апертуры оптического элемента, уменьшается поперечный размер формируемого пучка [33]. В этом случае фактически обеспечивается острая фокусировка и генерация мощной продольной компоненты электрического поля лазерного излучения [34]. Однако описанные эффекты имеют место при уменьшении периода лишь до размера длины волны, т.е. когда числовая апертура аксикона не превышает предельного значения для распространяющихся волн. Когда период аксикона становится меньше длины волны, а числовая апертура выше предельной, энергия падающего на элемент излучения перераспределяется в затухающие волны [35]. Дальнейшее уменьшение периода (увеличение числовой апертуры) приводит к качественно иным эффектам [36, 37].

Исследования, выполненные в статье [31], показывают, что субволновой аксикон может быть использован для преобразования линейно-поляризованного пучка в радиально-поляризованный пучок второго порядка. Пучки с таким типом поляризации при острой фокусировке обеспечивают эффективное формирование обратного потока энергии в фокальной области [31, 38, 39].

В работе проведено численное моделирование прохождения Гауссова пучка через субволновой ак-сикон на основе решения уравнений Максвелла методом конечных элементов, реализованных в программном пакете Comsol Multiphysics. Результаты расчёта представлены на рис. 1. Гауссов пучок с длиной волны 129 мкм освещает аксикон с периодом 60 мкм и высотой рельефа 50 мкм. Радиус расчётной области в численном эксперименте выбирался рав- ным 580 мкм. Выбранный размер расчётной области был достаточен для анализа поперечной структуры формируемого пучка. Показатель преломления материала подложки аксикона (кремний) для данной длины волны n = 3,452 + 0,386i.

(а)

(в)

(б)

Рис. 1. Результаты численного моделирования прохождения Гауссова пучка с вертикальной линейной поляризацией через субволновой аксикон: распределение амплитуды и поляризации сформированного радиально-поляризованного пучка (а); распределение сформированного пучка при горизонтальном (ортогональном) (б) и вертикальном (в) положении поляризатора-анализатора

Таким образом, численное моделирование предсказывает возможность эффективного формирования радиально-поляризованного пучка, в том числе в те-рагерцовом диапазоне.

2.    Технология формирования субволнового дифракционного микрорельефа

Для производства эффективных ДОЭ терагерцо-вого диапазона, работающих с высокоэнергетическими пучками (например, лазерами на свободных электронах), в качестве исходного материала необходимо использовать нелегированный высокоомный кремний оптического качества типа (HRFZ-Si) [40]. В данной работе были использованы кремниевые подложки диаметром 50 мм и толщиной 1 мм с двухсторонней полировкой оптического качества.

Технологический маршрут производства ДОЭ состоит из следующих операций (рис. 2): а) подготовка кремниевой пластины (отмывка и контроль параметров), б) и в) создание защитной маски, г) травление кремния, д) удаление остатков металлической маски.

Вскрытые

Рис. 2. Этапы изготовления ДОЭ: подготовка пластины (а); нанесение металлического и фоторезистивного слоя (б); экспонирование фоторезиста и жидкостное травление низлежащего слоя металла (в); травление кремния (г); удаление металлической маски (д)

Из-за необходимости получения профиля микрорельефа ДОЭ большой высоты, с соотношением высоты элементов травления к их ширине более единицы (AR=50/30) и с малым отклонением стенок от вертикали, для микроструктурирования необходимо применять реактивно-ионное травление (РИТ, RIE), так как жидкостное травление кремния с получением вертикальных стенок возможно лишь в особых случаях [41]. Применение РИТ для получения микрорельефа такой глубины не позволяет использовать фо-торезистивную маску как защитный материал из-за низкой плазмостойкости. Поэтому в данной работе применялись плазмостойкие металлические маски.

Для получения такой маски на кремниевую подложку необходимо нанести тонкую плёнку металла и уже в ней средствами литографии вскрыть «окна», через которые будет производиться травление. Для получения в маске «окон» с размерами, характерными для элементов микрорельефа данных ДОЭ, достаточно возможностей самого простого из методов литографии – фотолитографии.

3.    Технологический маршрут 3.1.    Подготовка подложки

Отмывка пластин производилась по методике RCA: пластины помещались в разогретый до 60°C раствор H 2 SO 4 :H 2 O 2 2:1 на 10 минут и далее – в слабый раствор плавиковой кислоты HF:H 2 O 1:20 на 10 секунд для удаления естественного слоя оксида на поверхностях пластины. Сушка пластин производилась обдувом осушенным воздухом.

• 3.2.    Металлизация пластины

Следующим этапом производства является нанесение металлического покрытия, которое в данном случае выполнялось с помощью магнетронного распыления (PVD). Материал маски должен обеспечивать высокую селективность при РИТ по отношению к кремнию. В данной работе для травления кремния использовался Bosch-процесс [42], который включает применение реакционных газов SF 6 и C 4 F 8 , поэтому для защиты нетравимых областей кремния использовались маски на основе алюминиевой плёнки. Выбор алюминия обоснован следующими соображениями:

• 1)    очень высокая устойчивость во фторсодержащей плазме и плазме кислорода – высокая селективность к кремнию;

• 2)    очень низкая эрозия краёв маски в плазме – отсутствие закруглений в верхней части структур;

• 3)    высокая адгезия к кремнию – нет необходимости использования подслоя;

• 4)    наличие жидкостного травителя с низким уровнем подтрава под фоторезистивную маску, обеспечивающим высокую устойчивость последней – высокое качество прямого литографического процесса;

• 5)    высокая скорость распыления PVD-методом.

• 3.3.    Получение твёрдой маски

  После нанесения металлического покрытия производилось нанесение слоя позитивного фоторезиста ФП-051Ки, который обеспечивает получение минимальных размеров элементов менее 0,6 мкм. Нанесение тонкого слоя (порядка 0,2 мкм) фоторезиста производилось с помощью центрифугирования при 3200 об / мин в течение 60 секунд при комнатной температуре подложки. Сушка производилась контактным методом на нагревательном столике при температуре 115°C в течение 60 секунд. Экспонирование фотослоя производилось через пластиковый фотошаблон излучением от светодиодной лампы с длиной волны 405 нм и мощностью 6 Вт в течение 30 секунд. Проявление рисунка осуществлялось с помощью проявителя УПФ-1Б в течение 20 секунд.

• 3.4.    РИТ кремния

4.    Контроль геометрических параметров микрорельефа

Процесс нанесения алюминиевой плёнки производился на установке «ЭТНА-100-МТ» (НТ-МДТ, Россия) при температуре подложки 100°С в атмосфере аргона с давлением 1,2 Торр с использованием ионного ассистирования и вращения подложки. Такой режим обеспечивал отсутствие коронных разрядов магнетронов, а также удовлетворительную равномерность и вы- сокую адгезию и зеркальность получаемой плёнки. В выбранном режиме травления должна обеспечиваться селективность травления 500÷1000, поэтому для выполнения травления заданной глубины с учётом запаса выбрана толщина маски 150 нм.

Травление алюминиевой плёнки производилось непосредственно сразу после процесса проявления фоторезиста и промывки в деионизованной воде. Процесс травления проводился в смеси H 3 PO 4 :HNO 3 :CH 3 COOH:DI 73:3:3:10 при комнатной температуре в течение 90 секунд.

После подготовки твёрдой маски следовала операция травления кремния, которая выполнялась на установке «ЭТНА-100-ПТ» (НТ-МДТ, Россия). Для получения заданных рабочих характеристик ДОЭ необходимо обеспечить угол отклонения стенок от вертикали не более 10°, поэтому был использован Bosch-процесс в индуктивно-связанной конфигурации источника плазмы (ICP-RIE) [43, 44] в атмосфере C 4 F 8 /Ar (стадия пассивации) и SF 6 /Ar (стадия травления). Параметры подбирались для обеспечения оптимальной скорости травления (на уровне 0,5 мкм/мин), малого угла отклонения от вертикали (менее 5°), малого подтрава под маску (изменение ширины элементов не более 1 мкм) и приемлемого качества поверхности стенок.

На этапе травления алюминиевой маски возникла сложность контроля окончания процесса травления из-за того, что рисунок изготавливаемого ДОЭ покрывает почти всю площадь подложки и не оставлено окно для визуального контроля травления. Поэтому для ликвидации очень тонкого слоя остатков алюминиевой плёнки во вскрытых окнах было применено плазменное травление в атмосфере O 2 /Ar 60/20 sccm в течение 45 секунд с повышенным уровнем напряжения смещения (120 В).

Давление в реакторе было около 0,02 мБар и зависело от стадии цикла травления, откачка реактора осуществлялась турбомолекулярным насосом, что обеспечивало быстрое обновление реакционной атмосферы. Во всех циклах травления использовалась до- бавка ионообразующего инертного газа аргона (10 sccm). Расход C4F8 был на уровне 100 sccm, расход SF6 – на уровне 60 sccm. Мощность ICP-источника индуктора была 200 Вт, частота – 13,56 МГц. Ускоряющий источник работал только на стадии травления и только в режиме регуляции автосмещения потенциала подложки (constant DC-Bias) 80 В, при этом его мощность не превышала 4 Вт, частота источника – 13,56 МГц, параметры согласования были зафиксированы. Глубина травления за один цикл при этом составляла 50-60 нм. Общая глубина травления задавалась количеством циклов. После достижения глубины травления 30 мкм (оценивалась по количеству циклов) производилось увеличение доли времени пассивации в цикле травления, что устраняло дефекты неравномерной пассивации стенок структур, вызванных неидеальностью конструкции реактора и расположения подложки [44]. Поэтому длительность циклов подбиралась для обеспечения вертикальности стенок и составила от 2,5 до 3,5 секунд для фазы пассивации и 2 секунды для фазы травления. После выполнения циклического травления выполнялась кратковременная «зачистка» поверхности в атмосфере SF6 в изотропном режиме травления [43].

Контроль геометрических параметров получаемых ДОЭ осуществлялся методами интерферометрии белого света (WLI-DMR, рис. 3) и средствами растровой электронной микроскопии (FEI Quanta-200, рис. 4). Интерферометрия использовалась как экспресс-средство контроля глубины протрава и качества дна. Контроль методом РЭМ использовался для оценки качества стенок, дна и определения геометрических размеров получаемых элементов микрорельефа.

Рис. 3. Профилограмма ДОЭ в центральной области (интерферометр белого света)

5.    Исследование субволнового аксикона

Изготовленный элемент был исследован, используя излучение Новосибирского лазера на свободных электронах (НЛСЭ). Схема эксперимента показана на рис. 5. Элемент освещался линейно поляризованным Гауссовым пучком с модовым радиусом σ = 11 мм. Длина волны излучения составляла λ = 128,7 мкм.

Рис. 4. РЭМ изображение полученного ДОЭ (FEI Quanta-200)

Зеркало 1 Поляризатор

Рис. 5. Схема эксперимента

Во время экспериментов поляризация исходного пучка устанавливалась с помощью проволочного поляризатора. Вектор электрического поля был направлен вдоль оси x . Пучок проходил через ДОЭ; изображение прошедшего пучка записывалось матричным пироэлектрическим приёмником Pyrocam IV. Размер матрицы – 320×320 пикселей, размер одного элемента – 80 мкм. Полный размер изображения – 25,6×25,6 мм². Изображения регистрировались на двух расстояниях от ДОЭ. Для каждого расстояния снимались три кадра: (1) в отсутствие анализатора, (2) с анализатором, пропускающим электромагнитное поле с ортогональным исходной поляризации направлением , и (3) с анализатором, пропускающим электромагнитное поле сонаправлено исходной поляризации. Результаты оптических экспериментов приведены в табл. 1, 2. Значения угла поляризации в таблицах соответствуют делениям шкалы на оправе поляризатора-анализатора. Результаты, представленные в табл. 1, 2, находятся в качественном соответствии с результатами численного моделирования (рис. 1). Имеющиеся расхождения между результатами численного моделирования и натурного эксперимента объясняются отклонениями реализованного дифракционного микрорельефа от расчётного. На рис. 4 видны неровные края зон, что объясняется недостатками использованной технологии изготовления фотошаблонов.

Заключение

Рассчитан, изготовлен и исследован методами численного и натурного экспериментов кремниевый субволновый аксикон для преобразования линейно-поляризованного излучения терагерцового диапазона в цилиндрически поляризованный пучок. В ходе экспериментов, поставленных на рабочей станции Новосибирского лазера на свободных электронах, показа- но эффективное преобразование поляризационного состояния пучка с помощью созданного элемента. Результаты численного моделирования и натурного эксперимента находятся во взаимном качественном соответствии. Имеющиеся расхождения между результатами численного моделирования и натурного эксперимента объясняются отклонениями реализованного дифракционного микрорельефа от расчётного. В случае повышения качества изготовления мик- рорельефа, например, за счёт изготовления фотошаблонов с более высоким пространственным разрешением, можно будет получить экспериментальные результаты, имеющие меньшее расхождение с результатами численного моделирования.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (грант № 19-72-20202).