Институт в фотографиях

Проект РНФ № 17-19-01721

(2017–2019 гг.)

Развитие сверхразрешающей термохимической лазерной технологии формирования компьютерно-синтезированных дифракционных наноструктур

Целью настоящего проекта являются разработка методов и оборудования для лазерной безрезистной записи компьютерно-синтезированных наноструктур для задач нанофотоники и дифракционной оптики на тонких металлических пленках путем сканирования остросфокусированного лазерного пучка с длиной волны в УФ диапазоне.

Руководитель Проекта:

Корольков Виктор Павлович

Исполнители проекта:

  1. Корольков Виктор Павлович
  2. Седухин Андрей Георгиевич
  3. Насыров Руслан Камильевич
  4. Вейко Вадим Павлович (Университет ИТМО, СПб)
  5. Шиманский Руслан Владимирович
  6. Хомутов Владимир Николаевич
  7. Белоусов Дмитрий Александрович
  8. Синев Дмитрий Андреевич Павлович (Университет ИТМО, СПб)
  9. Шахно Елена Аркадьевна Павлович (Университет ИТМО, СПб)
  10. Куц Роман Игоревич

В ходе выполнения работ по проекту были получены следующие основные результаты:

1. Впервые в мире создан лазерный нанолитограф с круговым сканированием и двумя оптическими каналами - ДУФ (266 нм) и видимым (532 нм). В качестве общего фокусирующего объектива используется ДУФ объектив с числовой апертурой 0.9. Он позволяет проводить исследование по лазерной записи дифракционных структур на органических и неорганических пленочных материалах в широких диапазонах изменения скорости сканирования и плотности мощности.

2. Создан X-У лазерный нанолитограф с прямоугольным сканированием и длинной волны записывающего лазера 405 нм. Он имеет двухкоординатный стол с полем сканирования 50х50 мм и разрешением позиционирования 1 нм по обеим координатам. Установка позволяет проводить эксперименты по исследованию новых фокусирующих систем и записи структур в непрерывном и импульсном режиме (с длительностью импульсов до 100 нс) при скорости сканирования до 100 мм/c. Для исследования лазерной записи на тонких металлических пленках без снятия подложки с материалом в конструкцию X-У нанолитографа встроены фотоприемники, позволяющие реализовать фотоэлектрический метод измерения коэффициентов пропускания и отражения плёночных структур по мере формирования оксидных дорожек. Данное техническое решение также позволяет оперативно подбирать оптимальные параметры записи (мощность и скорость сканирования записывающего пучка) по анализу изменения показателей пропускания и отражения оксидных дорожек в области предварительно записанных тестовых структур.

3. Для определения оптимальных режимов термохимической записи и прогнозирования физико-химических свойств и предельных размерных характеристик формируемых оксидных пленок исследованы энергетические характеристики, пространственное разрешение и диапазон изменения оптического пропускания для одноэтапной лазерной термохимической записи путем локального термо-индуцированного окисления тонких пленок различных переходных металлов (Ti, Zr, Ta, V, Mo, Cr). Исследован методом комбинационного рассеяния света (КРС) химический состав оксидов, сформированных при нагреве металлических пленок путем сканирования сфокусированного лазерного пучка. Методами сканирующей электронной микроскопии проведен анализ сформированных структур.

В режиме импульсной записи на пленках тантала получены структуры типа питов с диаметром 200-250 нм при диаметре пучка 700 нм.

4. Впервые в мире измерены показатели преломления n и коэффициенты поглощения k в диапазоне длин волн 250-1100 нм для гафния.

5. Показано, что тонкие пленки циркония, напыленные на подложки из плавленого кварца и подвергнутые лазерно-индуцированному окислению, являются перспективной средой для создания нанорешеток с контролируемым периодом. При построчном сканировании сфокусированным лазерным пучком диаметром 700 нм пленок циркония толщиной 80-110 нм, зарегистрировано формирование решеток из дорожек с шириной 70-100 нм и с периодом, равным шагу сканирования (200-500 нм). Экспериментально установлено, что дорожки в виде трещин или деформаций возникают по контуру пространственного распределения температуры, индуцированного пучком непрерывного лазерного излучения. Трещины или деформации возникают под действием термомеханических напряжений на границе пленки металла и оксидной дорожки, толщина которой резко растет в процессе окисления металла.

6. Разработана физико-математическая модель локального лазерного окисления тонких пленок титана при субмикронных размерах области облучения (0,2 - 1,0 мкм) в миллисекундном диапазоне длительностей воздействия. Расчетный минимальный диаметр записанного изображения на плёнке титана при диаметре облучённой области 600 нм и толщине плёнки 10 нм составил 230 нм.

7. Теоретически показана и экспериментально подтверждена возможность одноэтапного создания контрастных высокоупорядоченных микроструктур с пространственной частотой до 650 мм-1 и более под воздействием пикосекундных лазерных импульсов длительностью 300 пс (в том числе, единичного пикосекундного импульса) на тонкие плёнки титана. Показана возможность управления контрастом структур путём изменения числа последовательных воздействующих импульсов, а также показано существование оптимального режима лазерной термохимической записи контрастного элемента наименьшего размера при максимальной производительности.

8. Предложено решение проблемы чрезмерной сложности аналитического моделирования при оптимизации режимов  лазерной термохимической записи высокого разрешения на тонких пленках, основанное на теории подобия. Анализ показал, что все параметры процесса записи оказываются постоянными при сохранении значения безразмерного инвариантного параметра G, являющегося функцией плотности мощности и радиуса пучка, а также свойств материала плёнки и подложки. Таким образом,  экспериментальное исследование ЛТЗ с одним и тем же значением инвариантного параметра G обеспечивает физическое подобие моделируемого и моделирующего процессов. С помощью предложенного подхода проведено моделирование процесса лазерной записи элементов субмикронного размера  в эксперименте с размером облученной зоны в 100 раз больше, которое показало хорошее согласие с реальным экспериментом.

9. Изготовлен тестовый образец фазового дифракционного оптического элемента (ДОЭ) на пленке титана с помощью полностью «сухого» процесса без жидкостного травления. Площадь дифракционной структуры составила 20 кв.см. Вместо жидкостного проявления рисунка записанный на лазерной записывающей системе образец подвергался реактивному ионному травлению в смеси газов CF4 и O2 и затем отжигался в печи при температуре 800 градусов в течение 2 часов в воздушной атмосфере. Максимальная достигнутая дифракционная эффективность на пропускание при периоде структуры 1350 нм (соответствует апертуре F/1) составила 25% на длине волны 633 нм при общем пропускании структуры 80%.  Проектная норма шага дискретизации по радиальной координате составила 88 нм при периоде зон 1350 нм и расчетной ширине записываемой оксидной дорожки 500 нм.

10. Предложен новый метод для светоэффективной острой зеркальной фокусировки лазерных пучков, оптимально согласованный с преобразованием их поляризации в радиальную форму с помощью тонкопленочных структур. На базе указанного метода разработана архитектура двух вариантов сверхразрешающих и поляризационно-преобразующих оптических систем для субволновой фокусировки лазерного излучения, соответственно, в воздушной и иммерсионной средах, с возможностью контроля формы распределения поляризации в фокальной области, а также с возможностью практической реализации большого рабочего отрезка. Разработана специализированная прикладная программа для оптимизационного расчета тонких многослойных структур, обеспечивающих селективное выделение радиальной компоненты поляризации из круговой поляризации. На основе использования строгой векторной электромагнитной модели дифракции Дебая определено, что, для невидимой глазом ГУФ длины волны лазерного источника 266 нм, полная ширина пучка по половинному уровню интенсивности, оцениваемая для усредненной во времени плотности электрической энергии, составляет в фокальной плоскости предложенной иммерсионной системы, величину 70 нм, при фокальном распределении указанной плотности электрической энергии, описываемом, приближенно, квадратом функции Бесселя нулевого порядка.

11. Разработан новый вариант системы острой иммерсионной кольцевой фокусировки и тонкопленочной конвертации поляризации лазерного излучения из линейной формы в радиальную. Данная система применима для прямой лазерной записи по пленкам металлов через стеклянную подложку и основана на использовании прецизионного стеклянного сферического сегмента с нанесенным многослойным тонкопленочным покрытием на поверхности его выходной апертуры. Числовая апертура данной системы составляет NA = 1.41, расчетный размер сфокусированного лазерного пятна на видимой УФ длине волны 405 нм равен 103 нм (FWHM), а размер рабочего отрезка позволяет использовать подложки толщиной до 1 мм. Используемый в системе 35-слойный иммерсионный тонкопленочного конвертер был ахроматизирован в диапазоне от 365 до 445 нм, что обеспечивает на средней длине волны 405 нм работу в широком диапазоне углов фокусируемых лучей от 65 до 78,5 градусов, при отношении интенсивности полезной радиальной компоненты поляризации к паразитной азимутальной компоненте (коэффициенте экстинкции), составляющем в указанном диапазоне более 10000.

12. Проанализированы меры, способствующие повышению качества изготовления высокоапертурных компьютерно-синтезированных дифракционных эталонных объективов, используемых в системах интерферометрического контроля сферических и асферических волновых фронтов. А именно, были проанализированы факторы, вызывающие паразитные искажения интерферограмм, получаемых с помощью таких объективов, при генерации и обратном приеме сферических и асферических волновых фронтов. Установлено, что указанные искажения приводят к существенной модуляции и снижению контраста интерферограмм, что в свою очередь является причиной их зашумления и потери точности измерений при математической обработке. С целью обеспечения компенсации указанных искажений, предложен метод и алгоритм кодирования структуры дифракционных объективов, которые основаны на изменении локального коэффициента пропускания их структуры за счёт модуляции ширины штрихов в зависимости от локального периода этих штрихов и локальной поляризации лазерного пучка.

13. Экспериментально изготовлен с помощью прямой лазерной записи и реактивного ионного травления высокоапертурный дифракционный объектив с диафрагменным числом F/1 для рабочей длины волны 632,8 нм. Погрешности изготовления не превысили λ/10.

14. Для оперативного контроля размерных характеристик и оптических параметров синтезируемых микро- и наноструктур, был предложен дифракционный метод локального контроля пространственного распределения интенсивности в дифракционных порядках. Для регистрации дифракционной картины в диапазоне углов дифракции ± 80° с использованием всего одной видеокамеры, было проведено исследование оптоволоконного экрана, специально изготовленного из оптоволоконной шайбы. По результатам проведённого исследования был собран дифрактометрический стенд на базе оптического микроскопа, позволяющий осуществлять как визуальный контроль сформированных дифракционных решёток в отражённом свете, так и дифрактометрический, путём анализа зарегистрированной дифракционной картины в прошедшем свете.

Библиографический список основных публикаций по проекту за весь период выполнения проекта (2014-2016 гг.).

  • Насыров Р.К., Полещук А.Г. Изготовление и сертификация дифракционного корректора для контроля формы поверхности главного зеркала диаметром 6 м Большого телескопа азимутального РАН // Автометрия. 2017. Т. 53, № 5. С. 116−123. – DOI 15372/AUT20170511
  • Насыров Р.К., Полещук А.Г, Сокольский М.Н., Трегуб В.П. Интерферометрический метод контроля качества сборки оптической системы с эксцентрично расположенной асферической линзой // Автометрия. 2017. Т. 53, № 5. С. 124−130. – DOI 10.15372/AUT20170512
  • Седухин А.Г. Исследование энергетических характеристик предельно сфокусированных игольчатых пучков с продольной поляризацией // Автометрия. 2017. Т. 53, № 5. С. 106−115. – DOI 10.15372/AUT20170510
  • Вейко, В. П., Корольков, В. П., Полещук, А. Г., Синев, Д. А., Шахно, Е. А. Лазерные технологии в микрооптике. Ч. 1. Изготовление дифракционных оптических элементов и фотошаблонов с амплитудным пропусканием //Автометрия. – 2017. – Т. 53. – №. – С. 66-77. – DOI 10.15372/AUT20170507
  • Asfour J.-M., Weidner F., Bodendorf C., Bode A., Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Grupp F., Bender R. Diffractive optics for precision alignment of Euclid space telescope optics //Astronomical Optics: Design, Manufacture, and Test of Space and Ground Systems. – International Society for Optics and Photonics, 2017. – Vol. 10401. – Paper. 104010V. – DOI 10.1117/12.2274349
  • Sedukhin A.G., Poleshchuk A.G. Efficient tight focusing of laser beams optimally matched to their thin–film linear–to–radial polarization conversion: method, implementation, and field near focus // Optics communications. – 2018. – Vol. 407. – P. 217–226. – DOI 10.1016/j.optcom.2017.09.042.
  • Белоусов Д. А., Полещук А. Г., Хомутов В. Н. Устройство для регистрации дифракционной картины синтезированных голограмм в широком угловом диапазоне //Автометрия. – 2018. – Т. 54. – №. – С. 35–42. – DOI 10.15372/AUT20180204.
  • Korolkov V.P., Mikerin S.L., Okotrub K.A., Sametov A.R., Malyshev A.I. High–resolution laser fabrication of amplitude diffractive structures on thin metal films // Proceedings of SPIE. – 2018. – Vol. 10823. – Paper 108230X. – DOI 10.1117/12.2501246.
  • Полещук А.Г., Корольков В.П., Вейко В.П., Заколдаев Р.А., Сергеев Е.А. Лазерные технологии в микрооптике: ч. 2. Изготовление элементов с трёхмерным микрорельефом // Автометрия. – 2018. – Т. 54, № 2. – С. 3–19. – DOI15372/AUT20180201.
  • Sedukhin A.G. Gamma and gamma–coupled beams // Applied optics. – 2018. – Vol. 57, is. 14. – P. 3653–3660. – DOI 10.1364/AO.57.003653.
  • Sedukhin A.G. Transport of energy through the focal region of a high–numerical–aperture system with efficient annular focusing of light beam and its optimum thin–film linear–to radial polarization conversion // Optics communications. – 2018. – Vol. 426. – P. 242–250. – DOI 10.1016/j.optcom.2018.04.078.
  • Sedukhin A.G., Nasyrov R.K., Korolkov V.P. Tolerances and alignment method for high–aperture hybrid diffractive/reflective objective // Proceedings of SPIE. – 2018. – Vol. 10815. – Paper 108151E. – DOI 10.1117/12.2501240.
  • Belousov D.A., Korolkov V.P., Khomutov V.N., Nasyrov R.K. Laser beam diffraction inspection of periodic metal/oxide structures with submicron period // Proceedings of SPIE: vol. 11030: Holography: Advances and Modern Trends VI. – 2019. – Paper. 110301C. – DOI 10.1117/12.2520960.
  • Veiko V.P., Zakoldaev R.A., Shakhno E.A., Sinev D.A., Nguen Z.K., Baranov A.V., Bogdanov K.V., Gedvilas M., Raciukaitis G., Vishnevskaya L.V., Degtyareva E.N. Thermochemical writing with high spatial resolution on Ti films utilising picosecond laser // Optical materials express. – 2019. – Vol. 9, is. 6. – P. 2729–2737. – DOI 10.1364/OME.9.002729.
  • Veiko V.P., Nguen Q.D., Shakhno E.A., Sinev D.A., Lebedeva E.V. Physical similarity of the processes of laser thermochemical recording on thin metal films and modeling the recording of submicron structures // Optical and quantum electronics. – 2019. – Vol. 51, is. 11. – Paper. 348. – DOI 10.1007/s11082–019–2073–8.
  • Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Sametov A.R., Malyshev A.I., Belousov D.A., Mikerin S.L., Kutz R.I. Direct laser writing of high–NA computer–generated holograms on metal films of the titanium group and chromium // Proceedings of SPIE: vol. 11188: Holography, Diffractive Optics and Applications IX. – 2019. – Paper. 111880R. – DOI 10.1117/12.2537269.
  • Korolkov V.P., Sedukhin A.G., Belousov D.A., Shimansky R.V., Khomutov V.N., Mikerin S.L., Spesivtsev E.V., Kutz R.I. Increasing the spatial resolution of direct laser writing of diffractive structures on thin films of titanium group metals // Proceedings of SPIE: vol. 11030: Holography: Advances and Modern Trends VI. – 2019. – Paper. 110300A. – DOI 10.1117/12.2520978.
  • Korolkov V.P., Sedukhin A.G., Mikerin S.L. Technological and optical methods for increasing the spatial resolution of thermochemical laser writing on thin metal films // Optical and quantum electronics. – 2019. – Vol. 51, is. 12. – Paper. 389. – DOI 10.1007/s11082–019–2111–6.
  • Korolkov V.P., Shimansky R.V., Khomutov V.N., Sedukhin A.G., Nasyrov R.K., Kiryanov V. P., Kiryanov A. V., Zavyalova M.A. Prospects for creating a laser nanolithography system for tasks of diffractive optics and nanophotonics // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1368. – P. 022017. – DOI 10.1088/1742–6596/1368/2/022017.
  • Shakhno E. A., Nguyen K. Z. Study of the resolution of direct recording of submicron structures on titanium films using millisecond laser pulses //Journal of Optical Technology. – 2019. – Vol. 86. – №. 4. – P. 251-254. . – DOI 10.1364/JOT.86.000251
  • Belousov D.A., Terent`ev V.S., Spesivtsev E.V., Korolkov V.P. Spectral data of refractive index and extinction coefficient for thin films of titanium group metals used for fabrication of optical microstructures // Data in Brief. – 2020. – Vol. 28. – Paper. 104903. – DOI 10.1016/j.dib.2019.104903.