2023

Технология прямой лазерной записи дифракционных структур на двухслойных материалах Zr/SiO₂, Si/Ti И Si/Cr

Разработана термохимическая лазерная технология прямой лазерной записи амплитудных и фазовых дифракционных структур на двухслойных материалах Zr/SiO₂, Si/Ti и Si/Cr. За счет аномально высокой разность фаз при отражении света между экспонированными и исходными участками Zr/SiO₂ продемонстрировано формирование отражательных решёток с дифракционной эффективностью свыше 30% по полностью «сухой» (без жидкостного селективного травления) технологии. Использование термохимической реакции образования силицидов существенно расширило диапазон мощности лазерного пучка для термохимической записи (Δ) на Si/Ti и Si/Cr по сравнению с реакцией окисления и улучшило пространственное разрешение. Сформированные металло-силицидные маски проявляются двухэтапным травлением, обеспечивающим уникальную селективность, и затем используются для фотолитографии или как маски для травления подложки. Значительное изменение отражения при лазерной записи на двухслойных материалах позволяет реализовать in-situ контроль формируемого рисунка без проявления. Патентоспособная технология расширяет области применения лазерных записывающих систем, созданных совместно ИАиЭ СО РАН и КТИ НП СО РАН.

Рис. 1. Микроизображения записанных структур: (а) - на Zr/SiO₂ (R - на отражение, Т – на пропускание); (б) – нанополости на сколе Zr/SiO₂ (СЭМ); (в) - на Si/Ti до (сверху) и после (снизу) стравливания слоя Si (микроизображения на отражение); (г) - этапы проявления маски, записанной на Si/Cr (микроизображения на отражение); (д) - фотография дифракционной линзы (диаметр 50 мм), записанной на Si/Cr.

• Belousov D. A., Kuts R. I., Okotrub K. A., Korolkov V. P. Direct Laser Writing of Diffractive Structures on Bi-Layer Si/Ti Films Coated on Fused Silica Substrates //Photonics. – 2023. – Vol. 10. – №. 7. – P. 771. – DOI: 10.3390/photonics10070771.
• Kuts R., Korolkov V., Mikerin S., Okotrub K., Belousov D., Malyshev A., Sametov A., Shimansky R., Gavrilova T. Volumetric thermochemical laser writing of nanostructured reflective diffraction gratings on a dual-layer material Zr/SiO2 //Journal of Optical Technology. – 2023. – Vol. 90. – № 4. – P. 163–169. – DOI: 10.1364/JOT.90.000163.
• Belousov D. A., Kuts R. I., Korolkov V. P Thermochemical laser writing of silicide masks on dual-layer films a-Si/Cr //Proc. SPIE, 2023, Vol. 12762.

Полутоновые отражающие калибровочные маски и лазерная технология их изготовления

Оптическая микроскопия является одним из основных методов исследования морфологии материалов, изучения их фазовых и структурных составляющих. Объектами испытаний и контроля являются металлы, сплавы, волокна, слои и покрытия, композитные материалы и т.д. С появлением автоматизированных систем анализа изображения этот вид исследования становится менее трудоемким, а значит более технологичным и востребованным.

Несмотря на разнообразие методик исследования микроструктуры материалов количество стандартных образцов (СО) для них чрезвычайно мало, а имеющиеся по уровню утверждения относятся к категории отраслевых стандартных образцов и стандартных образцов предприятий и, в большинстве случаев, выпускаются в виде единичных экземпляров.

Возможности серийного выпуска стандартных образцов материалов, пригодных для метрологического обеспечения методик измерений морфологических параметров материалов, основанных на методе оптической микроскопии, ограничены, так как важными признаками СО является стабильность и однородность. Как правило, перед исследованием материал требует специальной подготовки исследуемой поверхности, которая остается неизменной и пригодной для анализа ограниченное непродолжительное время. Подготовка может включать такие операции как шлифовка и полировка, а также различные виды химического и физического воздействия с целью выявления интересующих элементов микроструктуры. Для повторного исследования образец готовится заново. Гарантировать однородность микроструктуры во всем объеме образца, т.е. неизменность аттестованной характеристики, возможно не всегда. Существуют также материалы, требующие специальных, дорогостоящих способов транспортировки, обусловленных соображениями безопасности.

Созданные с использованием лазерных технологий полутоновые калибровочные маски (рис.1) лишены приведенных выше недостатков. Они содержат элементы структуры заданного размера, обладают высокой стабильностью и контролируемой однородностью в пределах плоскости образца, не требуют специальных дорогостоящих условий эксплуатации и транспортировки, компактны. Подготовка образца к измерениям не приводит к изменению структуры его поверхности независимо от количества проведенных исследований, так как не требуются шлифовка, полировка, травление и другие виды воздействия. Эти преимущества образцов облегчают процедуру их аттестации (сертификации). Образцы могут использоваться для различных видов метрологических работ: при валидации (аттестации) методик измерений, при оценке пригодности методик измерения, контроле правильности, оценке смещения результатов измерений, подтверждении степени эквивалентности результатов измерений двух или более лабораторий. Предлагаемый новый продукт востребован испытательными лабораториями и операторами межлабораторных сличительных (сравнительных) испытаний как стандарт для материаловедческой микроскопии.

Рис. 1. Микроскопические измерени я стандартных калибровочных масок ( слева ); полутоновое изображение структуры материала в отраженном свете ( в середине ); полутоновые калибровочные маски (справа)

Для изготовления полутоновых отражательных калибровочных масок была разработана лазерная термохимическая технология (рис.2) формирования наноразмерного трехмерного рельефа на хромовой пленке, нанесенной на стеклянную подложку. Технология базируется на результатах фундаментальных исследований, посвященных методам записи бинарных фотошаблонов, проведенных научными коллективами под руководством В.П. Вейко (ИТМО) и А.Г. Полещука (ИАиЭ СО РАН). В рамках нового НИОКР, выполненного по заказу ООО «СИАМС», удалось найти режимы высокоточной лазерной обработки и химического травления, позволившие перейти от бинарных пропускающих фотошаблонов к полутоновым отражающим с высоким контрастом модуляции коэффициента отражения.

Рис. 2. Технологические этапы создания отражающей полутоновой калибровочной маски:
1 напыление пленки хрома, 2 термохимическая лазерная запись, 3 селективное травление через оксидную маску.

Процесс лазерной записи ведется на разработанной в ИАиЭ СО РАН круговой лазерной записывающей системе CLWS-300IAE (рис.3) с длиной волны записывающего лазера 532 нм и диаметром записывающего пятна менее 700 нм. Стеклянная заготовка, покрытая пленкой хрома, устанавливается на планшайбе аэростатического шпинделя и вращается с постоянной скоростью. Сфокусированный записывающий пучок перемещается вдоль радиуса и модулируется в соответствии с радиальной координатой и структурой изготавливаемой маски.

Рис. 3. Круговая лазерная записывающая система CLWS 300 IAE

В табл.1 приведены технические характеристики отражающих полутоновых калибровочных масок.

Табл.1 Технические характеристики отражающих полутоновых калибровочных масок

Существующие в мире аналоги полутоновых микроизображений изготавливаются на мягких материалах – пленках халькогенидов, фоточувствительных эмульсий, олова и его сплава. С точки зрения механической стойкости отражающие маски на таких материалах не идут ни в какое сравнение с калибровочными масками, изготавливаемыми на пленках хрома по термохимической лазерной технологии. Еще одним преимуществом нашей технологии является то, что задействуются широко распространенные материалы – стандартные заготовки с хромовым напылением, используемые для изготовления фотошаблонов в микроэлектронике. Предлагаемый нами новый продукт уникален на мировом уровне и будет востребован как стандарт для материаловедческой микроскопии.