Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ лазерных технологий микроструктурирования поверхности 18
Прямое травление микрорельефа лазерным пучком 19
Облучение с последующим жидкостным травлением материала 24
Запись по плёнкам фоторезистов с последующим жидкостным травлением 25
Литография с использованием фотошаблонов 30
Круговая лазерная запись... 39
Контроль качества ДОЭ 44
Глава 2. Анализ непрерывной лазерной записи скрытых изображений в хрома в широком диапазоне скоростей сканирования 49
Оценки параметров теплофизических процессов при записи в плёнках хрома на КЛЗС 51
Расчёт и анализ температурного поля для плёнки хрома на кварцевой подложке в процессе воздействия движущимся лазерным пучком 56
Глава 3. Экспериментальное исследование структуры штрихов при термохимической лазерной записи в плёнках хрома 73
Структура элементов изображений на КЛЗС (элементарных дуг) 74
Структура экспериментальных изображений 80
Коррекция тангенциальной погрешности 87
Исследование топологии поверхности плёнок хрома при записи на КЛЗС 91
Глава 4. Измерение эффективности дифракционных оптических элементов 96
Постановка задачи 96
Обоснование сканирующего метода 97
Описание установки для измерения ДЭ 99
Проверка работоспособности метода сканирования для измерения ДЭ 105.
Дополнительные возможности аттестации ДОЭ методом сканирования 108
Экспериментальные результаты измерений ДЭ 113
Заключение 121
Список литературы
- Запись по плёнкам фоторезистов с последующим жидкостным травлением
- Расчёт и анализ температурного поля для плёнки хрома на кварцевой подложке в процессе воздействия движущимся лазерным пучком
- Структура экспериментальных изображений
- Проверка работоспособности метода сканирования для измерения ДЭ
Введение к работе
Прогресс во многих современных областях науки и техники связывается с использованием оптических элементов, которые представляют собой пластины с нанесённой на их поверхности микроструктурой. Это дифракционные оптические элементы (ДОЭ) [1, 2], различные шкалы [3], фотошаблоны и т.д.
Применение ДОЭ открывает широкие возможности по преобразованию оптического излучения. Использование ДОЭ в светотехнических устройствах (автомобильных фарах, маяках и других осветительных устройствах) позволило существенно уменьшить их размеры, улучшить функциональные параметры (диаграмма направленности излучения и т.д.). Внедрение ДОЭ является весьма привлекательным для многих технических устройств и в других областях оптики, таких как интерферометрия, оптика для лазеров, оптическая обработка информации и т.д. Использование ДОЭ позволит значительно улучшить физические параметры многих оптических приборов и систем, таких как сканеры, микрообъективы, преобразователи лазерного излучения, системы оптической связи, интерферометры и т.д. [1, 2]. Улучшение характеристик приборов связано с уникальной возможностью преобразования оптического излучения, целенаправленно применяя явление дифракции. Главным достоинством применения ДОЭ является возможность использования одного ДОЭ для преобразования волнового фронта вместо совокупности элементов классической оптики.
Дисперсионное поведение у дифракционных структур противоположно дисперсионному поведению оптических материалов. Поэтому нанесение дифракционного микропрофиля на поверхность оптического элемента позволяет скорректировать хроматическую аберрацию и изготовлять ахроматические и апохроматические оптические элементы с использованием одного типа стекла или пластика [4]. Особенно это актуально для работы в инфракрасном диапазоне, так как материалы для ИК-оптики обладают
5 высоким показателем преломления, зависящим от длины волны света. По этой причине классические рефракционные элементы для работы в инфракрасном диапазоне, как правило, имеют значительную хроматическую аберрацию. Вместе с тем ограничен выбор применяемых материалов. Использование дифракционного микропрофиля позволяет скорректировать высокий хроматизм оптики для ИК-диапазона.
Толчок развитию дифракционной оптики дало широкое внедрение малогабаритных полупроводниковых лазеров и лазерных диодов в 1990 -2000-е годы. Появилась возможность изготовления на их основе малогабаритных изделий массового спроса. Возможности дифракционной оптики позволили существенно расширить функциональность изделий на основе полупроводниковых лазеров и уменьшить габариты и вес подобных устройств. Применение ДОЭ позволяет также создавать заданное распределение интенсивности с определёнными параметрами в нужной области пространства. Использование исключительно методов классической оптики для решения данного класса задач сопряжено со значительными энергетическими потерями и увеличением числа элементов [1]. Внедрение ДОЭ позволяет как сократить число оптических компонентов в измерительных схемах, так и создать световое изображение объекта с высокой точностью [1]. В работах [5-6] описано использование ДОЭ для создания светового кольца нужного диаметра в заданной фокальной плоскости для контроля параметров цилиндрических отверстий. Чтобы расширить диапазон измерений внутренних диаметров и возможных дефектов на внутренних поверхностях отверстий деталей в работах [7-Ю] предложено использовать ДОЭ, которые одновременно синтезируют набор световых колец в заданных плоскостях. Для решения данной задачи методами классической оптики необходимо применить либо кольцевую диафрагму, что приведёт к значительным потерям энергии, либо конический оптический элемент, который крайне трудно изготовить с необходимой точностью.
Принято различать несколько основных типов ДОЭ. В зависимости от вида модуляции различают фазовые и амплитудные ДОЭ [1, 11]. При изготовлении амплитудных ДОЭ возможно получить высокое пространственное разрешение (до 2000 мм"1), что позволяет выполнять широкий класс преобразований волнового фронта с большими углами дифракции. Недостатком амплитудных ДОЭ является их низкая энергетическая эффективность, так как непрозрачные участки не пропускают света. Фазовые ДОЭ представляют собой оптические элементы с нанесённым на их поверхность микрорельефом. ДОЭ фазового типа преобразовывают до 100% излучения. Поэтому фазовые ДОЭ более привлекательны для практических применений ввиду более высокой эффективности и, как следствие, лучшего отношения сигнал/шум в полезном изображении.
Многие технологии изготовления ДОЭ основаны на использовании достижений и оборудования микроэлектроники [1]. Связано это с близкими характерными размерами требуемого микрорельефа. Применение сканирующих электронно-лучевых и лазерных технологий позволяет осуществлять локальное воздействие на материал, что даёт возможность наносить микрорельеф на различных поверхностях. Электронно-лучевые аппараты имеют более высокое пространственное разрешение, но данный класс аппаратов имеет высокую стоимость как изготовления, так и эксплуатации. Применение лазеров имеет существенное преимущество перед электронно-лучевыми технологиями, так как нет необходимости проводить процесс формирования топологии элементов в вакууме [1, 2, 12, 13] и нет чрезвычайно высоких требований по пространственному разрешению.
Лазерные сканирующие технологии позволяют производить как высококачественные фотошаблоны для изготовления ДОЭ методами фотолитографии, так и получать микропрофиль ДОЭ непосредственно методом прямой лазерной записи по светочувствительным материалам на оптических подложках. Сканирование поверхности лазерным пучком осуществляется в основном двумя методами: в декартовой системе
7 координат (X-Y сканирование) и полярной системе координат (круговое сканирование). Движение записывающего инструмента относительно подложки в декартовой системе координат является более распространённым в силу технических причин, таких как, например, применение одного типа перемещения по обеим координатам. Применение X-Y сканирования позволяет получать высококачественные ДОЭ и упрощает процедуру расчёта для многих типов ДОЭ. Однако круговое сканирование имеет ряд преимуществ при изготовлении ДОЭ, фотошаблонов для их производства, угловых шкал, лимбов и т.д. Главным преимуществом является более высокая производительность таких систем, так как по одной из координат реализуется непрерывное движение, в результате чего линейная скорость перемещения записывающего луча может достигать десятков метров в секунду. Вторым положительным качеством кругового сканирования является более точное изготовление аксиально-симметричных элементов, требуемых во многих областях оптики. Эти преимущества обусловили развитие круговых лазерных записывающих систем (КЛЗС) и технологий на их основе. В настоящее время такие системы применяются как для изготовления ДОЭ и фотошаблонов к ним, так и для изготовления прецизионных шкал, лимбов, растров и т.д.
Основные результаты по круговой лазерной записи получены в Лаборатории лазерных технологий Института автоматики и электрометрии СО РАН. Этим научно-техническим коллективом были разработаны, развиты и внедрены для изготовления ДОЭ такие технологии, как круговая запись по плёнкам хрома на стеклянных подложках, запись на основе материалов с управляемым коэффициентом поглощения, фоторастровый метод получения фазового микрорельефа и т. д. [12, 13]. На основе этих методов изготовлены уникальные ДОЭ для проверки зеркал больших телескопов, высокоэффективные ДОЭ с пилообразным профилем и т. д. В ходе отработки технологий изготовления ДОЭ были исследованы различные аспекты взаимодействия сфокусированного лазерного излучения с
8 различными материалами (плёнки аморфного кремния, плёнки хрома на стеклянных подложках, LDW - стёкла и т.д.). Однако дальнейшее развитие технологий круговой лазерной записи требует более подробных исследований кинетики физических процессов, происходящих в материалах под воздействием сфокусированного движущегося лазерного пучка.
Актуальность работы.
Специалисты, имеющие дело с записью микроструктур (фотошаблонов интегральных схем, дифракционных оптических элементов, элементов микромеханики и др.), всегда стремились использовать (или разработать) технологические процессы с минимальным числом необходимых стадий изготовления конечной продукции (т.н. малостадийные технологии). К таким процессам относится термохимическая запись скрытых изображений в плёнках хрома [14-15]. Данная технология имеет только три основные стадии: нанесение в вакууме плёнки хрома, экспозиция плёнки сфокусированным лучом лазера и травление плёнки хрома в селективном травителе. Также существует возможность высокой автоматизации данного технологического процесса, которая позволяет существенно снизить затраты на изготовление необходимых элементов [2,16 - 20].
Кроме того, современные требования к параметрам изделий микромеханики, дифракционной оптики, шкал, фотошаблонов и т.д. становятся всё более жёсткими. Для качественного изготовления таких элементов необходимо высокоточное (с относительной погрешностью порядка 10'6) нанесение изображений, в т.ч. методами круговой лазерной термохимической записи. Однако выдержать столь жёсткие требования к точности формирования топологии элементов, не зная динамики физических процессов, происходящих в плёнках хрома во время записи, и основываясь только на эмпирических данных, которые накоплены в процессе эксплуатации созданных систем, достаточно сложно. При использовании такой технологии возникают искажения, связанные с кинетикой тепловых
9 процессов. Важным для понимания механизма появления погрешностей записи является проведение анализа формы следа, получаемого в плёнке хрома после воздействия лазерного излучения. При этом особо важно исследовать переходные режимы в начале и в конце воздействия излучения. Для этого целесообразно анализировать как 2D, так и 3D изображения следа. Поскольку наклоны поверхности следа на краях получаемой структуры приведут к дополнительному рассеянию при отражении света и, следовательно, ухудшению характеристик приборов, исследование 3D-топологии микроструктур также является актуальной задачей.
Разработка методики коррекции технологических погрешностей изготовления элементов с помощью круговой лазерной записи позволит оперативно получать элементы в соответствии с современными требованиями (угловая погрешность - не хуже нескольких угловых секунд, линейная - меньше размера записывающего пятна). Таким образом, станет возможным приблизиться к предельным характеристикам элементов, получаемых с использованием КЛЗС.
Одним из важнейших параметров ДОЭ для большинства приложений является их дифракционная эффективность. Под дифракционной эффективностью (ДЭ) понимают отношение световой энергии в нужных порядках дифракции к полной световой энергии, прошедшей через элемент. Искажения топологии микроструктур заметно влияют на ДЭ полученных в результате изготовления ДОЭ. Для фазовых элементов, выполненных с различной модуляцией фазового профиля, заметно отличается максимально достижимая дифракционная эффективность. ДОЭ с синусоидальной модуляцией имеют теоретическую максимальную эффективность в первом порядке 34%, с бинарной - 41%, с линейной (их называют ДОЭ «с блеском») - до 100% (в рамках скалярной теории) [1, 11]. Поэтому ДОЭ с линейной модуляцией представляют наибольший интерес для практики. При их изготовлении необходимо с высокой точностью выдерживать заданный характер изменения фазового профиля в пределах каждой дифракционной
10 зоны и обеспечить резкую границу между этими зонами. От того, как выдерживается выполнение этих требований, существенно зависит качество ДОЭ и, естественно, его ДЭ. Поскольку прямое измерение фазового рельефа по всей поверхности ДОЭ с последующим вычислением параметров интенсивности света в полезном изображении в большинстве случаев является долгим и трудновьшолнимым процессом, то разработка методов измерения дифракционной эффективности широкого класса ДОЭ является весьма актуальной задачей. Также возможность выявления характеристик фазового профиля по поверхности ДОЭ, приводящих к ухудшению эффективности ДОЭ, без применения прямого измерения фазового профиля позволяет существенно уменьшить затраты по аттестации изготовленных ДОЭ.
Цель и задачи диссертации:
Целью настоящей работы является исследование кинетики процесса записи скрытых изображений в плёнках хрома в широком диапазоне скоростей сканирования для понимания механизма формирования скрытых изображений и возникающих при этом искажений топологии, разработке алгоритмов компенсации этих искажений в топологии ДОЭ, круговых шкал, фотошаблонов и т.д.; создание методики измерения эффективности широкого класса ДОЭ и оценки распределения искажений фазового профиля. Достижение указанных целей потребовало решения следующих задач:
расчёт кинетики прогрева сфокусированным лазерным пучком системы плёнка хрома - кварцевая подложка в большом диапазоне скоростей сканирования;
анализ результатов расчёта температурного поля и сравнение с экспериментальными результатами;
разработка и экспериментальная апробация методики коррекции возникающих технологических погрешностей;
экспериментальная проработка сканирующей методики измерения дифракционной эффективности широкого класса ДОЭ;
выработка методик оценки искажений фазового профиля по площади ДОЭ.
Научная новизна
впервые проведены исследования кинетики образования термохимического следа при лазерной записи в плёнках хрома на кварцевых подложках в широком диапазоне линейных скоростей сканирования, характерном для КЛЗС.
рассмотрена кинетика прогрева плёнки хрома на кварцевой подложке при включении пучка в процессе движения для случаев с зависящими и независящими от температуры теплофизическими параметрами плёнки и подложки;
показано различие формы (асимметрия) температурного следа при включении и выключении записывающего пучка на основе анализа кинетики прогрева лазерным пучком системы плёнка-подложка в широком диапазоне скоростей сканирования;
показано, что тестовые структуры, применяемые для выбора мощности, должны иметь размеры, соизмеримые с формируемыми, если последние имеют длину, меньшую чем расстояние, при прохождении которого устанавливается стационарное температурное поле в области обработки; разработаны и внедрены методы коррекции погрешностей топологии, которые возникают при записи изображений в плёнках хрома, учитывающие особенности динамики термохимических процессов;
предложена и экспериментально исследована методика измерения эффективности путём сканирования световым пучком ограниченной апертуры для большого класса дифракционных оптических элементов, в т.ч. широкоапертурных;
12 экспериментально продемонстрировано, что для предложенной методики сканирования при измерении эффективности ДОЭ существует возможность выявлять ряд локальных искажений фазового профиля ДОЭ, снижающих дифракционную эффективность.
Практическая значимость работы
Результаты исследований кинетики механизма образования следа в процессе термохимической лазерной записи используются для повышения точности изготавливаемых с использованием КЛЗС типа CLWS-300C прецизионных шкал, лимбов и других изделий в КТИ НП СО РАН и на Уральском оптико-механическом заводе.
На основе результатов исследований сканирующего метода измерения дифракционной эффективности разработана система, позволяющая измерять энергетическую и дифракционную эффективность широкого класса ДОЭ. Система поставлена в рамках выполнения международного контракта в Институт физики Академии космических технологий КНР.
Личный вклад
Личный вклад автора состоит в проведении анализа температурного поля при лазерной записи в плёнках хрома на стеклянных подложках в широком диапазоне скоростей сканирования; постановке и осуществлении экспериментов с использованием КЛЗС по исследованию динамики переходных тепловых процессов при термохимической лазерной записи; разработке и экспериментальной проверке методики повышения точности структур, синтезируемых в плёнках хрома с использованием термохимической лазерной записи на КЛЗС. Автором выполнена научная проработка методики измерения энергетической и дифракционной эффективности дифракционных оптических элементов сканирующим методом; разработаны методы, алгоритмы и программное обеспечение;
13 исследованы дополнительные возможности выявления причин, ухудшающих эффективность дифракционных оптических элементов.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы были представлены на конференциях: Workshop on Laser Physics and Photonics, 1999, Saratov, Russia; I Conference on Laser Optics for Young Scientists, 2000, Saint-Petersburg, Russia; 3rd International Conference on Measurement, 2001, Bratislava, Slovakia; 7th International Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life, 2003, Novosibirsk, Russia; Diffractive Optics 2003 Conference, 2003, Oxford, Great Britain; International Symposium on Photonics in Measurement, 23/24 June 2004, Frankfurt, Germany; научный семинар в Институте Технической Оптики, Штутгартский Университет, июнь, 2004, Штутгарт, Германия.
Публикации
С участием автора опубликовано 20 печатных работ, из них 19 - по теме диссертации, в том числе 4 научные статьи - вошедшие в перечень изданий, рекомендованных ВАК, 14 - в сборниках трудов международных конференций, а также получен патент РФ.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложения. Объём работы составляет 131 страницу основного текста, включая 53 рисунка и 2 таблицы. Список литературы содержит 69 наименований.
В приложении находится Акт внедрения результатов работы в производство на Уральском оптико-механическом заводе, г. Екатеринбург.
В первой главе проведён анализ различных видов лазерных технологий, применяемых для синтеза микроструктур. Основное внимание
уделено технологиям с применением круговой лазерной записи. Рассмотрены базовые методы получения фазового микрорельефа, такие как: технология прямого лазерного травления, технология прямой лазерной записи, фотолитографические технологии с применением полутоновых фотошаблонов (ПШ), набора бинарных фотошаблонов, одного бинарного фотошаблона. Показано, что измерение эффективности ДОЭ является актуальным при применении различных лазерных технологий их изготовления.
Описана технология круговой лазерной записи, применяемая для изготовления ДОЭ и фотошаблонов для их производства фотолитографическими методами. Основное внимание уделено термохимической лазерной записи в плёнках хрома на стеклянных подложках. Данная технология применяется для изготовления амплитудных отражающих и пропускающих ДОЭ, прецизионных шкал, лимбов и т.д. Показано, что проведение исследований динамики тепловых процессов, происходящих в плёнках хрома при записи на КЛЗС, является необходимой задачей, несмотря на большой опыт использования данной технологии.
Также описаны применяемые методы контроля качества изготовленных ДОЭ. Показано, что разработка новых методик и систем для выходного контроля дифракционной и энергетической эффективности широкого класса изготовленных ДОЭ является необходимой и своевременной задачей.
Вторая глава посвящена анализу кинетики прогрева тонкой плёнки хрома на стеклянной подложке при круговой лазерной термохимической записи: путём численного решения задачи теплопроводности рассмотрена динамика прогрева системы плёнка-подложка движущимся сфокусированным лазерным пучком для широкого диапазона скоростей сканирования и сделан анализ погрешностей, вызванных особенностями тепловых процессов. В результате расчётов выявлена асимметрия температурного поля и смещение температурного следа в направлении
15 движения записывающего пучка. Показано, что ввиду инертности прогрева системы плёнка-подложка для получения чёткого следа термохимического взаимодействия процедуру выбора мощности записывающего пучка для записи (тестирование) необходимо проводить отдельно для структур, имеющих небольшой угловой размер (порядка нескольких угловых секунд) и протяжённых, например для круговых структур (колец).
В третьей главе приведены экспериментальные исследования результатов термохимической записи топологии структур в плёнках хрома с использованием КЛЗС.
Проведено сравнение рассчитанного температурного поля на поверхности плёнки хрома с экспериментально нанесёнными штрихами. Установлено, что в отражённом свете структуры короче на несколько микрон по сравнению со структурами, которые наблюдаются в проходящем свете. В результате измерений 3D топологии с использованием сканирующей зондовой микроскопии установлено, что изображения отличаются ввиду того, что на полученных структурах имеются участки, у которых поверхность непараллельна плоскости плёнка-подложка. Пространственно эти области совпадают с местами, которые наблюдаются в проходящем свете и не видны в отражённом. Отражённый свет рассеивается на таких участках, что необходимо учитывать при синтезе прецизионных элементов с использованием КЛЗС.
В результате анализа температурного поля и экспериментальных данных установлено, что увеличение толщины оставшейся после травления структуры в направлении движения пучка происходит ввиду инертности прогрева системы плёнка-подложка. Показано, что асимметрию 3D формы следов взаимодействия в тангенциальном направлении необходимо принимать во внимание при изготовлении элементов с использованием круговой лазерной термохимической записи.
Также в данной главе приведена методика коррекции технологических погрешностей при круговой лазерной записи в плёнках хрома, основанная на
удлинении каждого элемента изображения. Данный метод позволил уменьшить погрешность выполняемых на КЛЗС фотошаблонов угловых шкал и лимбов до единиц угловых секунд.
Четвёртая глава посвящена разработке и внедрению сканирующей методики измерения эффективности дифракционных оптических элементов. В этой главе представлены результаты исследования методики измерения дифракционной эффективности дифракционных оптических элементов, основанной на использовании принципа сканирования поверхности элемента световым пучком ограниченной апертуры. Сравниваются результаты измерения дифракционной эффективности линзы, полученные при использовании интегральной и сканирующей методик. Рассматривается концепция создания установки, обеспечивающей измерение дифракционной эффективности по обеим методикам, обсуждены полученные экспериментальные результаты.
Также в данной главе описывается созданная установка, позволяющая благодаря наличию двух специальных каналов измерять ДЭ широкого класса ДОЭ с линейными размерами от 10 мм до 300 мм, как интегральным методом (для линз Френеля диаметром до 48 мм), так и методом сканирования.
Применение метода сканирования поверхности ДОЭ световым пучком ограниченной апертуры позволяет по единой схеме производить измерение дифракционной эффективности широкого класса ДОЭ. Сравнение результатов измерения ДЭ, полученных на рабочей длине волны по двум различным методикам для известного объекта (дифракционной линзы), показало достаточно близкое их совпадение (различие не превышало 4%). Использование двойного сканирования (по пространству и по длинам волн), позволяет оценивать с приемлемой для практики точностью искажения глубины фазового профиля и величину обратного ската зон ДОЭ. Приведены результаты измерений фазового микропрофиля с использованием сканирующей зондовой микроскопии, которые показали высокую достоверность данных, полученных спектральным методом.
При использовании сканирующего метода угол дифракции а измеряемых элементов для созданной системы определяется разрешением сканирующей системы и апертурой рабочих объективов и находится в пределах 0,06<а<0,6 радиан, что позволяет проводить измерения ДЭ для широкого класса ДОЭ.
В заключении приведены основные результаты и выводы данной работы.
На защиту выносятся:
1. Разработанные методы анализа формирования границ
термохимического следа при лазерной записи в плёнках хрома на кварцевых
подложках для широкого диапазона линейных скоростей сканирования.
2. Новый способ коррекции тангенциальной технологической ошибки,
который позволяет уменьшить погрешность углоизмерительных структур до
единиц угловых секунд, что превышает уровень ведущих мировых
производителей аналогичных изделий.
3. Метод измерения эффективности ДОЭ с использованием
сканирования световым пучком ограниченной апертуры, позволяющий
аттестовать данный параметр для широкого класса элементов, в т.ч.
широкоапертурных.
4. Новый способ оценки с приемлемой для практики точностью
искажений топологии ДОЭ (максимальной глубины фазового профиля и
величины обратного ската дифракционных зон) с использованием
дополнительного сканирования по спектру излучения.
Запись по плёнкам фоторезистов с последующим жидкостным травлением
Особое место в технологиях изготовления ДОЭ занимают технологии изготовления микрорельефа, основанные на достижениях и оборудовании микроэлектроники. Привлекательность этих методов для изготовления ДОЭ основана на близости требуемых характеристик пространственного разрешения. Самым востребованным процессом является метод формирования микрорельефа, называемый литографией.
Литографией [1] называется воспроизведение конфигурации и взаимного расположения элементов изделия на подложке (субстрате, основании) путём формирования на её поверхности защитного рельефного покрытия и последующего переноса рельефа в подложку. В зависимости от типа облучения литографию делят на фото-, электронно-, ренгено- и ионолитографию.
Из существующих технологий для изготовления микрорельефа ДОЭ большого внимания заслуживает фотолитография с применением лазеров [1]. Лазерное сканирование используется как для экспонирования светочувствительных материалов (фоторезистов) с последующим травлением, так и для изготовления фотошаблонов, которые применяются для создания требуемой конфигурации освещённости в обрабатываемом материале.
Одним из методов изготовления фазовых ДОЭ является лазерная запись по фоторезистам, которые под воздействием лазерного излучения меняют химические свойства. Это изменение выражается в изменении скорости травления в зависимости от дозы экспонирования. Ввиду относительной дешевизны необходимых материалов и распространённости технологических операций в микроэлектронике эта технология довольно широко применяется и при изготовлении ДОЭ.
Данная технология включает в себя 4 этапа (рис. 1.4): 1) нанесение фоторезиста на подложку; 2) экспонирование фоторезиста сфокусированным лазерным пучком; 3) жидкостное травление фоторезиста; 4) перенос фазового профиля в твёрдый материал. Методы нанесения фоторезистов разработаны в микроэлектронике. В данной работе этот вопрос не рассматривается.
Экспонирование фоторезиста в рамках данной технологии изготовления ДОЭ осуществляется сфокусированным лазерным пучком в видимом или УФ диапазоне в режиме сканирования по координатам. Распределение интенсивности в фокальном пятне лазерного пучка можно описать гауссовым распределением: х2+у2 Р2 1(х,у) = 10е где р - полуширина (радиус) пучка, по уровню интенсивности е"1 относительно максимума, х и у - координаты относительно центра пучка. Центр пучка в данном случае находится в точке (0, 0).
Интенсивность пучка выбирается в соответствии с глубиной требуемого фазового профиля в каждой точке элемента. Регулируется в . данном случае величина І0. В случае модуляции мощности лазерного пучка по координате х при движении его по данной координате распределение экспозиции Е является свёрткой импульса включения пучка и распределения мощности в фокальной плоскости объектива: Е(х,у) = 1(х,у)Р(х), где Р(х) - модуляция лазерного пучка по линейной координате, 8 - оператор свёртки.
После экспонирования производится жидкостное травление фоторезиста. В результате травления появляется фазовый микропрофиль в фоторезисте. Однако фоторезист не соответствует техническим требованиям к оптическим элементам ввиду крайне низкой прочности, высокой текучести и малой долговечности. Поэтому фазовый профиль переносится в твёрдый материал различными способами. Это могут быть методы гальванопластики, ионное или жидкостное травление.
Каждая технологическая операция вносит свой вклад в искажения получаемого фазового профиля в материале относительно проектируемого. Рассмотрим физические ограничения параметров получаемого фазового профиля при применении технологии прямой записи по фоторезисту.
1) Форма лазерного пучка.
Поскольку лазерный пучок имеет гауссов профиль, то экспонирование по линейной координате производят с шагом, меньшим р, чтобы избежать дополнительной паразитной модуляции профиля внутри зоны. В этом случае суммарная экспозиция в каждой точке внутри дифракционных зон плавно изменяется с мощностью лазерного пучка. Однако переход, соответствующий границе между дифракционными зонами, (где осуществляется переход между максимальной экспозицией и минимальной) при распределении световой энергии будет составлять в этом случае не менее радиуса записывающего пучка.
Расчёт и анализ температурного поля для плёнки хрома на кварцевой подложке в процессе воздействия движущимся лазерным пучком
Для записи структур, для которых важна точность в тангенциальном направлении, большой интерес представляет динамика термохимических переходных процессов в плёнке хрома. Наиболее актуальным при анализе технологических погрешностей в случае термохимической записи на круговых лазерных записывающих системах (КЛЗС) является распределение температуры в процессах включения и выключения записывающего пучка. При этом самой значимой является характеристика процесса прогрева системы плёнка-подложка в зависимости от пространственной координаты при движении записывающего пучка. Это обусловлено тем, что развитие термохимических процессов в плёнках хрома (поверхностное окисление и кристаллизация) напрямую зависит от температуры. Немаловажное значение также имеет форма теплового фронта в точке выключения пучка, так как пространственная координата конца штриха, соответствующая точке выключения, может не соответствовать планируемой. Анализ динамики прогрева позволит выработать рекомендации по минимизации погрешностей, вызванных инертностью процесса прогрева плёнки.
Для исследования динамики механизма прогрева системы плёнка-подложка необходимо рассчитать распределение температуры при включении и выключении записывающего пучка. Лазерный пучок движется относительно системы плёнка-подложка со скоростью v в направлении X (рис. 2.1).
Распределение интенсивности сфокусированного лазерного пучка имеет гауссову форму с характерным радиусом го = 0,5 мкм. Задача прогрева плёнки на подложке описывается системой уравнений теплопроводности: где Ті 2 - температура, К1 2 - теплопроводность вещества, р1 2 - плотность, Сц - теплоёмкость. Индекс «1» относится к плёнке, индекс «2» - к подложке. Начальное условие для системы (2.3) определяется равенством температуры по всему пространству в начальный момент времени (t=0): Tx(x,y,zfi) = T2(x,y,z,0) =TQ = 2980 (2.4) для всех х, у, Z.
Граничные условия для данной задачи будут определяться: - тепловым потоком на границе плёнки с воздухом, - равенством температуры начальной на бесконечности, - равенством температур плёнки и подложки, а также тепловых потоков на их границе. Уравнения в системе (2.3) связаны следующим граничным условием на границе плёнка-подложка (при z = h, h - толщина плёнки): "i" 1" (15) что означает равенство тепловых потоков в данной плоскости. Так же на данной границе температуры плёнки и подложки будут одинаковы: Ti2. (2.6) Граничное условие на границе воздух - плёнка (z = 0): Ki - - = h ехР OZ 2((x-vt)2+y2) І (2.7) где v - скорость сканирования лазерного пучка, Ki 2 - теплопроводность, 10 -плотность мощности поглощённого излучения в центре пучка, г0 - радиус пятна. Условие (2.7) означает поток тепла на поверхности плёнки, вызванный лазерным облучением.
Также при х, у, z = оо температура как плёнки, так и подложки должна оставаться равной начальной всё время воздействия: Ті 2 = То, (2.8) а градиент температуры по любому направлению при х, у, z = оо также должен быть равен нулю: дТ\,г = дТ12 = дТї 2 = дх ду dz (19)
Система (2.3) с начальным условием (2.4) и граничными условиями (2.5 - 2.9) решалась численно методом конечных элементов [57- 58]. Для решения использовались неявные, абсолютно устойчивые схемы. Узлы сетки были расположены как по границам области расчёта, так и на границе «плёнка-подложка». Величина поглощённой в плёнке хрома энергии была вычислена, исходя из измеренного коэффициента отражения, равного 42%. Пропусканием плёнки можно пренебречь, т.к. оно составляет менее 1%. Таким образом, в плёнке поглощалось 58% световой энергии.
Область расчёта была выбрана следующим образом: в плоскости XY расстояние от оси пучка составляло ±10мкм в направлении Y. От точек включения и выключения границы области расчёта отстояли соответственно на 10 мкм вдоль оси сканирования. При этих условиях для распределения температуры по окончании процесса прогрева всегда с хорошей точностью выполнялись граничные условия (2.8) и (2.9), что свидетельствует о предельно малой погрешности результатов [57,60].
Расчёт был проведён как для линейного случая (теплофизические параметры Кі,2, Рід, Сід не зависят от температуры) и для нелинейного (данные параметры зависят от температуры). Также был промоделирован случай с источником тепла, равномерно распределённым по глубине плёнки. Отличие результатов было пренебрежимо малым (не более нескольких градусов). Последнее говорит о том, что для нас не имеет значения, каким именно образом задавать источник тепла: поверхностным тепловым потоком или объёмным тепловыделением в плёнке.
Зависимости теплофизических параметров хрома и кварца от температуры были взяты из [26, 53]. Значения теплоємкостей, плотностей и теплопроводностей, находящиеся в промежутках между приведёнными величинами и вне их максимальных и минимальных значений, были интерполированы и экстраполированы соответственно.
Структура экспериментальных изображений
Для экспериментального исследования границ топологии получаемых изображений в плёнках хрома были нанесены специальные тестовые структуры (рис. 3.7). Приведённые в данном параграфе результаты получены с использованием плёнок хрома, изготовленных промышленно на ООО «Элма - Фотма» в соответствии с ТУ 11-79 ЕТО.035.152ТУ. Запись производилась в два приёма. Сначала были нанесены квадраты в шахматном порядке размером 10x10 мкм. Расстояние между данными структурами составило также 10 мкм как в радиальном, так и в тангенциальном направлении. На рисунке они обозначены цифрой 1. Затем (во время следующего прохода) были нанесены два типа штрихов: одни имели радиальный размер (перпендикулярно направлению движения) 14 мкм, тангенциальный (как и первая серия - 10 мкм) (обозначены цифрой 2).
Спроектированы они таким образом, что в области углов прямоугольников первой и второй серии имеется перекрытие размером 2 мкм [59, 61].
И второй тип штрихов представляет собой отрезки длиной 10 мкм в тангенциальном направлении с периодом 1 мкм. На рисунке они расположены ниже, чем предыдущий тип штрихов. Тангенциальные координаты начала записи квадратов первой серии совпадают с тангенциальными координатами финиша записи структур второй серии. Аналогично угловая координата окончания нанесения квадратов совпадала с угловой координатой старта записи структур второй серии. Таким образом изображения второй серии находятся в 10-микронном промежутке, который имеется между квадратами первой серии. Стрелкой над рисунком показано направление быстрого сканирования.
На рис. 3.7а представлено изображение, полученное с помощью программы-эмулятора. Данная программа строит изображение, исходя из проектируемого рисунка и размера записывающего пятна. В данном случае нанесённые штрихи представляют собой более светлые структуры, чем фон. Хорошо видно перекрытие в тангенциальном направлении между первой и второй сериями штрихов. Размер этого перекрытия составляет около 1 мкм -размер записывающего пятна, заданного при проектировании. В данном построении не учитывается динамика прогрева системы плёнка-подложка.
На рис. 3.76 представлено изображение экспериментально полученных на круговой лазерной записывающей системе штрихов в отражённом свете. Изображение получено с помощью микроскопа МИИ-4 и цифровой камеры. Хорошо заметны разрывы в штрихах между первой и второй сериями. Притом, что передний край штрихов гораздо менее ровный, чем задний. Очевидно, что связано это с динамикой прогрева плёнки и, тем фактом, что изначально плёнка и подложка имеют некоторую шероховатость (примерно до 10 нм, как было измерено). Поэтому в тех местах, где температура становится близка к пороговой, наблюдаются неровности. Разрыв между передними и задними фронтами на данном рисунке можно оценить в 1,5-2 мкм. Кроме того, видно, что узкие штрихи, ширина которых должна быть около 1 мкм, видны менее чётко, чем залитые квадраты размером 10x10 мкм и 10x14 мкм. Очевидно, что задние фронты штрихов и квадратов имеют координату, что была заложена при проектировании. А отставание передних связано как с динамикой прогрева плёнки, так и кинетикой термохимических процессов (поверхностное окисление и рекристаллизация) в плёнках хрома на стеклянных подложках. Данное изменение размеров штрихов, очевидно, необходимо компенсировать при изготовлении оптических элементов, работающих на отражение.
И, наконец, на рис. 3.7в представлено изображение тех же штрихов, но сделанное в проходящем свете. Поэтому структуры оставшейся после травления плёнки хрома видны чёрными, фон - белый. Хорошо видно, что в данном случае одиночные штрихи длиной 10 мкм имеют явное уширение от точки включения и практически не наблюдается явно заметных задержек при включении и выключении. В этом плане картина явно «красивей», чем та, что изображена на рис. 46.
Однако, в связи с асимметрией температурного поля очевидно, что произошло смещение полученных штрихов относительно проектируемых (рис. 3.7а). Это смещение можно оценить исходя из координаты следа при
выключении записывающего пучка. Очевидно, что при выключении пучка след получается длиннее на половину ширины пятна. И, если ширина следа у нас около 1 мкм, то смещение составит примерно 0,5 мкм. Как показано расчётами в главе 2, это линейное смещение в данном диапазоне скоростей сканирования практически одинаково, что приведёт к ошибкам в изготовлении угловых шкал, ДОЭ, фотошаблонов для их изготовления и т. д.
И, наконец, рассмотрим изображение таких же штрихов, полученное с использованием сканирующей зондовой микроскопии. На рисунке 3.8 показано 3D изображение структур, изготовленных аналогично приведённым на рис. 3.7. Стрелкой обозначено направление сканирования. Хорошо видно, как после старта записывающего пучка происходит плавное увеличение высоты профиля до максимальной. И как довольно резко штрихи обрывается в месте выключения пучка. Таким образом, при отражении света от участков, где максимальная глубина ещё не достигнута, свет рассеивается и мы не можем наблюдать данные структуры при рассмотрении изображения в отражённом свете. Но на картине, полученной в проходящем свете, картина иная: участки с меньшей толщиной также практически не пропускают света. Этим и объясняется разница в изображениях на рис. 3.76 и 3.7в. По краям изображения видны границы измеренной области. Изображение было получено с помощью сканирующего зондового микроскопа Solver PR047.
Этот факт хорошо соответствует приведённым на рисунках 2.3 и 2.6 результатам расчёта температурного поля. В процессе прогрева плёнки при движении пучка температура на поверхности плёнки в сначала быстро (скачком) увеличивается, затем растёт достаточно медленно. В соответствии с температурой происходят термохимические изменения, такие как поверхностное окисление и кристаллизация [14, 47] (при превышении некоего порогового уровня). После жидкостного травления толщина оставшейся плёнки соответствует степени этих термохимических изменений, что видно на рис. 3.8.
Проверка работоспособности метода сканирования для измерения ДЭ
Согласно данному методу (рис. 4.1) рабочая поверхность ДОЭ условно разбивается на N локальных площадок - Sj. Размеры данных площадок определяются размерами светового пучка, который последовательно сканирует поверхность контролируемого элемента. При освещении локального элементарного участка ДОЭ происходит дифракция на микроструктуре ДОЭ, которая, как считается, по своим свойствам очень близка к дифракционной решётке. Интенсивность света в нужном (нужных) порядках дифракции I, измеряется при помощи фотоприёмной системы. Паразитные порядки при измерении с помощью фотоприёмника отсекаются при помощи диафрагмы, роль которой может выполнять апертура фотоприёмника. В случае измерения при помощи ПЗС-матрицы или ином
Требуемый дифракционный порядок сканирующего метода. способе получения дифракционной картины процесс измерения интенсивности в нужном порядке дифракции происходит во время обработки изображения. Измеренная интенсивность в нужном (нужных) порядке дифракции нормируется в процессе вычислений на текущее значение интенсивности падающего света 10 и пропускание подложки ТДОэ- В результате нормировки получают - значение ДЭ в данной локально измеренной площадке ДОЭ. Величина ТдоэЬ равна интенсивности света, прошедшего через элемент. Результаты всех локальных измерений суммируют и усредняют по общему числу измерений:
Полученная величина г соответствует ДЭ всего элемента, хотя она может отличаться от реальной ДЭ, если в синтезируемом образце имеются значительные искажения геометрии дифракционных зон. Однако в технологических комплексах, формирующих топологию ДОЭ, используются высокоточные системы управления перемещениями наносящего микропрофиль инструмента, например, такие как в [67], в результате чего, как показывают исследования [43], удаётся минимизировать подобную причину ухудшения ДЭ.
На рис. 4.2 представлена функциональная схема экспериментальной установки, реализующей измерение ДЭ в широком спектральном диапазоне (450 + 2200) нм как по методу сканирования поверхности ДОЭ, так и по традиционному (интегральному) методу. Измерение ДЭ по методу сканирования реализуется с помощью узлов и блоков основного канала установки. В состав основного канала входят: осветитель 1; автоматизи рованный монохроматор 2; коллиматор За блока коллиматоров 3; двухкоординатный стол 4; оптико-механический блок быстрого сканирования 5; сменные фотоприёмники основного и калибровочного каналов 6 и 7, соответственно; полупрозрачное зеркало 8 и зеркальный блок переключения каналов 9.
В качестве осветителя 1, обеспечивающего спектральный диапазон (450 т 2200) нм, используется галогенная лампа со специальной оптической схемой для переключения режимов работы. На рис. 4.2 схема переключения оптических каналов в осветителе не представлена. Для выбора рабочей длины волны служит монохроматор 2 марки ДМР-4, который, с целью автоматизации процесса выбора спектральной линии, дополнен специальной системой управления на основе шагового двигателя. Коллиматор За, входящий в состав блока коллиматоров 3, формирует на рабочей поверхности ДОЭ световой пучок квадратного сечения, размером 1x1 мм2. Контролируемый элемент 10 располагается на двухкоординатном столе 4, с помощью которого по сигналам от управляющего компьютера обеспечивается последовательное сканирование рабочей поверхности ДОЭ упомянутым выше световым пучком. При взаимодействии с рабочей поверхностью ДОЭ падающий луч дифрагирует на фазовом рельефе площадки, освещенной в данный момент.
