Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Синтез дифракционных оптических элементов в полярной системе координат 19
1.1. Устройства записи в полярной системе координат 22
1.2. Преимущества и недостатки способа записи в полярной системе координат 30
1.3. Системы управления интенсивностью лазерного пучка 35
1.3.1. Система линейного и импульсного управления мощностью записывающего пучка 36
1.3.2. Многоканальная система управления мощностью 41
1.4. Методы автоматической фокусировки в лазерных записывающих устройствах 46
1.4.1. Система автоматической фокусировки с увеличенной помехоустойчивостью 49
1.5. Оптический канал записи ЛЗС 53
1.6. ЛЗС с горизонтальным расположением шпинделя 56
1.7. ЛЗС с вертикальным расположением шпинделя 59
ГЛАВА 2. Погрешности изготовления ДОЭ 64
2.1. Влияние погрешностей изготовления дифракционной структуры на характеристики волнового фронта 65
2.1.1. Дифракционная эффективность 67
2.1.2. Фаза волнового фронта 68
2.1.3. Искажение структуры зон ДОЭ 71
2.2. Источники погрешностей изготовления ДОЭ 72
2.2.1. Ошибка фиксации начала координат 72
2.2.2. Погрешность угловой координаты 74
2.2.3. Погрешность траектории вращения 75
2.2.4. Погрешность перемещения записывающего пятнг 76
2.2.5. Погрешности координаты записи, вносимые системой автоматической фокусировки 78
2.3. Методы определение специфических ошибок ЛЗС 79
2.3.1. Поиск оси вращения подложки 80
2.3.2. Долговременная стабильность положения начала радиальной координаты 81
2.3.3. Измерение траектории движения лазерного пучка 82
2.4. Методы определение ошибок ЛЗС путем анализа золновых фронтов тестовых ДОЭ 82
2.4.1. Круговые зонные пластинки 83
2.4.2. Линейные дифракционные решетки 85
2.4.3. Измерения искажений волнового фронта 87
2.4.4. Исследование точности записи ДОЭ с помощью ЛЗС 88
2.5. Методы коррекции погрешностей ЛЗС 91
2.5.1. Стратегия записи осесимметричных ДОЭ 91
2.5.2. Предсказание искажений волнового фронта ДОЭ 96
2.5.3 Виды искажения волнового фронта 96
2.5.4. Изготовление ДОЭ с периодической коррекцией 99
2.5.5. Коррекция погрешности траектории вращения 102
2.6. Сертификация процесса записи ДОЭ 104
2.6.1. Экспериментальное исследование 106
2.7. Трехмерная визуализация световых полей ДОЭ 107
2.7.1. Метод визуализации 109
2.8. Разработка и исследование устройств контроля формы волнового фронта 113
2.8.1. Контроль формы волнового фронта фотоэлектрическими теневыми приборами 115
2.8.2. Контроль волнового фронта цветным теневым прибором 126
2.8.3 Интерференционно-теневой контроль волнового фронта 128
ГЛАВА 3. Методы прямой лазерной записи дифракционных микроструктур с амплитудным пропусканием 133
3.1. Термохимический метод изготовления ДОЭ в пленках хрома 137
3.1.1. Выбор пленок хрома 138
3.1.2. Исследование термохимического метода 140
3.1.3. Исследование кинетики окисления пленки хрома 142
3.1.4. Селективное травление пленок хрома 143
3.1.5. Формирование линий заданной ширины 148
3.1.6. Погрешности записи 150
3.1.7. Оптические свойства облученных пленок хрома 155
3.1.8. Пространственное разрешение 157
3.1.9. Модель процесса термохимической записи 160
3.2. Изготовления ДОЭ с использованием халькогенидных пленок... 161
3.2.1. Напыленные резисты: напыление и проявление 161
3.2.2. Экспериментальное исследование метода записи 163
3.2.2. Изготовление фотошаблонов дифракционных элементов 165
ГЛАВА 4. Формирование кусочно - непрерывного микрорельефа дифракционных элементов 167
4.1. Методы формирования микрорельефа дифракционных элементов .169
4.2. Изготовление ДОЭ методами фотолитографии 173
4.3. Полутоновые методы формирования микрорельефа поверхности 178
4.4. Фоторастровый метод формирования микрорельефа поверхности 186
4.4. Растрированный фотошаблон 187
4.5. Методы бинаризации полутоновой функции пропускания 191
4.5. Анализ дифракционной эффективности изготовленных элементов.. 196
4.6. Анализ погрешностей изготовления растрированного фотошаблона.200
4.7. Экспериментальное изучение формирования рельефа фоторастровым методом 202
4.8. Формирование микрорельефа методом растровой рентгенолитографии 208
4.9. Формирования микрорельефа многоуровневым методом 214
4.10. Сравнение фоторастровой и многоуровневой технологий ..219
ГЛАВА 5. Дифракционные элементы в информационно измерительных системах 222
5.1. Однокомпонентные ДОЭ 223
5.1.1. Асферическая дифракционная линза 225
5.1.2. Дифракционная ахроматическая линза с глубоким профилем 228
5.1.3. ДОЭ с кольцевым импульсным откликом 233
5.1.4. Дифракционные фильтры с переменным пропусканием 237
5.1.5. Дифракционные элементы для формирования независимых волновых фронтов 244
5.2. Гибридные системы 249
5.2.1. Совмещение дифракционных и рефракционных компонентов по картине дифракции 249
5.2.2. Совмещение дифракционных и рефракционных компонентов по интерференционной картине 256
5.3. Оптические системы с ДОЭ 260
5.3.1. Геометрическое преобразование изображений 260
5.3.2. Двухфокусный микроскоп 262
5.3.3. Лазерная считывающая головка с оптических дисков 264
5.3.4. Дифракционные концентраторы света для солнечных батарей...266
5.3.5. Сертификация компенсаторов больших зеркал 269
5.3.6 Интерферометр с общим ходом пучков 273
5.3.7. Интерферометр Физо с комбинированной голограммой 277
Выводы 282
Заключение 283
Литература 286
Приложение
- Системы управления интенсивностью лазерного пучка
- Источники погрешностей изготовления ДОЭ
- Долговременная стабильность положения начала радиальной координаты
- Виды искажения волнового фронта
Введение к работе
Развитие современной оптики связано с совершенствованием ее элементной базы. Основу этой базы составляют - линзы, объективы, призмы, зеркала и т.д., которые с позиции волновой оптики рассматриваются как пространственные фазовые модуляторы света. Аналогичный эффект фазовой модуляции может быть получен с использованием тонких фазовых пластинок с вариацией оптической толщины, лежащей в пределах длины волны света. Такие пластинки получили название дифракционных оптических элементов (ДОЭ), синтезированных голограмм, фокусаторов, киноформов, а соответствующая область науки - дифракционной оптики [1, 2]. ДОЭ осуществляют непосредственное наложение модулирующей функции ф(х,у) на фазу исходной световой волны. Такие элементы в отличие от оптических голограмм при освещении монохроматической световой волной дают единственный дифракционный порядок, и весь падающий световой поток идет на создание полезного изображения. ДОЭ может осуществлять различные функциональные преобразования световых полей, выполнять функции сложного многолинзового объектива, коррекцию сферических или хроматических аберраций и т.д. Использование плоских элементов в оптических схемах, особенно использующих монохроматические лазерные источники света, открывает перспективу создания дешевых, компактных и функционально сложных приборов.
Дифракционная оптика не является конкурентом традиционной оптики. Как и большинство перспективных технологий, она предоставляет новые возможности в улучшении качества изображения, сокращении числа компонентов в оптической системе, снижении цены и веса прибора. Одно из основных ее достоинств это существенное расширение спектра приложений оптики на области систем массового применения, к которым относятся: соединители оптических линий связи, различные датчики и приборы, головки устройств записи/считывания, принтеры, устройства для чтения
товарного кода, радужные знаки защиты денег, товаров и ценных бумаг, лазерные технологические и хирургические инструменты и др.
В последние годы появилось несколько новых направлений
дифракционной оптики, которые дадут возможность совершить
качественный скачок в управлении светом. Одно из них - создание ДОЭ,
работающих в резонансной области [3]. Новые дифракционные элементы
могут управлять всеми компонентами оптического излучения (амплитудой,
фазой и поляризацией) и имеют высокую дифракционную эффективность.
Характерные размеры микроструктуры для видимой области спектра
составляют около 0,25-0,5 мкм. Другое перспективное направление - синтез
ДОЭ с глубоким рельефом [4]. В этом случае оптические элементы
совмещают в себе достоинства классической (рефракционной) оптики
(ахроматичность) с гибкостью дифракционной. ДОЭ с глубоким рельефом
позволяют фокусировать и преобразовывать обычный «белый» свет.
Микроструктура таких ДОЭ должна иметь рельеф оптической поверхности с
плавно изменяющейся высотой в диапазоне от нуля до десятков микрон. И,
наконец, ДОЭ на сферических поверхностях [5, 6], позволяющие создать
новые элементы лазерной оптики, оптических и рентгеновских телескопов,
системы многоканальной оптической связи и др..
Характеристики и типичные примеры некоторых дифракционных микроструктур представлены в Табл.1.
Таблица 1.
№ п/п
структуры
Бинарная амплитудная
структура
Бинарный (фазовый) микрорельеф
Непрерывный
микрорельеф
(киноформ)
Вид структуры
Характерные размеры
Минимальный
период:
Ті= 0,4-0,6 мкм.
Пропускание:
t = (l-3)D
Минимальный
период:
Ti= 0,4-0,6 мкм.
Высота рельефа:
Ьь = 0,1 -10 мкм.
Минимальный период : Ti= 1,5-2 мкм. Высота рельефа:
hk = 0,1 -30 мкм.
Область применения
Оптическое приборостроение: фотошаблоны, маски, сетки, шкалы, кодовые диски, амплитудные голограммы
Оптическое и научное приборостроение, микромеханика, информатика, квантовая электроника, интегральная оптика
Оптическое приборостроение, медицина, системы и приборы массового спроса.
Микрорельеф на
сферической поверхности
Структура с
полутоновым
пропусканием
ГГ=
Lmin 'п
Минимальный период : Т= 0,4-0,6 мкм, стрелка прогиба 1-10мм.
Диапазон изменения пропускания пленки:
imax' чпіп ^Ь-ЬІ).
Минимальный период : Т= 1,5-2 мкм
Спектроскопия, астрономическая оптика, приборостроение, лазерная оптика, оптическая связь.
Технология оптического приборостроения и микроэлектрон ики, голография, оптическая обработка информации.
До последнего времени для изготовления ДОЭ в основном применялось оборудование ранее созданное для производства изделий микроэлектроники. Однако топологическая структура поверхности ДОЭ имеет произвольный характер, задаваемый распределением фаз световой волны, в то время как структура поверхности микросхемы представляет собой систему линий и прямоугольников. Структура поверхности ДОЭ может иметь минимальные размеры менее половины длины волны света (0,2-0,5 мкм), однако, общие размеры могут достигать десятков сантиметров и даже метров в диаметре, что во много раз больше размеров кристалла микросхемы. Требования современной дифракционной оптики ставят такие
задачи, которые не имеют адекватного решения из-за отсутствия технологических комплексов (сочетание устройства и технологии) для микропрофилирования оптических поверхностей с минимальным размером элементов микроструктуры менее 0,5 мкм и световым полем до 200-300 мм и более. Абсолютная точность топологии элемента должна быть на уровне 1/4 -1/20 от размера наименьшей дифракционной зоны, т.е. 20-100 нм. Кроме того, высота рельефа синтезируемой структуры должна плавно меняться от нуля до десятков микрон на одном скате при крутом переходе от зоны к зоне. Таким образом, поиск новых путей решения проблемы синтеза высокоэффективных и точных ДОЭ представляется весьма актуальным.
Первые образцы ДОЭ [7], по своим свойствам подобные фазовым зонным пластинкам Френеля [8], были получены с использованием обычного фотослоя, отбеленного с целью перевода градаций фотографического почернения в соответствующее распределение оптической толщины [9]. Усадка фотоэмульсии и несовершенство процессов фотографии и отбеливания приводило к появлению значительных искажений в восстанавливаемом изображении [10].
В последние годы были достигнуты успехи в создании регистрирующих сред. Для изготовления ДОЭ с бинарным профилем была разработана лазерная термохимическая технология записи микроструктур в пленках хрома [11]. Для синтеза ДОЭ как с бинарным, так и непрерывным профилем были использованы тонкие пленки халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) [12, 13], аморфного кремния [14], LDW стекла [15] и др. При экспонировании пленок ХСП изменения происходят во время экспозиции и пленка не требует химической обработки.
Синтез ДОЭ в резисте с последующим переносом микроструктуры путем травления в стекло или кварц [16] снимает ограничения, связанные с низкой механической прочностью и рассеянием света в пленках ХСП. Управляемое травление стеклянных или кварцевых пластинок позволяет получить фазовый рельеф с высокой степенью точности и приблизить качество изготовляемых по этой технологии элементов к качеству
11 классических стеклянных оптических элементов. Особенно ценным является возможность использования технологии и оборудования применяемого в производстве полупроводниковых приборов [17]. Использование методов фотолитографии позволяет, с предварительно изготовленной рельефной матрицы ДОЭ, тиражировать большими партиями копии, аналогично тиражированию компакт дисков и дифракционных решеток [18]. Степень идентичности элементов, изготовленных этим методом, намного превосходит степень идентичности классических стеклянных линз, при несравненно меньшей стоимости. В настоящее время этим путем изготавливают случайные фазовые маски для улучшения качества изображения в голографических системах, линзовые растры и экраны из линзовых растров для высококачественных проекторов, оптику лазерных головок считывания и датчиков, фокусаторы лазерного излучения и т.д. [1]. Это первые плоские оптические элементы, которые уже получили распространение, и в производстве которых используется современная технология фотолитографии.
Для изготовления фазовых структур с непрерывным профилем были
разработаны и исследованы различные многоуровневые
фотолитографические методы получения микрорельефа. Метод,
использующий log2M фотошаблонов для создания М фазовых уровней [19],
позволил значительно упростить процесс изготовления ДОЭ и получил
широкую известность. Однако возможности традиционных
фотолитографических технологий при изготовлении ДОЭ с малым размером зон Т - ограничены. Это обусловлено тем, что размер элементарной ступеньки составляет Т/М = 0,5-1 мкм (дифракционная линза с числовой апертурой NA=0,1-0,2 для видимого участка спектра имеет Г = 4 - 8 мкм). При таких малых размерах ступенек рельефа точность изготовления структуры и совмещения фотошаблонов (доли микрона в лучших установках) начинает играть ведущую роль, приводя к снижению дифракционной эффективности и возрастанию рассеянного света.
Известные в настоящее время методы синтеза микроструктур не позволяют наносить с высокой точностью фазовый рельеф с пространственными частотами до 2000 мм"1 на подложку диаметром в 100-300 мм. Это является препятствием на пути широкого практического применения дифракционной оптики.
В этой связи целью работы является разработка методов создания прецезионных ДОЭ с бинарным и кусочно-непреывным рельфом поверхности и их применение для решения прикладных задач оптической обработки информации и оптической метрологии. Под методами создания ДОЭ мы понимаем сочетание устройств, технологий и алгоритмов функционирования.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Разработать принципы построения и алгоритмы функционирования прецизионных лазерных записывающих систем, работающих в полярной системе координат.
Исследовать особенности прямой лазерной записи дифракционных структур в пленках хрома и халькогенидных стеклообразных полупроводниках для формирования волновых фронтов с точностью до сотых долей долины волны света.
Исследовать погрешности изготовления ДОЭ и разработать методы их минимизации и компенсации.
Разработать и исследовать методы создания ДОЭ с кусочно- непрерывным рельефом поверхности на основе полутоновых и растрированных фотошаблонов.
Разработать новые элементы и системы дифракционной оптики для решения прикладных задач информационно - измерительной техники.
Научная новизна работы.
1. Предложены, разработаны и экспериментально исследованы оптико-электронные устройства для изготовления ДОЭ - лазерные записывающие
системы с круговым сканированием, позволившие использовать безрезистивный способ записи с пространственным разрешением до 2000 мм"1 и погрешностью выполнения топологии дифракционной структуры менее 50 нм при общем размере элементов до 300 мм.
Предложен, исследован и введен в практику эксперимента термохимический метод записи дифракционных микроструктур в тонких пленках хрома (ширина линии до 0,3-0,5 мкм). Запись осуществляется движущимся сфокусированным лазерным пучком в диапазоне скоростей от 10'2 до 5-Ю3 мм/с. Установлено, что под действием излучения термохимические и структурные процессы происходят по всей толщине пленки хрома, а сопровождающие их изменения оптических характеристик пленки можно использовать для контроля записи.
Исследованы и установлены зависимости между параметрами дифракционной структуры и распределением света в дальней зоне в нулевом порядке дифракции, позволившие создать фоторастровый метод синтеза кусочно-непрерывного рельефа с помощью единственного фотошаблона с бинарным пропусканием, а также дифракционные фильтры переменного пропускания для управления лазерным излучением.
Предложен и исследован метод растровой рентгенолитографии (при помощи синхротронного излучения), позволяющий формировать глубокий кусочно-непрерывный микрорельеф ДОЭ с большим аспектным отношением на поверхностях произвольной формы. Получены дифракционные линзы с глубиной рельефа свыше 20 мкм и экспериментально продемонстрированы их ахроматические свойства в видимой части спектра.
Предложен и исследован новый класс ДОЭ для формирования нескольких независимых волновых фронтов с заданным распределением. На их основе разработаны лазерные интерферометры с общим ходом лучей для измерения формы сферических и асферических оптических поверхностей в условиях вибраций и действия дестабилизирующих факторов.
6. Предложены и исследованы принципы построения и юстировки
гибридных оптических систем (рефракционные и дифракционные
компоненты) для создания двухфокусных объективов микроскопов и дифракционных компенсаторов для контроля асферической оптики. 7. Предложены, обоснованы, промоделированы и реализованы в лазерной записывающей системе с круговым сканированием методы минимизации и компенсации погрешностей записи, позволившие осуществить синтез ДОЗ с числовой апертурой свыше 0,5, диаметром свыше 200 мм и погрешностью волнового фронта менее 1/20 длины волны.
Новизна предложенных методов и физико-технических решений подтверждена 19 авторскими свидетельствами и патентами.
На защиту выносятся.
1. Комплекс методов, средств и алгоритмов для автоматизированного
изготовления бинарных осевых и внеосевых дифракционных оптических
элементов с пространственными частотами до 2000 мм"1, световым полем до
300мм.
2.Результаты исследования процесса прямой лазерной записи, позволившие
практически осуществить изготовление и сертификацию дифракционных
структур с числовой апертурой до NA=0,5, диаметром свыше 200 мм и
точностью воспроизведения волнового фронта до 1/20 длины волны.
3.Термохимический метод записи дифракционных структур с
пространственными частотами свыше 2000 мм"1 в пленках хрома.
4.Фоторастровый метод изготовления рельефно-фазовых ДОЭ, позволяющий
получить дифракционную эффективность свыше 90 % с использованием
одного бинарного фотошаблона.
5.Растровый рентгенолитографический метод (с применением
синхротронного излучения) для формирования трехмерного микрорельефа
ДОЭ на поверхностях произвольной формы.
6.Физико-технические решения на основе применения ДОЭ для:
геометрического преобразования изображений;
оптических головок считывания информации с оптических дисков;
контроля взаимной юстировки дифракционных и рефракционных компонентов;
двухфокусного микроскопа совмещения станции рентгенолитографии;
фильтров непрерывного и импульсного лазерного излучения большой мощности;
контроля оптических поверхностей, в том числе зеркал телескопов диаметром 6,5 и 8,4 метров.
Практическая ценность работы.
Разработаны методы и оборудование для синтеза ДОЭ с высокой дифракционной эффективностью (свыше 80-90%).
Впервые в стране созданы и выпущены совместно с КТИ НП СО РАН промышленные образцы прецизионных круговых лазерных записывающих систем, предназначенные для изготовления ДОЭ. Системы внедрены на Новосибирском приборостроительном заводе (НПЗ), НПО Луч (г. Подольск), КТИ НП СО РАН и по международным контрактам поставлены в Институт технической оптики (г. Штутгарт, Германия), Институт прикладной оптики (г. Берлин, Германия), Исследовательский центр концерна ФИАТ (г. Турин, Италия), Институт физики (г. Ляньчжоу. Китай).
Разработана безрезистивная технология прямой лазерной записи микроструктур на пленках хрома, которая явилась базовой для поставленных по упомянутым выше контрактам записывающих систем и для созданного в Стюардовской обсерватории университета Аризоны (г. Туссон, США) устройства для записи синтезированных голограмм диаметром до 2-х метров.
В рамках международных контрактов созданы и успешно применены в лаборатории зеркал Стюардовской обсерватории университета Аризоны дифракционные элементы для проверки качества главных зеркал
16 телескопов с диаметром 6,5 и 8,4 метров (международные проекты: Magelan, ММТ и LBT).
Разработан, изготовлен и используется в цеховых условиях НПЗ лазерный интерферометр с дифракционной оптикой для измерения формы поверхности оптических деталей.
Разработан и создан совместно со специалистами НПО "Восток" (г. Новосибирск) и ИЯФ СО РАН двухфокусный микроскоп для совмещения рентгеношаблонов станции синхротронной литографии.
Связь с государственными научно-техническими программами. Работы по диссертации выполнялись по планам НИР ИАиЭ СО РАН по темам: "Разработка и исследование новых функциональных систем и элементов когерентной и нелинейной оптики" (roc.per.N 810839026, гос.рег. N 80039444); "Разработка фундаментальных проблем создания и совершенствования элементной базы квантовой электроники и перспективной оптики" (гос. per N 01.86.0058729); "Развитие лазерных технологий и соответствующего оборудования субмикронной точности, разработка нетрадиционных элементов фотоники и высокопрецизионных оптико-электронных измерительных систем для научных исследований и машиностроения1' (гос. per. N 01.9.20 000194); "Физико-технические основы 2-D и 3-D лазерных технологий (новые материалы и элементы для лазерных технологий, сверхразрешение, технологии оптической памяти, синтеза объемных моделей и изображений, микро- и наноструктурирование материалов. Развитие на их основе базовых лазерных технологий производства новых элементов, приборов и систем двойного применений» (гос. per. N 01.9.60 013066).
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались на: Всесоюзных конференциях «Автоматизация научных исследований на основе ЭВМ»
(Новосибирск, 1974, 1977, 1979); Ш Всесоюзной конференции по голографии (Ульяновск, 1978); П Всесоюзной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1979); Всесоюзной конференции «Формирование изображения и методы его коррекции» (Могилев, 1979), VI Всесоюзной конференции по нерезонансному взаимодействию излучения с веществом (Вильнюс, 1984); Всесоюзной конференции «Применение лазеров в системах передачи и обработки информации» (Ленинград 1984); III Всесоюзной конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи информации» (Таллин, 1987); International Meeting "ОРТОл92" (Paris, 1992); 5-th International Workshop on Digital Image Processing (Samara, 1994); Workshope on Diffractive optics (Prague, 1995); Конференции стран СНГ и Прибалтики "Голография 96" (С.-Петербург, 1996); EOS Topical Meeting «Diffractive Optics» (Finland, 1997, Germany, 1999, Budapest, 2001); Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений,. нейтронов и электронов для исследования материалов, «РСНЭ'97» (Москва- Дубна, 1997); XII национальной конференции по использованию синхротронного излучения «СИ-98» (Новосибирск, 1997); Международной конференции «Diffractive Optics and Micro-Optics» (Quebec 2000, Tucson 2002), Seventh International Symposium on "Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life" (Novosibirsk, 2002).
Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликованы 92 печатные работы, в том числе получено 19 авторских свидетельств и патентов.
Личный вклад. Диссертация является обобщением исследований по созданию методов и устройств для изготовления дифракционной оптики, выполненных автором в ИАиЭ СО РАН с 1973 г. по настоящее время. Практическая реализация ДОЭ выполнялась автором на лазерной записывающей системе созданной в ИАиЭ СО РАН совместно с
сотрудниками лаборатории лазерных технологий. Создание экспортного варианта системы (CLWS-300) осуществлялось совместно с сотрудниками КТИ НП СО РАН. Личный вклад автора заключается в постановке, обосновании и решении задач, приведенных в диссертационной работе, непосредственном участии в изготовлении и испытании ДОЭ, а также в выполнении и организации экспериментов. Макетные образцы лазерных записывающих систем и дифракционные элементы создавались коллективом сотрудников под руководством или при непосредственном участии автора. В разработке двухфокусной оптической системы и ДОЭ с кольцевым импульсным откликом постановка и обоснование задачи выполнена автором, а расчеты и оптимизация схемы - И.Г. Пальчиковой.
Системы управления интенсивностью лазерного пучка
Использование сфокусированного светового пучка в качестве инструмента для записи микрорельефа с бинарным или кусочно-непрерывным профилем накладывает жесткие требования на уровень флуктуации и долговременную стабильность мощности источника излучения. Лазерные шумы приводят к появлению «шумового» рельефа поверхности изготавливаемого ДОЭ, вызывая тем самым появление рассеяния света. Серийные лазеры обеспечивают, как правило, стабильность излучаемой мощности на уровне (1-5)-10"" от номинальной. Для качественной записи ДОЭ необходимо обеспечить уровень шумов порядка 10" + 10" в полосе частот от нуля до нескольких МГц. Это можно достичь, применив внешние, не связанные с лазером, стабилизирующие элементы. В качестве такого элемента целесообразно применить АОМ. Выбор этого типа модулятора обусловлен достаточно высоким быстродействием (до единиц наносекунд), равномерностью амплитудно-частотной характеристики, стабильностью, высокой дифракционной эффективностью ( 80%) и хорошими оптическими показателями. Особенностью АОМ является нелинейность передаточной характеристики (ПХ), под которой понимается зависимость интенсивности светового потока дифрагированного в первом порядке //, от величины электрической мощности Р возбуждения, подводимой к ячейке, т.е. где Io - мощность светового потока на входе модулятора, т] - параметр. Для устранения нелинейности ПХ, снижения шумов лазера и стабилизации мощности излучения нами разработаны ряд оригинальных схем управления мощность излучения лазера [30, 51, 52, 53, 54]. Многообразие схемных решений обусловлено применением различных технологий записи (запись по фоторезисту, хрому, аморфному кремнию, LDW стеклу и др.) и типов лазеров. Первоначально системы управления мощностью (СУМ) записывающего лазерного пучка строились с применением одного АОМ. Были разработаны две оригинальные системы: с одним универсальным каналом обратной связи и с каналами прямой и обратной связи по сигналам с двух фотоприемников. Все эти системы реализовали кроме модуляции еще и функцию стабилизации мощности излучения. Применение одного АОМ одновременно для модуляции и для стабилизации мощности излучения позволяло сократить энергетические потери в оптическом канале, что было принципиально важно при использовании аргоновых лазеров, ориентированных на режим эксплуатации с пониженным током разряда (ЛГ-106, ЛГН-503). Применение для записи микрорельефа резистов потребовало разработки новой СУМ с динамическим диапазоном до 10 . Эта система использует два АОМ: первый для стабилизации мощности излучения лазера, а второй для быстрой модуляции лазерного излучения.
При записи ДОЭ в полярной системе координат необходимо плавно увеличивать мощность лазерного излучения (от центра к периферии) и одновременно осуществлять импульсную модуляцию для записи отдельных зон и фрагментов. Кроме того, расчетная величина мощности записи должна быть воспроизводима с точностью около 10" (см. Глава 2) в течение нескольких часов записи. Для выполнения этих требований разработана система модуляции записывающего пучка ЛЗС, главной особенностью которой является то, что функции стабилизации уровня мощности пучка и широкополосной амплитудно-импульсной модуляции реализуются с помощью одного и того же акустооптического модулятора [51]. Функциональная схема СУМ приведена на рис. 1.6. Излучение аргонового лазера поступает на вход акустооптического модулятора АОМ через первый телескопический объектив ТОЇ. Диафрагма, расположенная за АОМ, пропускает световой поток, дифрагированный на ультразвуковой волне в первый порядок. Светоделитель отводит небольшую часть (2-4%) светового пучка сформированного вторым телескопическим объективом Т02 на вход фотоприемника обратной связи ФП. Сигнал с фотоприемника поступает на вход привода АОМ расположенного в крейте КАМАК. Выходное напряжение фотоприемника обратной связи сравнивается с опорным напряжением с выхода цифро-аналогового преобразователя. Разностное напряжение поступает на вход интегрирующей схемы выборки и хранения (ИСВХ), усиливается и через коммутатор поступает на высокочастотный драйвер АОМ (ВЧ драйвер). В режиме «выборки» указанные элементы схемы образуют контур автоматической стабилизации заданного цифро-аналоговым преобразователем уровня мощности лазерного пучка на выходе АОМ. Импульсный TTL-сигнал, поступающий от адаптера привода АОМ, разрывает отрицательную обратную связь в контуре стабилизации уровня мощности и переводит интегрирующую схему выборки и хранения в режим «хранения». В этом положении аналоговый коммутатор шунтирует вход высокочастотного драйвера АОМ, приводя к падению уровня мощности дифрагированного пучка до минимально возможного уровня, определяемого параметрами ВЧ драйвера. Для того чтобы после нового замыкания обратной связи контур стабилизации отрабатывал лишь малый сигнал ошибки, возникший в результате изменения выходной мощности лазера за время действия импульсного сигнала выключения, используется режим хранения последнего выработанного контуром обратной связи сигнала перед падением напряжения с выхода фотоприемника. Причем управление работой СВХ осуществляется таким образом, что переход в режим выборки осуществляется также с учетом задержки в АОМ и происходит только после окончания установления сигнала с выхода фотоприемника. Это достигается благодаря раздельному процессу задержки фронта и спада импульсного TTL-сигнала в блоке задержки. При этом процесс перевода СВХ в режим «хранения» задерживается относительно фронта импульсного сигнала на время Т3-Тф, где Т3 - суммарная задержка в части контура обратной связи от Коммутатора до выхода фотоприемника, Тф - длительность фронта Нарастания/спада сигнала на выходе фотоприемника. Процесс перевода в режим «выборки» задерживается на время Т3+Тф.
Источники погрешностей изготовления ДОЭ
Рассмотрим специфические для ЛЗС источники погрешностей, приводящие к сдвигу координаты записи [79]. Совокупная погрешность записи определяется, в основном, следующим: ошибкой фиксации начала координат, вызванной погрешностью совмещения центра полярной системы координат, используемой при расчете ДОЭ, и осью вращения шпинделя устройства записи; погрешностью угловой координаты, вызванной ошибками измерения текущего углового положения вращающегося стола; погрешностью траектории вращения, вызванной отклонением траектории движения записывающего луча от идеального круга; погрешностью перемещения записывающего пятна в радиальном направлении; погрешностью, вносимой системой автоматической фокусировки в координату записывающего пятна. 2.2.1. Ошибка фиксации начала координат Началом полярной системы координат (г=0) в ЛЗС является ось вращения стола с подложкой, покрытой светочувствительным материалом. Однако определение положения оси вращения с высокой точностью 73 существенная проблема. Поэтому всегда возможна ошибка совмещения центра полярной системы координат, используемой при расчете ДОЭ, с осью вращения шпинделя устройства записи. На рис. 2.5 приведены траектории записывающего лазерного луча на подложке при наличии ошибки начала координат. Линия 1 - след записывающего пятна на неподвижной подложке при перемещении линейной платформы, круг 2 с радиусом г - след записывающего пятна при вращающейся подложке, но при неподвижной платформе. Отрезки у о и х0 (в прямоугольной системе координат с началом в точке О) от точки О], которая является началом отсчета лазерного интерферометра, до центра О вращения подложки вносят ошибку в координату записываемой точки. Реальная полярная координата записываемой точки будет Р,-(г, ср). Радиус г определяется как ошибка уо остается, так как точность ошибка при записи в прямоугольной системе координат вызывает сдвиг без искажений всего изображения как целого. Погрешность угловой координаты является специфической для круговой записывающей системы. Оптико-электронный датчик угла поворота шпинделя ЛЗС (см. рис. 1.2) формирует электрические импульсы, следующие через каждые 0,02. Умножитель частоты следования импульсов, выполненный на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), увеличивает угловое разрешение в 50-100 раз, вплоть до 8ср= 0,1-0,25 угл. с. Текущая угловая координата фі записи определяется подсчетом числа и, выходных импульсов этой системы, как разница между началом угловой координаты (ф = 0) и текущим угловым положением вращающегося стола; где Scp= 27t/N - величина одной дискреты угловой координаты; Лг -количество импульсов на один оборот шпинделя на выходе умножителя частоты угловой координаты. Погрешность угловой координаты определяется следующим образом: Источниками ошибок является неравномерность интервалов Sep, вызванная вибрацией шпинделя, электрическими шумами, вносимыми системой ФАПЧ, погрешностью датчика угла поворота и т.д.
Погрешность угловой координаты представляет собой периодическую функцию (период -угол поворота шпинделя на 360) и может быть представлена рядом Фурье: где С - коэффициенты ряда Фурье; п - номер гармоники; б)о=1. Ошибка в центрировании угловой шкалы датчика приводит к появлению первой гармоники функции распределения погрешности угловой координаты. Эта зависимость может быть представлена как Экспериментальные исследования ЛЗС показали, что типичная среднеквадратичная величина погрешности угловой координаты не превышает 1 угл. с (скорость вращения - 10 об/с). Абсолютная величина погрешности угловой координаты связана с линейной ошибкой / (в тангенциальном направлении) следующим образом: где г - радиус записи. Типичный пример распределения угловой погрешности оптической шкалы, имеющей 36000 штрихов (диаметр около 150 мм), показан на рис.2.6 [82]. Хорошо видно несколько первых гармоник распределения ошибок угловой Погрешность траектории вращения шпинделя (рис. 2.7) -отклонение траектории (кривая 2) движения некоторой точки вращающегося стола от идеального круга (кривая 1). Эта погрешность складывается из девиации центра вращения шпинделя (эксцентриситет) и углового отклонения оси вращения (биения оси вращения). Погрешность траектории вращения зависит от углового положения и вызвана неточностью изготовления деталей аэростатического шпинделя. Типичная величина этой погрешности для шпинделя на аэростатических опорах обычно не превышает 0,1 мкм. На рис. 2.76 показан реальный пример траектории движения точки на вращающемся столе ЛЗС. Кривая 2 получена путем измерения (через каждые 1.8) 100 диаметров круга, записанного на радиусе 100 мкм. Форма кривой Лг(ср) достаточно стабильна и воспроизводима. Этот тип погрешности приводит к искажению координат записи. Реальная координата записи будет (при г » Лг ) следующей: В идеальном случае записывающее пятно должно перемещаться строго вдоль радиуса вращающейся подложки. Любое отклонение от прямолинейного перемещения приводит к появлению погрешности координаты записи. Существует два основных вида погрешностей, вносимых платформой линейного перемещения, - это погрешность перемещения записывающего пятна вдоль радиальной координаты и угловая погрешность. Платформа на аэростатических опорах перемещает фокусирующую оптику и определяет положение записывающего пятна на подложке в радиальном направлении. Контроль перемещения платформы осуществляется лазерным интерферометром (дискретность Х764 » 0,01 мкм). Точность перемещения платформы на заданную координату определяется временем переходного процесса, дискретностью и временной стабильностью интерферометра, ошибками Аббе и т.д. Время перемещения платформы на небольшое расстояние (1-5 мкм) с точностью 0,1 мкм составляет около 0,05 с и этот фактор определяет скорость записи. Перемещение платформы сопровождается ее наклонами по всем координатам. Наибольшую погрешность вносит угловое отклонение в: в плоскости вращающегося стола, в то время как вклад остальных угловых отклонений минимизируется с уменьшением длин консолей и использованием автоматической фокусировки. Смещение Н: записывающего пятна в горизонтальной плоскости приводит к появлению погрешности угловой координаты записи: г где Я. = \e-{r)dr .
Из выражения (2.18) следует, что угловая погрешность о перемещения платформы растет с уменьшением радиуса записи г. Очевидно, что высокая точность записи возможна только при условии долговременной стабильности взаиморасположения механических узлов и всего устройства. Однако параметры устройства не остаются стабильными в результате воздействия нескольких факторов: прежде всего температурного дрейфа, расширения механических деталей шпинделя и интерферометра, а также изменения длины волны лазерного интерферометра. Величина температурного дрейфа зависит от постоянства температуры окружающей среды, переноса тепла от двигателя, электронных устройств и лазера. Влияние этого фактора минимизируется посредством работы ЛЗС в режиме прогрева в течение нескольких часов перед осуществлением записи ДОЭ. Изменение длины волны интерферометра может внести вклад в общую ошибку радиальной координаты, если температура и давление окружающего воздуха являются нестабильными. Поэтому в процессе записи необходимо учитывать изменения окружающей среды (температуру и давление) для коррекции длины волны лазерного интерферометра или при обработке
Долговременная стабильность положения начала радиальной координаты
Для измерения температурного дрейфа ЛЗС имеется возможность автоматически повторять поиск центра вращения в процессе записи с определенным шагом по радиальной координате. С этой целью процесс записи прерывается и осуществляется поиск координаты центра вращения. Текущая погрешность определения начала координат запоминается для последующей математической обработки (коррекции) волнового фронта изготовленного ДОЭ. Может быть также использована периодическая коррекция "нуля" радиальной координаты в точке найденного центра вращения при длительной записи ДОЭ. Подобная процедура весьма эффективно уменьшает влияние температурного дрейфа системы радиального позиционирования ЛЗС, так как изменение координаты центра указывает на наличие ошибки, которая после коррекции исключается для последующего процесса записи. Однако это приводит к скачкам фазы волнового фронта ДОЭ. Несмотря на применение в шпинделе аэростатических высокоточных подшипников траектория движения лазерного пучка отличается от круговой при неподвижной каретке линейной координаты. Метод измерения траектории вращения шпинделя основан на повторяющихся А раз измерениях диаметров небольшого кольца (см. разд. 2.3) при различных угловых положениях a=360/N , как это показано на рис.2.10. Измерения могут быть выполнены как при неподвижном шпинделе (шпиндель с подложкой поворачивается вручную), так и при вращающемся на заданной рабочей скорости шпинделе. Результаты таких реально выполненных измерений приводятся в разд. 2.4. Концентрические кольца и дуги являются идеальными структурами для записи в полярной системе координат, в то время как для прямоугольной системы - это прямые линии и прямоугольники. Такие структуры записываются без ошибок дискретизации. В произвольном случае границы зон дифракционного элемента - сложные геометрические фигуры, которые искажаются одинаково в обеих системах координат. Поэтому для оценки точности изготовления ДОЭ в полярной системе координат необходимо рассмотреть два типа тестовых дифракционных структур: круговые зонные пластинки (набор концентрических колец) и линейные дифракционные решетки (набор прямых линий). Круговые ЗП наиболее подходят для проверки погрешностей радиальной координаты и фиксации начала координат. Погрешности угловой координаты не влияют на волновой фронт ЗП. Анализ волновых фронтов, отраженных от линейной решетки, позволяет выявить все остальные погрешности. Фазовая функция полностью скорректированной осевой отражающей зонной пластинки (ЗП) для сопряжения точечного источника света S, с этой же самой точкой (рис. 2.11) может быть записана как где R - 2f - радиус кривизны волнового фронта;
Я - длина волны. Погрешности изготовления дифракционной структуры приводят к появлению аберраций волнового фронта. Фазовая функция (на основании выражений (2.17а) и (2.20)) зонной пластинки с погрешностями изготовления (ошибка фиксации начала координат) может быть записана как Функцию аберрации волнового фронта (при х0 « г) можно записать таким образом: Примеры волновых аберраций (численное моделирование с использованием выражений (2.17 и (2.22)) круговой зонной пластинки, обусловленных погрешностями изготовления, показаны на рис.2.12. Видно, что погрешность начала координат вносит коническую компоненту в волновой фронт (рис.2.12, а). Погрешности записи, вносимые неидеальностью траектории вращения шпинделя и системой автоматической фокусировки, не имеют осевой симметрии. Зонная пластинка представляет собой аксиально симметричную структуру, поэтому угловые ошибки (см. выражение (2.22)) не влияют на форму волнового фронта. Пример карты искаженного волнового фронта при наличии ошибки вращения показан на рис. 2.126. На этом рисунке приведена рассчитанная с помощью (2.17) и (2.22) карта волнового фронта зонной пластинки со следующими параметрами: радиусом кривизны волнового фронта R = 16.2 мм, радиусом Rm = 3,3 мм, длиной волны X = 0,633 мкм и отклонением траектории движения записывающего пучка от круга в соответствии с рис.2.7б (кривая 2). Видно, что отклонение траектории Вращения шпинделя ЛЗС от круга на величину до 0,1 мкм вносит в волновой фронт ЗП с числовой апертурой 0,4 волновые аберрации порядка АУ20, что является приемлемым для большинства применений. Линейные дифракционные структуры записываются посредством амплитудной модуляции лазерного пучка синхронно с вращением подложки.
Виды искажения волнового фронта
Основной источник искажений волнового фронта ДОЭ обусловлен ошибками изготовления структуры самого элемента. Ошибка волнового фронта W, вносимая ДОЭ и включающая любые неточности изготовления структуры, описывается выражением (2.10), которое справедливо для однократного отражения или прохода световой волны через ДОЭ. Кроме того, все переменные в уравнении (2.10), за исключением ошибки структуры , хорошо известны, поскольку они определяются конструкцией ДОЭ. Поэтому, если ошибка структуры С, может быть каким-либо образом определена в процессе изготовления, то можно предсказать ошибки волнового фронта W. Для определение параметров ошибок С, структуры изготавливаемого ДОЭ, используется две процедуры. Во-первых, для определения ошибки радиальной координаты используется процедура поиска центра в процессе записи. Вторая процедура заключается в измерении траектории движения шпинделя перед записью ДОЭ. Траектория вращения может измеряться как последовательным пошаговым поворотом не вращающегося шпинделя вручную (кольцо сканируется на угол 2л/К), так и автоматически, во время его вращения. В изготовленных с помощью ЛЗС дифракционных элементах, часто наблюдаются спицеобразные искажения волнового фронта (угловые искажения) [83]. Эти искажения возникают в результате вибраций шпинделя на аэростатических подшипниках. Угловые частоты этих искажений зависят от скорости вращения шпинделя и синхронны с ней. Например, при скорости вращения 600 об/мин в ЛЗС ИТО (университет г. Штуттгарта) возникают характерные ошибки на угловых частотах 8/(2тг) и 9/(27i) с амплитудой около 60 нм и 40 нм, соответственно, а в ЛЗС ИАиЭ - на частоте 48/271 с амплитудой около 10 нм. Использование метода преобразования Фурье для анализа траектории, позволяет получить амплитудный и фазовый спектр (см. выражение (2.14)). Осесимметричные искажения волнового фронта возникает из-за ошибки радиальной координаты записи и имеют две составляющие: ошибка єс фиксации начала координат и ошибка єА вызванная дрейфом координаты во время записи.
Первая возникает из-за неправильного определения центра вращения шпинделя перед записью, а вторая возникает из-за температурного дрейфа системы и изменения окружающих условий, (температура, влажность и давление воздуха) во время записи. На рис. 2.22 представлен пример типичных ошибок радиальной координаты во время записи ДОЭ. Поскольку точность фотоэлектрической системы определения центра (см. раздел 2.2) составляет около 0,05 мкм, то каждая коррекция координаты может приводить к появлению высокочастотных искажений волнового фронта с амплитудой около 0,05 мкм. Для того чтобы избежать появления таких искажений, было предложено измерять только ошибки координаты в процессе записи без внесения коррекции. Для сглаживания резких скачков, зависимость ошибки координаты от радиуса ДОЭ ed(r) аппроксимируется рядом из полиномов Цернике. Величина угловых ошибок определяется измерением траектории движения шпинделя. Поскольку известен радиус измерительной окружности (рис. 2.9), то для ряда Фурье при Аг = 0 можно определить отклонение от такой идеальной окружности, которое в данном эксперименте составило 54 им. Если в процессе записи регистрировались текущие ошибки («история записи»), то можно использовать эти данные для калибровки оптических систем с ДОЭ. Была выполнена оценка как вращательно-симметричной, так и вращательно-несимметричной составляющих искажений волнового фронта. Подставляя зарегистрированную ошибку координаты (г) и конструктивные данные ДОЭ (локальный период Т) в уравнение (2.10), можно определить прогнозируемую ошибку волнового фронта, обусловленную неточностью структуры голограммы. На рис. 2.23 и рис. 2.24 приведены примеры прогнозируемой ошибки волнового фронта W, отдельно для вращательно-симметричной и вращательно-несимметричной составляющих. фронта WPD,, рассчитанной по данным процесса записи, (а) Вращательно-симметричная ошибка волнового фронта и (б) Вращательно-несимметричная ошибка волнового фронта для зонной пластинки fl\. На рис. 2.24 показаны фазовые карты измеренного волнового фронта зонной пластинки (ЗП) Френеля f/\ при работе на отражение. Изготовленная ЗП имела диаметр 50 мм и максимальную пространственную частоту vmax — 769 мм" . Сравнение рис. 2.23 и 2.24 показывает хорошее соответствие между прогнозируемой и измеренной ошибками волнового фронта. 2.5.4. Изготовление ДОЗ с периодической коррекцией Исправление ошибок волнового фронта ДОЭ на основе выявленных, на этапе изготовления ошибок структуры ("истории изготовления") эффективно лишь для простых оптических измерительных систем. В ряде случаев необходима гарантия максимально возможной точности изготовления ДОЭ. Для этого был исследован метод периодической коррекции радиальной координаты [83,85]. Предложенный метод был апробирован экспериментально с помощью ЛЗС посредством записи отражающих ЗП с минимальным периодом колец, равным 1.4 мкм (/=71мм, D=64 мм, А-633 нм, N.A =0,45).
Похожие диссертации на Дифракционные оптические элементы: методы синтеза и применение
