Введение к работе
Актуальность темы. Применение дифракционных оптических элементов (ДОЭ) для преобразования волновых фронтов долгое время сдерживалось отсутствием технологий формирования поверхностных микроструктур. Ситуация коренным образом изменилась с появлением лазеров и развитием микроэлектроники. Возникла возможность изготавливать оптические детали с микрорельефом, имеющим пространственные размеры порядка длины волны света. Это, в частности, связано с тем, что для синтеза и тиражирования микроструктур стали прішеїить методы фотолитографии и материалы (фоторезисты), изменяющие свои свойства под действием света.
Известно несколько фотолитографических способов формирования микрорельефа ДОЭ. Наиболее распространенный способ основан на применении комплекта совмещаемых фотошаблонов. Точность совмещения фотошаблона с микроструктурой, сформированной на предыдущем этапе, ограничена, поэтому в этом методе ошибки накапливаются от этапа к этапу.
Прямая запись фазового дифракционного элемента сфокусированным лазерным пучком на фоторезисте позволяет избавиться от многочисленных операций совмещения фотошаблонов. Но рельеф, сформированный в фоторезисте, может быть перенесен в подложку только один раз. Поэтому чаще всего метод прямой записи используют для тиражирования полученного в фоторезисте оригинала методами гальванопластики и снятия реплик. Конечный этап такого процесса - оптические элементы из полимерных материалов. Однако для многих приложений требуется изготавливать ДОЭ на поверхности оптических материалов с высокой механической, химической и лучевой стойкостью, а также температурной стабильностью.
Экономически эффективное изготовление ДОЭ на подложках из таких материалов возможно с применением полутоновой технологии. Она основана на создании рельефа в фоторезисте путем контактной или проекционной печати полутонового фотошаблона (ПФ) с коэффициентом пропускания, зависящим от координаты плавно или ступенчато по заданному закону. Однако до настоящего времени не был найден метод, обеспечивающий изготовление полутоновых фотошаблонов с высоким пространственным разрешением, высокой механической
прочностью и долговременной стабильностью распределения коэффициента пропускания. Наиболее экономически эффективным представляется решение этой проблемы на основе прямой записи сканирующим лазерным пучком на материалах, изменяющих оптическое пропускание в .спектральном диапазоне актиничного излучения (360-440 им). Известен ряд материалов, обладающих таким свойством (фотоэмульсии, халькогениды, фотохромные материалы), но они имеют либо низкую механическую прочность, либо нестабильность оптических свойств. Поэтому задача поиска и исследования новых материалов для лазерной записи ПФ весьма актуальна.
Наиболее критические операции при изготовлении ПФ - определение закона изменения мощности записывающего пучка в зависимости от расчетного коэффициента пропускати и скорости сканирования, а также прецизионное управление мощностью в соответствии с этим законом в течение всего процесса записи. Даже небольшие погрешности мощности лазерного пучка (шумы излучения, дискретность управления и т.д.) при записи ПФ (в отличие от бинарных технологий) приводят к появлению паразитного микрорельефа и неравномерности его глубины при формировании рельефа в фоторезисте. Так как допустимая погрешность глубины профиля высокоэффективных ДОЭ лежит в пределах 5-10%, то вклад этапа изготовления фотошаблона не должен превышать 2-3%. Реализация этого требования для круговых лазерных записывающих систем (КЛЗС) осложняется тем, что линейная скорость записывающего пучка в них может изменяться от 10"2 до 103 см/с. Но КЛЗС обладают рядом преимуществ, основными из которых являются высокая скорость записи и наименьшие погрешности изготовления осесимметричных ДОЭ. Поэтому необходимость прп.менения КЛЗС для заплси высококачественных ПФ делает актуальной разработку методов и устройств прецизионного управления мощностью записывающего пучка в большом динамическом диапазоне.
Сложность полутоновой фотолитографии состоит не только в создании полутонового фотошаблона. Хотя способ применения ПФ в общем виде известен, но многообразие типов ДОЭ и их характеристик требует разработки специализированных методов, оптимально решающих конкретный задачи. Например, до сік пор не решена проблема изготовления качественных высокопорядковых ДОЭ с глубиной рельефа до 5-10 мкм и более. Эти оптические элементы позволяют фокусировать и преобразовывать обычный «белый» свет.
Традиционная фотолитопэафия, использую шая бинарные фотошаблоны, ориентирована на создание двухмерных структур. Соответственно, основным критерием качества выполнения операций является контроль размеров рисунка в плоскости. При изготовлении же высокоэффективных дифракционных элементов, имеющих непрерывный профиль зон, главным критерием является правильный угол «блеска» в каждой дифракционной зоне. Поэтому разработка специализированных методов изготовления и контроля высокоэффективных дифракционных элементов является важнейшей задачей.
Изготовление высокоэффективных ДОЭ - дорогой и сложный процесс. И прежде чем начать его, необходимо оценить - может ли выбранный технологический процесс обеспечить заданную дифракционную эффективность. При изготовленіш заказных ДОЭ и полутоновых фотошаблонов общая оптическая схема устройства может быть не задана. В такігх случаях известные методы точного расчета дифракционной эффективности по распределению амплитуды поля не применимы. Для практических задач необходим метод упрощешюго расчета, который бы позволял оценить реализуемость требуемой дифракционной эффективности ДОЭ при данном технологическом процессе по аналитически заданной для этого ДОЭ фазовой функции.
Цель работы заключалась в разработке и исследовании оптических методов изготовления дифракционных элементов с использованием прямой лазерной записи полутоновых фотошаблонов на материалах с управляемым коэффициентом поглощения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Исследовать поведение оптических свойств пленок аморфного кремния и поверхностно-модифицированных LDW-стекол под действием лазерного излучения.
-
Разработать и исследовать способы записи, контроля и применения полутоновых фотошаблонов для формирования микрорельефа ДОЭ.
-
Разработать методы управления мощностью лазерного пучка, обеспечивающие запись осесимметричных и произвольных полутоновых фотошаблонов на круговых лазерных записывающих системах.
4. Разработать метод оценки дифракционной эффективности ДОЭ при данном технологическом процессе по аналитически заданной для этого ДОЭ фазовой функции.
Научная новизна:
-
Предложено использовать термоструктурную лазерную запись на пленках аморфного кремния для изготовления полутоновых фотошаблонов. Выявлены закономерности изменения оптических свойств пленок кремния между аморфной и кристаллической фазой под действием лазерного излучения. Установлено, что пространственное разрешение достигает 2000 лин/мм при диаметре записывающего пятна менее 1 мкм.
-
Обнаружен эффект увеличения толщины пленки аморфного кремния при нагреве лазерным излучеішем, который предложено использовать для прямого формирования фазового микрорельефа с глубиной до 50 нм.
-
Получены количественные данные о зависимости коэффициента пропускания поверхностно-модифицированных стекол от мощности лазерного пучка для непрерывного и импульсного режимов записи в широком диапазоне скоростей сканирования (от 0,1 до 400 см/с), позволившие повысить точность изготовления полутоновых фотошаблонов. Определена взаимосвязь ширины записываемых дорожек и коэффициента пропускания и показано, что оптимальный для полутоновой записи диапазон изменения коэффициента пропускания лежит от 5-10 до 60 % (длина волны - 436 нм).
-
Обнаружен и изучен эффект «оконтурнвания» полутоновых микроструктур, возникающий при лазерной записи на материалах с управляемым коэффициентом поглощения и предложены алгоритмы экспонирования, уменьшающие его влияние.
-
Разработан метод двухсторонней контактной печати двух идентичных полутоновых фотошаблонов на пленку фоторезиста, который позволяет изготавливать высокопорядковые ДОЭ с глубиной рельефа более 5-10 мкм.
-
Разработан метод записи многоуровневых дифракционных элементов с инкрементмым представлением их модуляционной функции, позволивший сократить объем данных, передаваемых в записывающее устройство.
Практическое значение диссертации. Разработана лазерная технология изготовления полутоновых фотошаблонов дифракционных оптических элементов. Полутоновая фотолитографическая технология опробована при изготовлении ДОЭ на кварцевых и кремниевых подложках: линз с минимальным периодом 8 мкм для видимого диапазона и линз с минимальным периодом 16 мкм для ИК диапазона. Изготовлена матрица-оригинал высокоэффективного дифракционного компонента для гибридной интраокулярной линзы (ИОЛ) с оптической силой 19 диоптрий.
Внедрение результатов работы. Технологии лазерной записи на круговых записывающих системах, методы модуляции мощности записывающего пучка и устройства для их реализации переданы по контрактам в составе аппаратно-техшлогических лазерных комплексов в НПО "ЛУЧ" (г. Подольск), ПО «Новосибирский приборостроительный завод», Институт технической оптики (г. Штутгарт, Германия), Исследовательский центр ФИАТ (г. Турин, Италия), Институт физической оптики (г. Берлин, Германия). Результаты работ по исследованию технологий синтеза полутоновых фотошаблонов использованы в ИАнЭ СО РАН, а также в КТИ НП СО РАН при разработке нового поколения круговых лазерных залисьіваїощігх систем CLWS-200 и CLWS-300/C-M. Изготовленная матрица-оригинал дифракционного компонента передана на НПО «Вектор» (г. Нижний Новгород) и использована при выпуске опытной партии дифракционно-рефракционных ИОЛ для ГУ МНТК «Микрохирургия глаза».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
На пленках негидрогенизированлого аморфного кремния, обладающих высокой механической прочностью и химической стойкостью, можно производить прямую лазерную запись полутоновых фотошаблонов, обеспечивающую пространственное разрешение до 2000 лин/мм и диапазон изменения коэффициента пропускания от 0,5-2% до 10-20% (длина волны 436 им).
-
Метод прямой лазерной записи на поверхностно-модифицированных стеклах позволяет изготавливать полутоновые фотошаблоны ДОЭ с периодом дифракционных зон до 5 мкм. При этом максимальное пространственное разрешение и точность формирования дифракционных зон достигаются в
диапазоне изменения коэффициента пропускания от 5-10% до 60% (длина волны 436 ним).
-
Погрешности изготовления полутоновых фотошаблонов при прямой лазерной записи на материалах с управляемым коэффициентом поглощения можно снизить, контролируя оптические свойства записанных структур, применяя режим импульсной записи при скорости сканирования ниже 10 см/с и формируя короткий световой импульс перед экспонированием полутоновых зон с понижением мощности пучка вдоль траектории его движения
-
Двухсторошшм контактным экспонированием пленки фоторезиста через два идентичных полутоновых фотошаблона, на один из которых эта пленка предварительно нанесена, можно обеспечить формирование микрорельефа ДОЭ с глубиной более 5 мкм.
5. Разработанные и созданные устройства модуляции и стабилизации мощности записывающего пучка, включающие оптико-электронный канал обратной связи, обеспечивают запись высокоточных бинарных и полутоновых фотошаблонов ДОЭ на круговых лазерных записывающих системах в диапазоне скоростей от менее чем 10"2 см/с до 10 см/с.
Апробация работы. Основные материалы, представленные в диссертации доложены на следующих конференциях и семинарах: 3-й Всесоюзной конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации», Таллин, 1987; Международной конференции Optics'88, Будапешт, Венгрия, 1988; Всесоюзном семинаре-совещании «Вопросы прикладной голографии», Тбилиси, 1989; Между-народной конференции Holography-89, Варна, Болгария, 1989; Международном семинаре по Оптической памяти и нейронным сетям, Москва, 1994; Международном Симпозиуме Photonics West'97, Сан Хосе, США, 1997; Международной конференции Diffractive Optics'97, Финляндия, 1997; Международном Симпозиуме Photonics West'99, Сан Хосе, США, 1999; Международной конференции Diffractive Optics'99, Йена, Германия, 1999; Международной конференции Diffractive Optics'2000, Квебек, Канада, 2000; 3-й Международный Симпозиум «Современные проблемы лазерной физики», Новосибирск, 2000.
Аппаратно-технологический комплекс для синтеза дифракционных оптичесыгх элементов представлялся на Международной Лейпцигской ярмарке в 1995 году.
Публикации. По результатам исследований, включенных в диссертацию, опубликовано 29 печатных работ, включая 2 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка цитируемой литературы (75 наименований); изложена на 150 страницах; включает 91 рисунок и 3 таблицы. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
