Спосіб запису рельєфно-фазових періодичних структур

1. Спосіб запису рельєфно-фазових періодичних структур, що включає нанесення на підкладинку шляхом термічного осадження у вакуумі шару фоторезисту з неорганічної халькогенідної сполуки, експонування на фоторезист інтерференційного поля, сформованого двома когерентними світловими пучками в оптичному середовищі рефракційного елемента з показником заломлення n більше 1, і наступне селективне травлення фоторезисту, який відрізняється тим, що як підкладинку використовують поверхню рефракційного елемента, на якій формується інтерференційне поле. 2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що як рефракційний елемент використовують призму. 3. Спосіб за п.2, який відрізняється тим, що як рефракційний елемент використовують піраміду. Запропонований винахід відноситься до голографії і стосується виготовлення рельєфнофазових періодичних структур для використання їх як дифракційні елемент в інтегральній оптиці, сенсорній та лазерній техніці, як захисні голографічні елементи, тощо. Відомий спосіб запису рельєфно-фазових періодичних структур [1], який полягає в тому, що за допомогою двох пучків когерентного світлового випромінювання формують просторову картину інтерференційного світлового поля, проводять запис цієї картини на світлочутливому матеріалі фоторезисті, на якому після відповідної обробки (селективного травлення) отримують рельєф, що відповідає просторовому розподілу світлового поля. Період інтерференційної картини (Λ) визначається співвідношенням: Λ=l/2nSin(q/2), де l - довжина хвилі світла у вакуумі, n - показник заломлення середовища, в якому формується інтерференційна картина, q - кут сходження променів. Згідно [1] інтерференція світлових пучків здійснюється в оптичному середовищі повітря, показник заломлення якого n~1, тобто при заданих значеннях l та q величина Λ має максимальне значення. За необхідності зменшення періоду дифракційних структур (збільшення просторової частоти інтерференційної картини) в оптичний шлях когерентних пучків вводять оптичний рефракційний елемент (рефракційну призму) з показником заломлення n>1 [2-3]. В такому разі відповідно до приведеного співвідношення на одній із граней призми отримують інтерференційну картину з періодом в п раз меншим, тобто при заданих значеннях параметрів l та q використання оптичного середовища з вищим ніж у повітря показником заломлення дає можливість зменшити розмір елементів періодичної структури. Для проведення запису на фоторезисті світлового поля, сформованого в призмі, забезпечують оптичний зв'язок між призмою та фоторезистом шляхом використання імерсійної рідини для усунення повітряного проміжку між їх поверхнями. Практично це здійснюється методом нанесення імерсійної рідини на (19) UA (11) 87393 (13) C2 (21) a200714224 (22) 18.12.2007 (24) 10.07.2009 (46) 10.07.2009, Бюл.№ 13, 2009 р. (72) МИНЬКО ВІКТОР ІВАНОВИЧ, ШЕПЕЛЯВИЙ ПЕТРО ЄВГЕНОВИЧ, ІНДУТНИЙ ІВАН ЗАХАРОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ІМ. В.Є.ЛАШКАРЬОВА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) US 6185091 B1, 06.02.2001 UA 36209 A, 16.04.2001 Костюкевич С.А., Шепелявый П.Е., Романенко П.Ф., Твердохлеб И.В. Исследование процессов получения голограммных дифракционных решеток на основе слоев As2S3// ЖТФ. - 2003. - Т.73 Вып.1 3 відповідну грань призми та притиснення до цієї грані підкладинки з фоторезистом. В якості фоторезистів використовуються плівки органічних речовин [1-3], що наносяться на підкладинку за допомогою центрифуги. Недоліком цих способів [2, 3] є те, що для забезпечення оптичного зв’язку призми з фоторезистом проміжок між ними заповнюють імерсійною рідиною, що має показник заломлення n близький до n оптичного середовища та фоторезисту. Використання імерсійної рідини вводить додаткові технологічні операції в процес отримання періодичних структур, що ускладнює технологію та підвищує ймовірність утворення дефектів па поверхні фоторезисту. До того ж значення n в імерсійних рідин суттєво менші, ніж у деяких марок оптичного скла, що обмежує використання фактора оптичного середовища для зменшення періоду рельєфнофазових структур. Як прототип обрано спосіб запису рельєфнофазових періодичних структур, описаний в [4]. Він полягає в тому, що за допомогою когерентного світлового випромінювання в оптичному середовищі рефракційної призми з n>1 формують та записують на фоторезисті інтерференційне поле з подальшим отриманням рельєфних елементів. Призму розташовують таким чином, що одна із її граней знаходиться в світловому полі інтерференційної картини. Як фоторезист використовують нанесені на підкладинку шари неорганічних халькогенідних сполук. Для забезпечення оптичного зв'язку між призмою та фоторезистом використовують імерсійну рідину. Такий спосіб дає можливість зменшити період структури в n раз при постійних значеннях довжини хвилі когерентною світла та кута сходження променів. Недолік цього способу полягає в ускладненні технологічного процесу в зв'язку з використанням імерсійної рідини. Щоб здійснити запис просторової інтерференційної картини на фоторезисті необхідно розташувати імерсійну рідину між поверхнею грані призми, що знаходиться в зоні сформованого інтерференційного поля, та поверхнею фоторезисту. При цьому необхідно забезпечити відсутність дефектів (бульбашок повітря чи інших) в імерсійній рідині та стабільне взаємне розташування призми та фоторезисту під час експонування. Після експонування проводять відокремлення фоторезисту від призми та очистку його від імерсійної рідини за допомогою хімічних розчинників. Очищений та відмитий фоторезист висушують стиснутим повітрям, а потім проводять операції селективного травлення. Всі операції здійснюють в умовах обмеженого освітлення, тобто утрудненого візуального контролю. Таким чином використання імерсійної рідини суттєво ускладнює технологічний процес і збільшує ймовірність утворення дефектів на отриманій рельєфній структурі. Крім того, значення показника заломлення імерсійних рідин не перевищує 1,6-1,7, що обмежує можливість підвищувати просторову частоту дифракційних елементів за рахунок використання призм та фоторезистів з більш високим значенням показника заломлення. 87393 4 В основу винаходу поставлено задачу спрощення способу запису рельєфно-фазових періодичних структур та забезпечення можливості запису більш високочастотних дифракційних елементів при підвищенні якості отриманих виробів. Для вирішення поставленої задачі пропонується шар фоторезисту з неорганічної халькогенідної сполуки наносити шляхом термічного осадження в вакуумі безпосередньо па поверхню рефракційного елементу, показник заломлення якого n>1 і в оптичному середовищі якого формують інтерференційне поле двома когерентними світловими пучками. Сформоване інтерференційне поле експонують на фоторезисті, який після цього селективно травлять та отримують відповідну рельєфну структуру. Спосіб відрізняється також тим, що рефракційний елемент, який служить одночасно оптичним середовищем і підкладинкою для фоторезисту, виконаний у вигляді призми або піраміди. Спосіб дозволяє значно спростити технологічний процес виготовлення рельєфних мікроструктур методом інтерференційної літографії, підвищити їх просторову частоту за рахунок використання оптичних середовищ з більш високим значенням показника заломлення і підвищити якість внаслідок зменшення імовірності утворення дефектів на поверхні фоторезисту. Отримана структура може бути використана безпосередньо, або як оригінал для виготовлення копій методами тиснення чи фотополімеризації. Для забезпечення ефективного оптичного зв'язку між середовищем і фоторезистом необхідно (як в прототипі, так і в запропонованому рішенні), щоб значення показників заломлення n цих матеріалів були близькими або щоб n фоторезисту був більшим ніж рефракційного елементу. При виготовленні підкладинок із скла з n~2 (наприклад, скло марок СТФ) потрібно використовувати фоторезист з n³2. Такими фоторезистами є неорганічні халькогенідні сполуки [4-8]. Показник заломлення цих фоторезистів у вигляді нанесених термічним осадженням шарів складає у видимій області спектру від 2,2 до 3,8 в залежності від хімічного складу матеріалу [8], тобто задовольняються умови здійснення оптичного зв'язку між підкладинкою та фоторезистом. Винахід відноситься до галузі сучасних високотехнологічних розробок і може бути використаний при виготовленні різних типів періодичних рельєфних структур субмікронних розмірів, що слугують дифракційними елементами в інтегральній оптиці. сенсорній та лазерній техніці, а також в якості голографічних захисних елементів. Спосіб ілюструється оптичною схемою, яка використовується для запису періодичної рельєфнофазової структури. Фіг.1. Схема формування та запису інтерференційного світлового поля на неорганічному фоторезисті, нанесеному на підкладинку (рефракційний елемент), виготовлену у формі зрізаної призми чи піраміди. Ha схемі використано наступні позначення: 1 лазер, 2 - просторовий фільтр, 3 - сферичне дзеркало, 4 - подільник світлового променя, 5, 6 - плос 5 кі дзеркала, 7 - підкладинка у вигляді зрізаної призми чи піраміди, 8 - фоторезист. Запис здійснюється наступним чином. На віброзахищеному столі збирається оптична схема, показана на Фіг.1. Промінь лазера 1 за допомогою просторового фільтра 2 і а сферичного дзеркала 3 перетворюється в розширений пучок з плоским хвильовим фронтом. Далі пучок світла спрямовується на подільник 4, де розподіляється на дві частини за потужністю у співвідношенні близько 1:1. Обидві частини пучка за допомогою плоских дзеркал 5 та 6 направляються на бокові грані підкладинки 7, в об'ємі якої в результаті суперпозиції когерентних світлових фронтів формується інтерференційне поле. Підкладинку розташовують таким чином, щоб та її поверхня, на яку нанесено фоторезист 8, знаходилась в зоні інтерференційної картини. В запропонованому способі рефракційний елемент, який одночасно є підкладинкою для фоторезисту, може бути виготовлений у формі різних геометричних фігур, але для забезпечення можливості отримання 1D та 2D періодичних структур (дифракційних ґраток чи "біграток") оптимальною формою підкладинок є зрізана призма і зрізана піраміда. Для отримання інтерференційного поля з високою просторовою частотою підкладинку виготовляють з оптично прозорого для лазерного випромінювання матеріал) з високими (n>1) значеннями показника заломлення. Це може бути плавлений кварц, сапфір, оптичне скло марок ТФ та СТФ, тощо [9]. На Фіг.2 надані зображення підкладинок, які можна використати для формування інтерференційного поля і запису його на фоторезисті: а - зрізана призма для отримання структури типу дифракційної ґратки, б - зрізана піраміда для отримання структури типу "бігратки". Кут нахилу граней до робочої поверхні підкладинки визначається кутом сходження променів за умови перпендикулярності падіння променя на грань підкладинки. Як середовища, які реєструють, використовуються неорганічні фоторезисти па основі тонких шарів халькогенідних скловидних сполук, в склад яких можуть входити елементи: миш'як (As), германій (Ge), сірка (S), селен (Se). Фоторезист отримують шляхом термічного осадження у вакуумі на очищену поверхню підкладинки спочатку тонкого (товщиною 2-3нм) адгезивного шару хрому (Сr), а потім шару однієї із халькогенідних сполук, наприклад, складу As-Se, As-S-Se, As-Se-Ce або As-S. Основою для запропонованого технічного рішення є наступні факти, виявлені в процесі досліджень. Для отримання періодичних рельєфних структур високої просторової частоти голографічним способом, тобто шляхом запису на фоторезисті інтерференційного світлового поля з наступним селективним травленням, використовують пропорційну залежність просторової частоти від показника заломлення оптичного середовища. Hа цьому співвідношенні ґрунтується відомий метод імерсійної літографії, згідно з яким інтерференційна структура світлового поля формується в спеці 87393 6 ально створеному оптичному середовищі з високим значенням показника заломлення. Традиційно складовою частиною цього середовища є імерсійна рідина з максимальними значеннями n, використання якої суттєво ускладнює технологію фотолітографічного процесу. Дослідження халькогенідних неорганічних фоторезистів виявили, що поряд з високою роздільною здатністю цих реєструючих матеріалів вони характеризуються значеннями n>2 для всього видимого та УФ спектрального діапазону. Крім цього неорганічні фоторезисти мають достатню енергетичну чутливість для реєстрації світлового енергетичного поля від джерел когерентного випромінювання (0,050,5Дж/см2) [10]. Тобто характеристики халькогенідних фоторезистів задовольняють як умовам створення оптичного імерсійного середовища гак і вимогам до енергетичної чутливості реєструючих матеріалів. В той же час нанесення халькогенідного шару на підкладинку методом вакуумного термічного випаровування забезпечує оптичний контакт між фоторезистом і підкладинкою, що дозволяє виключити з технологічного процесу виготовлення рельєфно-фазових періодичних структур операцій. пов'язаних із застосуванням імерсійної рідини. Таким чином запропоноване технічне рішення спрощує технологічний процес, зменшує ймовірність утворення дефектів на поверхні структури та дає можливість найбільш ефективно використати можливості імерсійної літографії по отриманню структур з максимальною просторовою частотою. Нижче наведені приклади реалізації запропонованого способу. Приклад 1. На поліровану грань зрізаної призми (Фіг.2,а), виготовленої з оптичною скла марки СТФ (n=2,2) послідовно наносять методом термічного випаровування у вакуумі 2,5×10-3Па адгезивний шар хрому товщиною ~2нм та шар фоторезисту з трисульфіду миш'яку (As40S60) товщиною 100нм. Потім призму розміщують в оптичній схемі для запису інтерференційного світлового поля (Фіг.1). Експонування здійснюють використовуючи випромінювання гелій-кадмієвого лазера ЛГ-70 з довжиною хвилі 441,6нм. Величину експозиції - 0,2Дж/см2 контролюють вимірювальним приладом ДАУ-81. Після експонування та селективного травлення отримали періодичну рельєфну структуру типу дифракційної ґратки з просторовою частотою ~7500мм-1 та формою профілю штрихів близькою до синусоїдальної. Визначення морфологічних параметрів отриманих зразків проводилось за допомогою мікроскопа атомних сил Dimension 3000 Scanning Probe Microscope фірми Digital Instruments. Періодична структура, отримана згідно способу. описаному в прототипі [4], має просторову частоту ~5000мм-1. Приклад 2. На поліровану грань зрізаної піраміди (Фіг.2,б), виготовленої з оптичного скла марки СТФ, послідовно наносять методом термічного випаровування у вакуумі –2,5×10-3Па адгезивний шар хрому товщиною ~2нм та шар As40S60 товщиною 80нм. Потім піраміду розміщують в оптичній схемі для 7 87393 запису інтерференційного світлового поля та здійснюють дворазове експонування фоторезисту з поворотом підкладинки на 90° відносно площини падіння світлових пучків. Джерело випромінювання відповідає прикладу 1. Величина експозиції кожного експонування складає 0,1Дж/см2. Після виконання технологічних операцій селективного травлення отримали періодичну рельєфну структур) типу "бігратки", тобто картину взаємноперпендикулярно розташованих штрихів. Приклад 3. Використовується підкладинка у вигляді зрізаної призми, описаної в прикладі 1, на яку наносять адгезивний шар хрому товщиною ~2нм та шар As40S30Se30 товщиною 80нм. Далі призму розміщують в оптичній схемі (Фіг.1) та здійснюють експонування фоторезисту. Величина експозиції складає 0,18Дж/см2. Після виконання технологічних операцій селективного травлення отримали періодичну рельєфну структуру з просторовою частотою ~ 7500мм-1. Приклад 4. На підкладинку, описану в прикладі 1 (зрізана призма) наносять адгезивний шар хрому товщиною ~2нм та шар фоторезисту As10Se67,5Ge22,×5 товщиною 100нм. Потім підкладинку розміщують в оптичній схемі (Фіг.1) та здійснюють експонування фоторезисту. Величина експозиції - 0,3Дж/см2. В результаті післяекспозиційної обробки отримали періодичну рельєфну структуру (голографічну дифракційну гратку) з просторовою частотою ~7500мм-1. Джерела інформації: 1. I.J. Wilson, R.C. McPhedran and M.D. Waterworth. A new high performance diffraction Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 8 grating. - Optics Communications. - 1973. - V.9, №3. P.263-267. 2. C.V. Shank and R.V. Schmidt. Optical technique for producing 0.1-m periodic surface structures. -Appl. Phys. Lett. -1973. -V.23, №3. P.154-155. 3. Патент США №US 6,185,019 B1 кл. G03H1/04, 2001. 4. J. Teteris, M. Reinfelde. Immersion holographic recording of subwavelength gratings in amorphous chalcogenide thin films. - J. of Optoelectronics and Advanced Materials. - 2005.- V. 7. №5. -P.2581-2586. 5. Tomoaki Sakai. Hologram copy using amorphous films as a master. - Opt. Commun. - 1978. V. 24. №1.- P.47-50. 6. Б.С. Губа и др. Импульсная запись голограм на аморфных фоторезистивных халькогенидных слоях. - Опт. журн. - 1997. - Т.64, №9. - С.29-34. 7. Патент РФ №2008285 С1 кл. 5СОЗС 15/00, 1991. 8. J. Tasseva, R. Todorov, D. Tsankov, K. Petkov. Optical properties of multi-component arsenic - containing chalcogenide thin films. - J. of Optoelectronics and Advanced Materials. - 2007. V.9. №2. - P.344-347. 9. Стекло / Справочник под редакцией Н.М.Павлушкина / - М.: Стройиздат, 1973. - С.230. 10. Р.Е. Shepeljavi, S.A. Kostioukevitch, I.Z. Indutnyi, A.V. Stronski. Fabrication of periodical structures with the help of chalcogenide inorganic resists. - Proc. SPIE. - Integrated Optics and Microstructures II. - 1994.-V.2291. -P.188-192. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601