Методы и экспериментальные установки формирования микрорельефа дифракционных оптических элементов видимого и инфракрасного диапазонов волн

Диссертация посвящена разработке и исследованию методов и экспериментальных установок формирования микрорельефа дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Предложены методы формирования микрорельефа, технологические приемы и решения, включая использование новых, перспективных для дифракционной оптики материалов, приборов и установок. Практически реализованы ДОЭ в виде дифракционных решеток и линз, широкоапертурных силовых фокусаторов инфракрасного и видимого диапазонов волн лазерного излучения и устройств на основе ДОЭ. Предложены методы и приборы контроля параметров формируемого микрорельефа, дифракционных оптических элементов и устройств на их основе.

Актуальность темы

.

Дифракционный оптический элемент представляет собой пропускающую или отражающую пластинку с фазовым микрорельефом. Первыми представителями этого класса плоских оптических элементов являются дифракционные решетки Релея — Сорэ и зонные пластинки Френеля, разработанные более 200 лет и 150 лет тому назад соответственно, представляющие собой дифракционную микроструктуру с периодическим фазовым рельефом и предназначенные для формирования одномерного или двумерного набора плоских пучков с заданным соотношением энергии между пучками /129/. Многопорядковые дифракционные решетки применяются в оптических устройствах мультипликации изображений, в соединителях для оптических волокон и свободного пространства, в устройствах оптической связи и обработки информации, в когерентных оптических процессорах /16, 52, 112, 89, 229, 248, 250/. Следующим по хронологии представителем этого класса, является зонная пластинка. Эти элементы имеют бинарное амплитудное или фазовое пропускание и используются в таких отраслях, как оптические средства связей и обработки информации /185,265/. 8.

Настоящую революцию в создании ДОЭ произвело применение компьютеров (1970 год), лазерной техники и микроэлектроники (1980 год), позволивших сделать практически реализуемой задачу создания ДОЭ со сложным профилем зон. Это послужило толчком к компьютеризированному синтезу бинарных амплитудно-фазовых и фазовых пространственных фильтров, корректоров волновых фронтов, к созданию многоуровневых ДОЭ с уникальными характеристиками, не достижимыми в рамках традиционной оптики /97, 99, 108, 213/. Были созданы фокусаторы лазерного излучения, осуществляющие фокусировку падающего на них излучения за счет дифракции света на чисто фазовом микрорельефе /28, 100, 105/ и мо-даны, используемые для формирования и селекции мод лазерного излучения/13, 106, 253/.

Фокусаторы лазерного излучения были предложены и впервые исследованы в нашей стране в 1981 году (М.А. Голуб, С. В. Карпеев,.

A.M. Прохоров, И. Н. Сисакян, В. А. Сойфер, /19/). В работах И. Н. Сисакяна,.

B.А. Сойфера, В. А. Данилова и ряда других отечественных исследователей в первой половине 80-х годов получены основные решения задачи фокусировки для различных фокальных областей по созданию разнообразных фокусирующих ДОЭ /100, 108, 109, 118−120/. В последующие годы к исследованиям в области фокусировки лазерного излучения с помощью дифракционных оптических элементов присоединились многочисленные отечественные и зарубежные ученые /102−112, 225−230, 237, 238, 265/.

Фокусаторы — ДОЭ фокусирующие лазерное излучение в заданную область пространства, имеют значительные перспективы для использования в промышленной технологии /27, 59*, 84, 177, 179, 200/. Например, для решения задачи создания тепловых полей с заданным распределением температур в физических исследованиях, лазерного термоядерного синтеза, лазерной технологии термообработки материалов /2, 29, 36, 114/. В частности, для сверления отверстий с высокой точностью, маркировки изделий, обработки поверхностей со сложным профилем, закалки поверхно9 стей деталей, лазерных сварки и резки. Представляется эффективным применение фокусаторов лазерного излучения в установках микроэлектроники (распайка выводов и корпусирование микросхем) /30*, 77*, 201*/, в оптических приборах (приборы ночного видения, корректоры аберраций, компланарные осветители) /31*-33*, 164*/, в системах обработки информации, устройствах визуализации фазовых объектов и преобразования изображений /84, 103, 213/, медицина нуждается в сложной фокусировке лазерного излучения (лазерокоагуляционное ограничение опухолейрегенерация роговой оболочки глазарасслаивание биологических тканей при эвакуации хрусталиковых массрадиальная, тангенциальная и продольная кератотомиялазерная коагуляция сетчатки и т. д.) /81, 101, 223/.

Анализ вышеперечисленных работ, показывает, что теоретические вопросы построения ДОЭ разработаны достаточно полно, чего нельзя сказать о технологической подготовке производства. Так например, изготовление ДОЭ из традиционных материалов и традиционными методами не позволяет полностью реализовать потенциал дифракционной оптики, так как невозможно получать без чрезмерных затрат непрерывные или почти непрерывные рельефы, необходимые для построения оптических элементов.

Ключевой проблемой при создании фокусаторов является одновременное достижение высокой энергетической эффективности и требуемого распределения интенсивности в фокальной области. Следует отметить, что практически все работы по теоретической оценке эффективности оптических элементов сделаны в предположении идеальной, или почти идеальной точности изготовления микрорельефа. В реальном случае, безусловно, имеют место погрешности, определяемые методами формирования микроструктур и технологическими погрешностями: размеры, смещение зон, высота микрорельефа и т. д.

Указанное определяет актуальность темы диссертации.

Краткий анализ методов формирования дифракционного микрорельефа.

В истории физики дифракционные решетки выступают как один из самых незаменимых инструментов. До изобретения интерферометра дифракционные решетки были единственным инструментом, с помощью которого измерялись характеристические длины волн атомных спектров.

Амплитудная одномерная дифракционная решетка представляла собой плоский транспарант, с чередующимися светлыми и темными параллельными полосками (штрихи и щели), которые в ранних конструкциях изготавливались намоткой нитей с определенным шагом на рамку или механическим нанесением царапин на основание транспаранта (скрайбирова-ние). Более распространенными являются решетки, выполненные путем нанесения алмазным резцом тончайших канавок на поверхность стекла для пропускающих решеток или на зеркальные металлические поверхности для отражательных решеток. Существуют технологии, реализующие запись фазовой функции на оптическую среду. Например, делительные машины позволяют непосредственно получать дифракционные решетки (в т.ч. с блеском) и, поскольку в данном случае границы зон представляют собой прямые линии, управление делительной машиной не требует реализации сложных алгоритмов. Существует также возможность непосредственного перевода на физическую среду радиально-симметричных и даже более сложных фазовых функций с помощью прецизионных механических станков с программным управлением /100, 157/. Такая возможность реализована при изготовлении ДОЭ субмиллиметрового и дальнего ИК диапазонов /94, 158/, но из-за трудностей, связанных со сложностью применяемых механических устройств, не находит широкого применения.

С точки зрения близости параметров физической реализации ДОЭ к расчетным значениям фазовой функции наиболее естественно создание зон с непрерывным профилем микрорельефа. В настоящее время существует большое количество методов и технологий, позволяющих получать микро.

11 рельеф с непрерывным профилем различной высоты и разрешения. Все они характеризуются своими особенностями и недостатками. Универсального метода, позволяющего создавать непрерывный профиль микрорельефа со сложным рисунком на поверхности и высотой от долей до десятков микрон для разных областей спектра оптического диапазона, в настоящее время нет.

В 1962 г. Ю. Н. Денисюк рассмотрел возможность получения дифракционных решеток с помощью записи интерференционных полос /121/. Современная технология позволяет получать периодическое гофрирование с помощью так называемого голографического метода. Рельеф решетки в этом методе создается путем интерферометрической экспозиции и обработки фоторезиста. Затем с помощью ионной бомбардировки или химического травления решетка переносится на подложку. С тех пор созданы решетки для видимого, УФ и мягкого рентгеновского диапазонов. Голографические решетки могут быть изготовлены на искривленной поверхности. Кроме того, в принципе можно создать решетки, период которых будет изменяться по поверхности и таким образом обеспечивать возможность фокусировки дифрагированных пучков. Отражательная способность голографических решеток меньше чем у гравированной и сильно зависит от поляризации падающей волны. С целью решения проблем массового тиражирования голограмм проводились исследования по формированию рельефных голограмм на полупроводниковых фоторезистах /98, 63*/. В частности, для создания синтезированных голограмм и ДОЭ широкое применение в 70-х годах получили электромеханические фотопостроители, управляемые компьютером. Так, на тонких пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП), напыленных в вакууме, получены дифракционные решетки с высотой штриха 0, 1 — 0, 12 мкм и пространственной частотой 1000 лин/мм /138/. Но ХСП отличаются нестабильностью оптических параметров, определяемых технологическими режимами получения пленок ХСП /68−72*/.

Еще недавно широко использовалась технология производства ДОЭ с использованием бихромированного желатина (БХЖ) /187/. Качество фо.

12 кусировки, представленное в данной работе, позволяет говорить, в принципе, о широких возможностях фокусаторов, изготовленных на основе БХЖ. Однако относительно простая технология формирования микрорельефа на основе БХЖ не нашла широкого применения в производстве ДОЭ, главным образом из-за шероховатости поверхности микрорельефа, снижающего эффективность ДОЭ, и ограниченной разрешающей способности, не позволяющей выполнять элементы с числовой апертурой выше 0, 1.

Перспективным является метод формирования непрерывного микрорельефа ДОЭ, базирующийся на применении жидких фотополимеризую-щихся композиций (ЖФПК) /197, 202, 204, 205, 224, 260−264**/. ЖФПК — это композиции на основе олигомеров и мономеров органической природы, имеющие в своем составе фотоинициатор, позволяющий производить отверждение в результате реакции радикальной полимеризации под действием актиничного светового излучения. Это доступные недорогие материалы, допускающие химический синтез с высокой чистотой состава и воспроизводимостью параметров. При отверждении они образуют сетчатые полимеры в стеклообразном или эластичном состоянии, обладающие высокой лучевой прочностью 500 Мвт/см для излучения наносекундной длительности и имеющие окно прозрачности 0, 35 — 2 мкм /34*, 224/. ЖФПК имеют хорошие физико-механические свойства, но при высотах рельефа порядка нескольких микрон резко падает пространственное разрешение, вследствие этого разрешающая способность не превышает 40 лин/мм /35*, 174/.

Наиболее перспективным является метод прямой лазерной записи в слоях светочуствительных материалов. На базе круговой записывающей лазерной системы посредством создания полутонового шаблона на поверхности аморфного кремния и поверхностно-модифицированных LDW-стекол получены ДОЭ ИК диапазона /147, 148, 186/. Но высокая стоимость LDW-стекол, проблемы управления мощностью лазерного пучка круговой записывающей лазерной системы при записи полутонового фотошаблона и.

13 формирования микрорельефа более 5−10 мкм, являются сдерживающими факторами.

Особое внимание специалистов в области дифракционной оптики при формировании ступенчатого микрорельефа ДОЭ привлекают технологии, основанные на достижениях и оборудовании микроэлектроники. Определяющими в таком выборе являются следующие основные факторы: близость геометрических размеров ДОЭ и микросхемблизость требуемых характеристик пространственного разрешениявысокий уровень автоматизации микроэлектронного оборудования и возможность реализации на нем сложных топологий зонвозможность получения многих градаций фазового микрорельефаналичие множества технологических участков микроэлектроники и возможность аренды оборудованиявысокая степень надежности технологических автоматов и повторяемость результатоввозможность использования материалов, имеющихся в микроэлектронике (субстраты, резисты и т. п.);

Поэтому вполне естественно, что работы /6, 17−19, 82, 136, 149, 150, 203, 239/, касающиеся вопросов изготовления дифракционных оптических элементов (киноформных оптических элементов, элементов компьютерной оптики), базируются на использовании оборудования, подложек, методов и технологических режимов, заимствованных из микроэлектроники. И если в первых работах преобладает метод фотолитографии с применением жидкостного травления стеклянных подложек, то в последнее время для изготовления ДОЭ используются прецизионное, дорогостоящее оборудование и более сложные технологические процессы.

Так, для изготовления ДОЭ, работающих в видимом диапазоне с маломощными источниками лазерного излучения, используется литографи.

14 ческое травление /141, 156, 209, 231−233/. Технологическая реализация таких элементов производится равномерным травлением резиста на основе полиметилметакрилата (ПММА), нанесенного на кварцевое стекло, по заданному числу уровней квантования фазы (обычно 2 — 16 уровней). Для осуществления равномерного травления резиста по рассчитанной полутоновой фазовой маске элемента рассчитывается комплект технологических бинарных файлов (виртуальных бинарных масок), определяющих пошаговый процесс литографического травления резиста. Эффективность 16-ти уровневого элемента составила 83% от теоретической.

ДОЭ, работающие в ИК-диапазоне, изготовлены с использованием метода степенного травления кварцевого стекла и ZnSe-подложек с нанесением покрытия из золота на отражающую поверхность, а также гальванопластического тиражирования изготовленных фокусаторов /232/. Для формирования микрорельефа ДОЭ используется, как правило, плазменное травление подложки по 8 или 16 уровням, для чего на литографе выводится комплект, соответственно из 3-х или 4-х бинарных фотошаблонов.

Наличие низковольтного электронного генератора изображений Leica LION LV1, обеспечивающего предельное разрешение около 0, 04 микрона, позволило изготовить бинарный ДОЭ (модан) на кварцевой подложке /233/. С помощью электронного луча в слое ПММА, толщиной 0, 18 мкм, осажденного на подложке из плавленого кварца, рисуется изображение в соответствии с топологией бинарного фазового элемента. После операции проявления, осаждением в вакууме на поверхность структуры с бинарным изображением наносится слой хрома толщиной 0, 05 мкм. Затем используется процедура вымывания оставшегося резиста на основе ПММА вместе со слоем хрома из областей, не подвергшихся экспонированию. И, наконец, с помощью реактивного ионного травления, при котором слой хрома выступает в качестве защитной маски, в кварце создается требуемый бинарный профиль микрорельефа.

Интересные возможности открывает метод лазерного формирования микрорельефа ДОЭ при работе с таким труднообрабатываемым материалом, как алмаз, крайне перспективным для создания пропускающей оптики среднего ИК-диапазона (к = 10, 6 мкм). В качестве примера, для оценки возможности формирования микрорельефа ДОЭ на алмазоподобных подложках, методом селективного лазерного травления была изготовлена четырехуровневая цилиндрическая линза /144, 247/, работающая в средней ИК области спектра (А, = 10, 6 мкм), с фокусным расстоянием /=25 мм и апертурой S = 4×4 мм. Дифракционная эффективность ДОЭ, измеренная в ходе эксперимента, составила 78%.

Высокая степень автоматизации технологических операций микроэлектроники позволяет говорить об автоматизированном проектировании дифракционного микрорельефа оптических элементов. Такое проектирование включает в себя не только выбор специальных методов, учитывающих технологические ограничения, но и возможность итерационной оптимизации важнейших параметров ДОЭ на основе анализа результатов контроля качества получаемого микрорельефа и эффективности работы ДОЭ в оптической схеме. При этом выбор размера, формы используемого материала, пространственного разрешения проектируемого микрорельефа (и соответственно выбор технологий) определяется как задачами, стоящими перед ДОЭ, так и оптическим диапазоном его работы.

Резюмируя, следует отметить, что наиболее приемлемыми методами формирования ступенчатого микрорельефа ДОЭ являются методы, базирующиеся на технологических процессах, используемых в микроэлектронике. Несмотря на большое количество, приводимых в качестве примера образцов ДОЭ, в литературе отсутствуют четкая схема последовательности технологических операций их изготовления и технологические режимы. Достаточно широко проработаны вопросы расчета, моделирования и теоретического исследования параметров ДОЭ, чего нельзя сказать о методах и установках формирования микрорельефа ДОЭ.

Целью работы является разработка, исследование и анализ методов формирования микрорельефа ДОЭ инфракрасного и видимого диапазонов волн лазерного излучения, создание методов и средств контроля параметров формируемого микрорельефа, дифракционных оптических элементов и устройств на их основе.

В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:

1. Исследование технологических режимов и разработка последовательности технологических операций формирования микрорельефа ДОЭ с использованием жидкостного и вакуумно-плазменного травлений материалов.

2. Исследование влияния погрешностей формируемого микрорельефа на характеристики дифракционных оптических элементов.

3. Разработка и экспериментальное исследование способа получения пленок многокомпонентных халькогенидных стеклообразных полупроводников стехиометрического состава для записи микрорельефа с высоким разрешением.

4. Исследование и разработка новых методов, обеспечивающих снижение трудоемкости и повышение качества формируемого микрорельефа широкоапертурных ДОЭ инфракрасного диапазона длин волн.

5. Исследование и разработка методов формирования микрорельефа силовых фокусаторов инфракрасного и видимого диапазонов волн лазерного излучения с использованием перспективных для дифракционной оптики материалов.

6. Исследование и разработка светотехнических устройств на базе дифракционных оптических элементов.

7. Модернизация и разработка приборов, устройств и методов для контроля параметров микрорельефа, исследования дифракционных оптических элементов и устройств.

Структура и краткое содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Выводы.

1. Существующие методы и устройства для осуществления контроля степени чистоты подложек, параметров формируемого микрорельефа ДОЭ и устройств на их основе являются недостаточно эффективными, дорогостоящими или не предназначены для непосредственного использования при создании дифракционных оптических элементов.

2. Перспективным является способ экспресс-контроля степени чистоты подложки ДОЭ, осуществляющего контроль по динамике растекания.

10 2 капли жидкости до 10″ г/см. Метод и устройство экспресс-контроля на его основе позволяют с высокой степенью достоверности (до 3%) оценивать степень чистоты поверхности подложек, используемых в технологическом процессе формирования микрорельефа. Представление результатов измерений растекания капли жидкости в электронно-цифровом виде позволяет использовать устройство в автоматизированном цикле создания ДОЭ.

3. Методика контроля параметров микрорельефа ДОЭ с использованием тестовых дифракционных структур является перспективной. Использование этого метода позволяет контролировать высоту формируемого микрорельефа ДОЭ (при высоте 1−1,5 мкм с точностью до 0,1 мкм) непосредственно при выполнении технологической операции травления без изъятия образца из вакуумной системы.

4. Установка для тестирования фокусаторов лазерного излучения позволяет анализировать распределение интенсивности вдоль сложной линии фокусировки (или в заданной плоской области — в случае фокусировки в плоскую область) и оценить на этой основе энергетическую эффективность ДОЭ. Программно (или аппаратно) отслеживать долю энергии, попадающей в заданный (определяемый на основе данных о конфигурации области фокусировки испытываемого ДОЭ) участок фокальной области,.

219 оценивать распределение интенсивности на любом участке фокальной области элемента.

5. Проведенные натурные исследования макетных образцов компланарных осветителей подтверждают перспективность использования ДОЭ в светотехнике. Особый выигрыш в массогабаритных характеристиках и эффективности достигается при совместном использовании волно-водных, дифракционных и других структур современной оптикитак, как это происходит при проектировании компланарных осветителей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на основе теоретического и экспериментального анализа разработаны новые методы формирования микрорельефа ДОЭ видимого и инфракрасного диапазонов волн лазерного излучения в перспективных для дифракционной оптики материалах с использованием ионно-химического и ионно-лучевого травлений. Предложены новые способы и устройства технологического контроля формируемого микрорельефа ДОЭ, параметров материалов, характеристик дифракционных оптических элементов и устройств.

Основными результатами работы являются следующие:

1. Разработаны численные методы оценки влияния технологических погрешностей формирования микрорельефа ДОЭ на среднеквадратичную ошибку распределения интенсивности лазерного излучения в плоскости изображения ДОЭ.

2. Предложена последовательность технологических операций формирования микрорельефа ДОЭ на базе оптической литографии, позволившая изготовить широкоапертурные и короткофокусные ДОЭ лазерного излучения ближнего ИК диапазона с энергетической эффективностью до 70%.

3. Разработан метод и устройство экспресс-контроля степени чистоты поверхности подложек по динамике растекания капли жидкости на основе эффекта динамического отклика оптического сигнала.

4. Разработан метод формирования микрорельефа ДОЭ послойным наращиванием фоторезиста, обеспечивающий снижение трудоемкости, повышение качества формируемого микрорельефа и эффективности ДОЭ ИК диапазона (для фокусаторов в «кольцо» и «отрезок» на 810%).

5. Разработан способ получения пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников стехиометрического состава, в слоях которых была выполнена голографическая запись микрорельефа дифракционных решеток с разрешением свыше 3000 линий на миллиметр.

6. Разработана методика контроля параметров формируемого микрорельефа ДОЭ с использованием тестовых дифракционных структур, позволяющая осуществлять контроль высоты микрорельефа ДОЭ непосредственно в процессе его формирования.

7. Предложены технологические режимы формирования бинарного микрорельефа высокоэффективных силовых фокусаторов ближнего ИК-диапазона (работающих в нескольких дифракционных порядках) ионно-химическим травлением кварцевых подложек.

8. Предложены способы формирования микрорельефа в поликристаллических алмазных (алмазоподобных) подложках для создания силовых фокусаторов лазерного излучения инфракрасного диапазона.

9. Разработана математическая модель формирования микрорельефа ДОЭ методом ионно-лучевого травления с трансформацией геометрии исходного микрорельефа.

10.Разработаны алгоритм и программные продукты компьютерного моделирования процессов переноса микрорельефа с фоторезистного слоя в материал подложки методом ионно-лучевого травления.

11. Проведенные исследования послужили основой при отработке технологических режимов формирования микрорельефа ДОЭ при создании дифракционных решеток, бинарных и многоуровневых фокусаторов лазерного излучения инфракрасного и видимого длин волн и оптических приборов с использованием ДОЭ.

12.Ряд технологических процессов, дифракционных оптических элементов и устройств нашли применение в производстве, используются в учебном процессе и защищены авторскими свидетельствами и патентами.