Метод формирования элементов дифракционной оптики с повышенной разрешающей способностью на основе тонких пленок хрома, термически окисленных локальным воздействием лазерного излучения

Дифракционный оптический элемент (ДОЭ) представляет собой пропускающую или отражающую пластинку с амплитудным или фазовым пропусканием. Первыми представителями этого класса плоских оптических элементов являются дифракционные решетки Релея-Сорэ и зонные пластинки Френеля, разработанные более 200 лет назад.

Компьютерное проектирование дифракционного микрорельефа позволило-практически реализовать задачу создания элементов плоской оптики со сложным профилем зон, благодаря^ чему класс ДОЭ1 существенно расширился: появились такие элементы как корректоры волновых фронтов, фокусаторы, моданы и т. д. Один из наиболее интересных классов ДОЭ' образуют фокусаторы лазерного I излучения, предложенные и впервые исследованные в нашей стране в 1981 году (М.А. Голуб, C.B. Карпеев, A.M. Прохоров, И. Н. Сисакян, В.А. Сойфер).

Представляется эффективным применение ДОЭ в установках микроэлектроники, оптических приборах, системах оптической обработки информации и управления, устройствах визуализации фазовых объектов и преобразования изображений, что вызывает потребность-в, изготовлении ДОЭ различного функционального назначения с повышенной разрешающей способностью.

Одним их базовых технологических процессов изготовления ДОЭ является фотолитография [1]. Существует рядслучаев, специфика которыхне позволяет считать традиционные способы получения фотошаблонов экономически целесообразными [2,3]. Такая ситуация складывается, когда требуется изготовить широкую номенклатуру элементов при* штучном или. мелкосерийном производстве, например при’изготовлении уникальных ДОЭ.

Существуют методы формирования топологического изображения непосредственно в слое рабочего материала, без использования фоторезистов, базирующиеся на локальной обработке материала лазерным излучением (ЛИ), позволяющие снизить себестоимость изготовления микроструктур произвольной конфигурации. Их можно разделить на термофизические (рекристаллизация или прямое испарение вещества) и термохимические (окисление) методы. С точки зрения возможности увеличения разрешающей способности более предпочтителен метод локального термохимического окисления. Этот метод формирования микроструктур основан на локальном окислении тонких пленок хрома под действием лазерного излучения. Последующее жидкостное травление образца приводит к формированию микрорельефа, за счет существенного различия скоростей травления хрома и его окисных форм [4].

Наибольший' вклад в теоретическое обоснование метода локального термохимического* окисления был внесен Вейко в: п., Либенсоном (ИТМО), а также Иолещуком А. Г., Корольковым В. П. и др.(ИАиЭ СО РАН), которыми была разработана установка круговой лазерной записи, для создания шаблонов г на поверхности различных материалов.

Использование перспективных, с точки зрения повышения разрешающей способности, тонких пленок (.<50 нм), вызывает необходимость более подробного исследования процессов окисления хрома, в частности, учета влияния! структуры пленки хрома, и роли растворенного в ней кислорода. Следует отметить, что известные теоретические подходы к анализу кинетики термохимического окисления хорошо описывают процессы в относительно толстых (>150 нм) пленках и базируются’на следующих общих основных предположениях [5,6]:

1. Материал пленки хрома и оксидной пленки считается однородным.

2. Основным фактором, лимитирующим окисление, является диффузия! атмосферного кислорода в пленку хрома.

В связи с этим, актуальным явятся решение комплекса научно-технических задач, направленных на повышение предельной разрешающей способности технологии локального термохимического окисления тонких пленок хрома, под действием лазерного излучения.

Таким образом, цель диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: разработка метода повышения разрешающей способности локального термохимического окисления тонких пленок хрома на основе 8 теоретического и экспериментального исследования влияния параметров микроструктуры пленок хрома и растворенного в них кислорода.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий круг задач:

1) Провести сравнительный анализ традиционных методов и метода локального термохимического окисления пленок хрома для изготовления бинарных металлизированных шаблонов.

2) Разработать физико-математическую модель процесса термохимического окисления пленки хрома, стимулированного лазерным излучением, учитывающую параметры микроструктуры и влияние растворенного кислорода и провести численное моделирование процессов в зоне нагрева.

3) Провести натурные эксперименты с целью установления влияния параметров пленки хрома (толщины и характерного размера кристаллитов) и режимов лазерной записи на разрешающую способность метода термохимического окисления.

4) Разработать и обосновать рекомендации-по выбору параметров пленок хрома и режимов лазерной записи для изготовления металлизированных шаблонов ДОЭ.

Решение указанного комплекса теоретических и экспериментальных задач позволит повысить качество получаемых элементов дифракционной оптики с повышенной разрешающей способностью на основе тонких пленок хрома термически, окисленных локальным воздействием лазерного излучения и значительно уменьшить количество тестовых экспериментов за счет выбора пленок хрома с наиболее удовлетворительными параметрами структуры.

Диссертация является результатом исследований, проведенных автором' на" кафедре наноинженерии Самарского государственного аэрокосмического университета им. С. П. Королева.

1. Волков, А. ВСоздание и исследование бинарных фокусаторов для мощного ND-YAG лазера Текст. /A.B. Волков, Л. Л. Досколович, Н.Л. КазанскийГЛЗ. Успленьев, А. Занелли//Компьютерная оптика. -М.: МЦНТИ, 2000., -Вып-20: -С.84−90.

2. Вейко, B. nj Взаимодействие лазерного излучения свеществом Текст. /В.П. Вейко, М: Н: Либенсон, Г. Г. Червяков,. Е. Б. Яковлев //Силовая оптика- — Nit: ФИЗМАТЛИТ, 2008 -312 с. ;

3. Либенсон, M. IL Лазерно-индуцированные оптические и термические процессы, в конденсированных средах и их* взаимовлияние Текст./ М-Н'. Либенсон//- С.-Пб.: I Гаука, 2007. 423 с. • ' :

4. Валиев^ К! Av Физические основьг субмикронной {фотолитографии-: Текст./К-А. Валиев//-М.: Наука, 1990. ¦•.,'¦

5. Волков, A.B. Методы и экспериментальные установки формирования микрорельефа" дифракционных оптических элементов видимого и инфракрасного диапазонов волн Текст. / Волков A.B., диссертация на соискание степени доктора технических наук — Самара, 2002. .

6. Бурмистров, А. В. О скорости поверхностного окисления металлов, нагреваемых лазерным излучением Текст./ А. В. Бурмистров, В. И. Конов // Физика и химия обработки материалов. 1982. № 3. С. 3 — 7.

7. Бузыкин, О. Г. Влияние температурных градиентов в окисном покрытии на кинетику поверхностного окисления металла, нагреваемого излучением Текст./ О. Г. Бузыкин, А. В. Бурмистров, М. Н. Коган // Поверхность. Физика, химия механика. 1982. № 9. С. 91 100.

8. Бузыкин, О. Г. Кинетика неизотермического окисления металлов с учетом термодиффузии и электропереноса Текст./ О.' Г. Бузыкин, А. В: Бурмистров// Поверхность. Физика, химия, механика. 1983. № 10i С. 91 — 97.

9. Акимов, А. Г. Исследование состава? окисной пленки, образующейся-после импульсного нагрева металла Текст./ А. Г. Акимов, А. П. Гагарин, В. Г. Дагуров, В. С. Макин, С. Д. Пудков // ЖТФ. 1980i Т. 50, вып. 11. С. 2461 -2463.

10. Бункин, Ф. В. Интерференционные явления при лазерном нагреве металлов в окислительной среде Текст./ Ф. В. Бункин, Н. А. Кириченко, В. И. Конов, Б. С. Лукьянчук // Квантовая электроника. 1980. Т. 7, № 7. С. 1548 1556.

11. Либенсон М. .-]. Термохимическая неустойчивость конденсированных сред при нагревании светом Текст]/ М. Н. Либенсон //Письма в ЖТФ. 1978. Т. 4, вып. 15. С. 917−921.

12. Бобырев В. А. Автоколебательные режимы лазерного горения металлов Текст./ В. А. Бобырев, Ф. В. Бункин, Н. А. Кириченко, Б. С. Лукьянчук, А. В. Симакин //Квантовая электроника. 1983. Т. 10, № 7. С. 1373 1380.

13. Розинберг, Г. В. Оптика тонкослойных покрытий Текст./ Г. В. Розинберг // М.: Физматгиз, 1958. С. 570.

14. Борн, Ф. Основы оптики Текст./ Ф. Борн, Э. Вольф// М.: Наука, 1973. С. 721.

15. Кофстад, П. Отклонение от стехиометриидиффузия, электропроводность в простых окислах металлов*Текст./ П. Кофстад // М.: Мир, 1975. С. 336.

16. ДлугуновичВ: А. Отражение излучения материалами в процессе их нагревания С02-лазером Текст./ В. А. Длугунович, В. А". Ждановский, В. Н. Снопков // Препринт ИФ АН БССР. № 230. Минск, 1980. 44 с.

17. Полещук, А. Г. Дифракционные оптические элементы: методы синтеза и применение Текст./ А.Г. Полещук// диссертация на соискание степени доктора технических наук Новосибирск, 2003.

18. Лунин, Б. С. Влияние сорбции атмосферных газов и паров на внутреннее трение в тонких пленках, хрома Текст./ E.G. Лунин, С. Н. Торбин // Вестник Моск. Ун-та. GEPi.2'] ХИМИЯ'., 2004. Т. 45. № 5(С. 297−299.

19. Аметистов, Е. В: Теплои массообмеш Теплотехнический эксперимент: Справочник Текст./Е.В АметистовВ.А. Григорьеву Б. Т. Емцев и. др.- под общей редакцией В. А. Григорьева и В.М. Зорина// М.: Энергоиздат, 1982 —' G.512. ^ ,.' ¦ .-г. .у: у • ¦ ¦ '•': ;

20. Chopard, В. Cellular Automata Modeling of Physical Systems /В. Chopard, M. Droz//Cambridge University Press, Collection Al’ea, 1998.-341 pp.

21. Карпов, IO.F. Теория автоматов Текст./КарітовIO:F.// СПб, 2003,-С. 224. '.

22. Смитлз, К. Дж. Металлы Текст./ К. Смитлз// пер. с англ. — М.: Металлургия, 1980.-С.447, ;

23. Чопра, К. Л. Электрические явления? в тонкихпленках Текст./ KJ1: Чопра //—'М. Мир, 1972.-С.432 ' V.

24. Абрамова, Г. М: Электрические свойства пленок хромаТекст./ Г. М. Абрамова, II.И. Киселев,. Г. С. Пагрин, Г. А. Петраковский //Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 3, С. 380−382.

25. Калашников, С. Г. Электричество Текст./ С. Г. Калашников//— 6-е изд., стереот. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.— 624 с.

26. Абрикосов, А.А., Основы теории металлов Текст./А.А. Абрикосов // М.: Наука, 198 761. Кацнельсон А. А.

Введение

в физику твердого тела Текст./ А. А. Кацнельсон //-М.:МГУ, 1984.

27. Румер, Ю. Б. Термодинамика статическая физика и кинетика Текст./ Ю. Б. Румер, М. Ш. Рыбкин //М: Наука, 1972, 401' с.

28. Рейф, Ф. Берклеевский курс физики Текст./ Ф. Рейф// — Издание 3-е, исправленное. —М.: Наука, 1986. — Т. V. Статистическая физика. — С. 137 138. —336 с.

29. Ландау, Л. Д. Теоретическая физика. Статистическая физика Текст./ Л. Д. Ландау, Е.М. Лифшиц//- М.: Физматлит, 2003. Т 8. -585 с.

30. Лоскутов, А. Ю! Введение в синергетику Текст./ А. Ю. Лоскутов, А. С. Михайлов // М: Наука, 1990, 272 с.

31. Chopard, В. On the role of fluctuations for in homogeneous reaction-difusiom phenomena/ B. Chopard, S. Cornell, M. Droz // HPA 65- 119−120 (1992).

32. Alfons G. Hoekstra Simulating Complex Systems by Cellular Automata/ Alfons G. Hoekstra, Jiri Kroc, Peter Mi A.// Springer, 2010.

33. Штиллер, В. Уравнение Аррениуса и неравновесная кинетика Текст./ В. Штиллер//Мир, 2000 г., 176с.

34. Никольский, Б. П. Справочник химика Текст./ Б. П. Никольский [и др.]// — М.: Химия, 1966. Т. 3. — 1004fc.

35. Регель, В. Р. Кинетическая природа прочности твердых тел Текст./ В. Р. Регель, А. И. Слуцкер, Э. Е. Томашевский // М., 1974;

36. Зельдович Я. Б. Элементы математической физики Текст./ Я. Б. Зельдович, А. Д: Мышкис//Наука, 1973, 351с.

37. Боуэн, Д: К. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография Текст./ Д: К. Боуэн, Б.К. Таннер*//- С.-Пб.: Наука, 2002. 2741с.