RU2556313C2 - Fabrication of amplitude diffraction optical elements and masks for production of phase structures - Google Patents
Fabrication of amplitude diffraction optical elements and masks for production of phase structures Download PDFInfo
- Publication number
- RU2556313C2 RU2556313C2 RU2013127328/28A RU2013127328A RU2556313C2 RU 2556313 C2 RU2556313 C2 RU 2556313C2 RU 2013127328/28 A RU2013127328/28 A RU 2013127328/28A RU 2013127328 A RU2013127328 A RU 2013127328A RU 2556313 C2 RU2556313 C2 RU 2556313C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- masks
- laser radiation
- production
- phase structures
- optical elements
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Preparing Plates And Mask In Photomechanical Process (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
Abstract
Description
Способ относится к оптическому приборостроению и может быть использован для создания дифракционных оптических элементов видимого и ультрафиолетового диапазона - линз Френеля, фокусаторов, корректоров и др.The method relates to optical instrumentation and can be used to create diffractive optical elements of the visible and ultraviolet range - Fresnel lenses, focusers, correctors, etc.
Известен способ микроструктурирования по технологии лазерной записи, где в качестве основного маскирующего слоя используется полимерный ароматический акрилат, который представляет собой продукт реакции олигомера и отверждающего разбавителя (патент США №2009/023154, МПК G02C 7/06, опубл. 17.09.2009 г.). В качестве подложек использовался алюминиевый лист толщиной 508 мкм с гальванически нанесенным поверх слоем никеля. Для удаления (абляции) материала использовалась лазерная система с длиной волны лазера 248 нм с частотой 150 импульсов в секунду.A known method of microstructuring by laser recording technology, where the main masking layer is a polymer aromatic acrylate, which is the reaction product of an oligomer and a curing diluent (US patent No. 2009/023154, IPC G02C 7/06, published on September 17, 2009) . As substrates, an aluminum sheet 508 μm thick with a nickel layer galvanically deposited on top was used. To remove (ablate) the material, we used a laser system with a laser wavelength of 248 nm with a frequency of 150 pulses per second.
Недостатками данного способа является низкое разрешение, а также низкая стойкость полимерного акрилата в случае формирования микрорельефа в плазме.The disadvantages of this method is the low resolution, as well as the low resistance of polymer acrylate in the case of the formation of microrelief in plasma.
Известен способ, в котором фотолитография сочетается с оплавлением полученных резистных структур, в результате чего происходит уменьшение их размера и увеличивается разрешающая способность метода (патент RU 2400790, МПК G03F 7/00, B82B 3/00, опубл. 27.09.2010).A known method in which photolithography is combined with the fusion of the obtained resist structures, resulting in a decrease in their size and increases the resolution of the method (patent RU 2400790, IPC G03F 7/00, B82B 3/00, publ. 09/27/2010).
Недостатками данного способа является воздействие химических растворов на подложки, использование дорогостоящего литографического оборудования, многократное повторение одних и тех же операций литографии, что приводит к усложнению производственного процесса, снижению выхода годных элементов и увеличению общего времени технологического цикла.The disadvantages of this method are the effect of chemical solutions on the substrates, the use of expensive lithographic equipment, the repeated repetition of the same lithography operations, which leads to a complication of the production process, reduced yield of elements and an increase in the total time of the technological cycle.
Наиболее близким к предлагаемому является способ лазероиндуцированного окисления тонких пленок титана толщиной 3-60 нм, благодаря чему были созданы структуры субмикронных размеров, а также размеров меньших дифракционного предела (200-400 нм). В области воздействия лазерного луча пленка титана окисляется, что дает возможность формировать маску путем последующего селективного травления (Патент DE №19544295, МПК D01J 9/02, B23K 26/34, опубл. 05.06.1997 г.).Closest to the proposed one is a method of laser-induced oxidation of thin titanium films with a thickness of 3-60 nm, due to which structures of submicron sizes, as well as sizes smaller than the diffraction limit (200-400 nm), were created. In the area of the laser beam, the titanium film is oxidized, which makes it possible to form a mask by subsequent selective etching (Patent DE No. 19544295, IPC D01J 9/02, B23K 26/34, published 05.06.1997).
Основным недостатком способа является то, что элементы с размерами ниже дифракционного предела могли быть получены только на очень тонких пленках (~6-8 нм), стабильность нанесения и толщину которых трудно контролировать в лабораторных условиях, а также необходимость дополнительной операции по формированию рельефа в маске.The main disadvantage of this method is that elements with sizes below the diffraction limit could be obtained only on very thin films (~ 6-8 nm), the stability of deposition and the thickness of which is difficult to control in laboratory conditions, as well as the need for additional operations to form the relief in the mask .
В основу изобретения поставлена задача прямым воздействием сфокусированного лазерного излучения формировать маску на поверхности субстрата, сократить количество операций и тем самым снизить время технологического цикла и себестоимость изготовления ДОЭ.The basis of the invention is the task of direct exposure to focused laser radiation to form a mask on the surface of the substrate, to reduce the number of operations and thereby reduce the time of the technological cycle and the cost of manufacturing DOE.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления амплитудных дифракционных оптических элементов и масок для изготовления фазовых структур, включающем нанесение металлической пленки на поверхность диэлектрической подложки с последующим воздействием сфокусированного лазерного излучения на пленку, согласно изобретению пленку молибдена наносят толщиной 35-45 нм, а воздействие сфокусированного лазерного излучения осуществляют с плотностью мощности (0,8-1,2)·107 Вт/см2, обеспечивая полное удаление (абляцию) металлической пленки в зоне воздействия.The problem is solved due to the fact that in the method of manufacturing amplitude diffractive optical elements and masks for the manufacture of phase structures, comprising applying a metal film to the surface of a dielectric substrate with subsequent exposure to focused laser radiation on a film, according to the invention, a molybdenum film is applied with a thickness of 35-45 nm, and the effect of focused laser radiation is carried out with a power density of (0.8-1.2) · 10 7 W / cm 2 , providing complete removal (ablation) of metal films in the affected area.
Другим достоинством этого метода наряду с повышением разрешающей способности является его универсальность. Полученное изделие можно использовать как амплитудный оптический элемент, литографический шаблон, а также полуфабрикат для последующего изготовления бинарного оптического элемента.Another advantage of this method along with an increase in resolution is its versatility. The resulting product can be used as an amplitude optical element, lithographic template, as well as a semi-finished product for the subsequent manufacture of a binary optical element.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.
На поверхность диэлектрической подложки методом магнетронного распыления в вакууме наносится слой молибдена толщиной 35-45 нм. При толщинах меньше 35 нм уменьшается плазмостойкость маскирующего покрытия, при более 45 нм уменьшается разрешающая способность метода за счет распространения энергии лазерного излучения по ширине трека. Затем пленка подвергается воздействию сфокусированного лазерного излучения с плотностью мощности, превосходящей энергию испарения материала, благодаря чему происходит локальное удаление молибдена.A molybdenum layer 35-45 nm thick is applied on the surface of a dielectric substrate by magnetron sputtering in vacuum. At thicknesses less than 35 nm, the plasma resistance of the masking coating decreases; at more than 45 nm, the resolution of the method decreases due to the propagation of laser radiation energy over the width of the track. Then the film is exposed to focused laser radiation with a power density exceeding the energy of evaporation of the material, due to which there is a local removal of molybdenum.
Энергетическим условием начала интенсивного испарения металла E2 является превышение значения над некоторой величиной E1. Однако, учитывая непрерывность воздействия, это превышение должно быть таково, чтобы испарение носило взрывной характер. При этих значениях процесс протекает с образованием узкой глубокой лунки и выбросом части расплавленного металла.The energy condition for the beginning of intense evaporation of the metal E 2 is the excess of the value over a certain value of E 1 . However, given the continuity of exposure, this excess should be such that the evaporation is explosive. At these values, the process proceeds with the formation of a narrow deep hole and the ejection of part of the molten metal.
За основу оценки критической плотности мощности E1 перехода к интенсивному испарению можно брать характерное время энергонакопления τ, приводящее к взрывному вскипанию некоторого объема материала. Определить время энергонакопления сложно, поскольку это требует рассмотрения динамики всего процесса с учетом испарения. Приближенно это время можно определить с помощью простейшей теплофизической оценки по формуле:As a basis for estimating the critical power density E 1 of the transition to intensive evaporation, one can take the characteristic energy storage time τ, which leads to explosive boiling of a certain volume of material. It is difficult to determine the energy storage time, since this requires consideration of the dynamics of the whole process taking into account evaporation. Approximately this time can be determined using the simplest thermophysical estimate by the formula:
где x - характерный размер зоны, охваченной вскипанием;where x is the characteristic size of the zone covered by boiling;
a - коэффициент температуропроводности.a is the coefficient of thermal diffusivity.
Выражение для E1 имеет вид:The expression for E 1 has the form:
где ρ - плотность материала;where ρ is the density of the material;
A - коэффициент поглощения материала;A is the absorption coefficient of the material;
Lисп - удельная теплота испарения.L isp - specific heat of vaporization.
Для молибдена значение E1=1,32·106 Вт/см2 [А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов. Лазерная сварка металлов. - М.: Высшая школа, 1988, 207 с.].For molybdenum, the value of E 1 = 1.32 · 10 6 W / cm 2 [A.G. Grigoryants, I.N. Shiganov. Laser welding of metals. - M.: Higher School, 1988, 207 p.].
В результате на поверхности субстрата формируется топологический рисунок элемента. Время напыления металлической пленки молибдена указанной ранее толщины, плотность мощности лазерного луча определяются как конструктивными, так и конкретными технологическими параметрами изготавливаемого изделия. Полученное изделие можно использовать как амплитудный оптический элемент, литографический шаблон, а также полуфабрикат для последующего изготовления бинарного оптического элемента.As a result, a topological pattern of the element is formed on the surface of the substrate. The time of deposition of a metal molybdenum film of the previously indicated thickness, the power density of the laser beam are determined by both the structural and specific technological parameters of the manufactured product. The resulting product can be used as an amplitude optical element, lithographic template, as well as a semi-finished product for the subsequent manufacture of a binary optical element.
Пример конкретного выполненияConcrete example
На оптически гладкие подложки из плавленого кварца (марка KB) размером 50×50×3 мм магнетронным способом наносились пленки молибдена толщиной 35-45 нм на установке ″Каролина Д12-А″. Затем подложки структурировались на круговой станции лазерной записи CLWS-200. Длина волны лазерного излучения - 488 нм, режим воздействия непрерывный, диаметр лазерного пятна - 0,5 мкм с гауссовым распределением плотности мощности в сечении. На пленках молибдена определялись кольцевые структуры с периодом 3 мкм. Внешний диаметр структур - 2 мм. Мощность лазерного луча уменьшалась от 100 мВт к 0 с шагом 0,5% для каждого кольца. Для проведенных нами исследований диапазон изменения плотности мощности лазерного излучения E=(0,05…2)·107 Вт/см2. Исследования показали, что минимальная ширина трека (элемента) достигается при плотности мощности излучения 1·107 Вт/см2. Последующее формирование рельефа проводилось на установке ионно-реактивного травления в ICP плазме ″Каролина РЕ15″ с частотой возбуждающего тока 13,56 МГц и мощностью 1 кВт в среде CF4 при следующих условиях: расход CF4 - 3 л/час, мощность, подводимая к ICP источнику - 400 Вт, мощность, подводимая к столику с субстратом - 150 Вт, продолжительность травления - 10 мин.On the optically smooth fused silica substrates (KB grade) of size 50 × 50 × 3 mm, molybdenum films 35-45 nm thick were deposited by the magnetron method on a Carolina D12-A installation. Substrates were then structured at a CLWS-200 circular laser recording station. The wavelength of the laser radiation is 488 nm, the exposure mode is continuous, the diameter of the laser spot is 0.5 μm with a Gaussian distribution of the power density in the cross section. Ring structures with a period of 3 μm were determined on molybdenum films. The outer diameter of the structures is 2 mm. The laser beam power decreased from 100 mW to 0 in increments of 0.5% for each ring. For our studies, the range of variation of the power density of the laser radiation E = (0.05 ... 2) · 10 7 W / cm 2 . Studies have shown that the minimum width of the track (element) is achieved when the radiation power density of 1 · 10 7 W / cm 2 . Subsequent formation of the relief was carried out on an ion-reactive etching unit in an ICP plasma “Carolina PE15 ″ with an excitation current frequency of 13.56 MHz and a power of 1 kW in CF 4 medium under the following conditions: CF 4 consumption - 3 l / h, power supplied to ICP source - 400 W, power supplied to the table with the substrate - 150 W, etching time - 10 min.
На фиг. 1 представлен снимок поверхности пленки молибдена после лазерной записи.In FIG. 1 is a snapshot of the surface of a molybdenum film after laser recording.
На фиг. 2 - сечение (профиль) бинарного рельефа, сформированного с применением молибденовой маски.In FIG. 2 is a section (profile) of a binary relief formed using a molybdenum mask.
Измерения параметров микрорельефа проводились на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) Solver-pro и сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Supra 25 фирмы Karl Zeiss.The microrelief parameters were measured on a Solver-pro scanning probe microscope (SPM) and a Karl Zeiss scanning electron microscope (SEM) Supra 25.
В результате были получены кольцевые структуры с минимальной шириной линии 250-300 нм и глубиной, превышающей 100 нм.As a result, ring structures with a minimum line width of 250-300 nm and a depth exceeding 100 nm were obtained.
Способ позволяет прямым воздействием формировать маску на поверхности субстрата, сократить количество операций и тем самым снизить время технологического цикла и себестоимость изготовления ДОЭ.The method allows direct exposure to form a mask on the surface of the substrate, reduce the number of operations and thereby reduce the time of the technological cycle and the cost of manufacturing DOE.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013127328/28A RU2556313C2 (en) | 2013-06-14 | 2013-06-14 | Fabrication of amplitude diffraction optical elements and masks for production of phase structures |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013127328/28A RU2556313C2 (en) | 2013-06-14 | 2013-06-14 | Fabrication of amplitude diffraction optical elements and masks for production of phase structures |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013127328A RU2013127328A (en) | 2014-12-20 |
RU2556313C2 true RU2556313C2 (en) | 2015-07-10 |
Family
ID=53278254
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013127328/28A RU2556313C2 (en) | 2013-06-14 | 2013-06-14 | Fabrication of amplitude diffraction optical elements and masks for production of phase structures |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2556313C2 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1280560A1 (en) * | 1985-10-22 | 1986-12-30 | Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР | Method of manufacturing diffraction optical elements |
DE19544295A1 (en) * | 1995-11-28 | 1997-06-05 | Zeiss Carl Jena Gmbh | Production of structures within a submicron range e.g. grating |
US6268113B1 (en) * | 1998-04-30 | 2001-07-31 | Eastman Kodak Company | Antireflection direct write lithographic printing plates |
-
2013
- 2013-06-14 RU RU2013127328/28A patent/RU2556313C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1280560A1 (en) * | 1985-10-22 | 1986-12-30 | Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР | Method of manufacturing diffraction optical elements |
DE19544295A1 (en) * | 1995-11-28 | 1997-06-05 | Zeiss Carl Jena Gmbh | Production of structures within a submicron range e.g. grating |
US6268113B1 (en) * | 1998-04-30 | 2001-07-31 | Eastman Kodak Company | Antireflection direct write lithographic printing plates |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
G. HEISE и др. "Laser ablation of thin molybdenum films on transparent substrates at low fluences", APPLIED PHYSICS A, т.102, N 1, 2011, стр.173-178 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013127328A (en) | 2014-12-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Lei et al. | Ultrafast laser applications in manufacturing processes: A state-of-the-art review | |
Fuentes-Edfuf et al. | Surface plasmon polaritons on rough metal surfaces: Role in the formation of laser-induced periodic surface structures | |
TWI692457B (en) | Method for introducing at least one recess into a material by means of electromagnetic radiation and a subsequent etching process | |
Slepička et al. | Angle dependent laser nanopatterning of poly (ethylene terephthalate) surfaces | |
Voisiat et al. | Band-pass filters for THz spectral range fabricated by laser ablation | |
JP2006212646A (en) | Method for preparing periodic structure | |
Shirk et al. | Ultra-short pulsed laser ablation of highly oriented pyrolytic graphite | |
Kumar et al. | Laser machining of micro-notches for fatigue life | |
Liu et al. | Photoetching of spherical microlenses on glasses using a femtosecond laser | |
Kostyuk et al. | Laser microplasma as a tool to fabricate phase grating applied for laser beam splitting | |
Venkatakrishnan et al. | Sub-micron ablation of metallic thin film by femtosecond pulse laser | |
Chang et al. | Sapphire surface patterning using femtosecond laser micromachining | |
Chen et al. | Review on laser-induced etching processing technology for transparent hard and brittle materials | |
Jiao et al. | Refining femtosecond laser induced periodical surface structures with liquid assist | |
Durbach et al. | Generation of 2D-arrays of anisotropically shaped nanoparticles by nanosecond laser-induced periodic surface patterning | |
Cheng et al. | Micromachining of stainless steel with controllable ablation depth using femtosecond laser pulses | |
Anghel et al. | Femtosecond laser ablation of TiO2 films for two-dimensional photonic crystals | |
Fowlkes et al. | Parallel assembly of particles and wires on substrates by dictating instability evolution in liquid metal films | |
Wang et al. | Control of microstructure shape and morphology in femtosecond laser ablation of imprint rollers | |
Ji et al. | High-precision micro-through-hole array in quartz glass machined by infrared picosecond laser | |
RU2556313C2 (en) | Fabrication of amplitude diffraction optical elements and masks for production of phase structures | |
Lai et al. | Laser-induced surface structures at polymer surfaces irradiated by ns-UV-laser in water confinement and in air | |
Petrović et al. | Femtosecond laser processing of NiPd single and 5x (Ni/Pd) multilayer thin films | |
Chkalov et al. | Femtosecond laser micromachining of thin-film coatings in a high-voltage electrostatic field | |
Gedvilas et al. | Formation of gratings by self-organization of the chromium thin film on the glass substrate under irradiation with laser pulses |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190615 |