Получение глубокого фазового профиля в аморфных слоях халькогенидных стеклообразных полупроводников

УДК 681.7: 535.4

В.И. Наливайко, А.Н. Покровский

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск

ПОЛУЧЕНИЕ ГЛУБОКОГО ФАЗОВОГО ПРОФИЛЯ В АМОРФНЫХ СЛОЯХ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Исследованы процессы гравирования сфокусированным лазерным лучом поверхности аморфных слоев халькогенидных полупроводников для получения глубокого фазового рельефа. Получены характеристические зависимости интенсивности лазерного излучения для пороговой записи и записи рельефа на заданную глубину от расстояния до центра образца. Полученная методом оптического гравирования глубина рельефа в 3X (X = 0,55 мкм) гарантированно создает предпосылки для создания дифракционных структур первого порядка дифракции для ближнего ИК диапазона (X = 1,6 мкм).

V.I. Nalivaiko, A.N. Pokrovsky

Institute of Automation and Electrometry SB RAS

1 Koptug str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

FABRICATION OF DEEP PHASE RELIEF IN AMORPHOUS LAYERS OF CHALCOGENIDE VITREOUS SEMICONDUCTORS

Engraving processes of amorphous layer surface by focused laser beam for fabrication of deep phase relief are investigated. Characteristic dependences of laser radiation intensity for threshold record and relief record on set depth from distance to center of the sample are received. Method of optical engraving with depth of relief equal to 3 X (X = 0,55 ^m) create preconditions for creation of first order diffraction structures for near IR radiation range (X = 1,6 ^m).

Работы проводились с целью исследования процессов гравирования сфокусированным лазерным лучом (прямая запись) поверхности аморфных слоев халькогенидных полупроводников для получения глубокого фазового рельефа.

В качестве регистрирующих слоев применялись напыленные в вакууме слои составов As2S3 и As2Se3 толщиной 1 - 5 мкм на полированные плоские подложки из оптического стекла марки К-8. Ранее проведенные нами исследования структуры показали, что свеженапыленные халькогенидные слои являются наноструктурированными с размерами кластеров 0,5 - 0,6 нм [1 - 5]. Получение слоев в условиях низкой скорости напыления позволило увеличить степень их наноструктурированости и в два раза расширить динамический диапазон изменения показателя преломления слоев до величины An = 0,2. Наноструктурированное строение слоев позволило сделать предположение о

возможности получения рельефа оптического качества на их поверхности с помощью сфокусированного лазерного луча.

В настоящее время лазерные фотопостроители, на которых можно проводить гравирование, получили широкое распространение на территории Российской Федерации: в ИАЭ СО РАН и КТИ НП СО РАН (г. Новосибирск), в Аэрокосмическом университете (г. Самара), в НПО «Геофизика» (г. Москва) и Уральском Оптико-механическом заводе (г. Екатеринбург). Новая технология оптического гравирования халькогенидных слоев может оказаться востребованной при изготовлении дифракционной оптики, например, для инфракрасного (ИК) диапазона (X = 0,8 - 12 мкм), в котором халькогенидные слои имеют малое поглощение.

Работы выполнялись на лазерном фотопостроителе (рис. 1) совместно с сотрудниками КТИ НП СО РАН [6].

Рис. 1. Лазерный фотопостроитель

Лазерный луч (X = 0,48 мкм) с помощью двух последовательно установленных акусто-оптических модуляторов управлялся по длительности и интенсивности излучения, обеспечивая формирование окружностей или дуг заданной длины в регистрирующем материале. Микрообъектив фокусировал лазерное излучение в плоскости регистрирующего материала посредством системы автофокусировки. Позиционирование микрообъектива вдоль радиального направления подложки с регистрирующим материалом осуществлялось с помощью линейного двигателя с точностью не менее 0,1 мкм. Подложки с регистрирующим материалом удерживались на вращающемся столе с помощью вакуума (рис. 2). Скорость вращения стола фотопостроителя

во время экспериментов составляла 10 оборотов в секунду. Контроль положения микрообъектива осуществлялся с помощью лазерного интерферометра. Управление работой фотопостроителя проводилось в автоматическом режиме с помощью программы от ЭВМ.

Рис. 2. Подложка из оксидного стекла с регистрирующим слоем халькогенидного стекла As2Sз на рабочем столе фотопостроителя

Для регистрирующих материалов необходимо получить семейство характеристических кривых - зависимости интенсивности лазерного излучения для пороговой записи и записи рельефа на заданную глубину от расстояния до центра. Интенсивность записывающего лазерного излучения, ранее настроенная для записи по хромовым (Сг) слоям, оказалась слишком велика. Поэтому для уменьшения интенсивности в оптическом канале записи после акусто-оптического модулятора устанавливались оптические фильтры с пропусканием 20% или 1% (для слоев As2Sз и As2Sез, соответственно). Слои состава As2Seз имеют больший коэффициент поглощения на X = 0,48 мкм по сравнению со слоями состава As2Sз, поэтому пороговая запись для них начиналась при несколько меньшей интенсивности записывающего луча.

Тестовые круговые дорожки записывались для каждого радиуса в виде 20 концентрических окружностей с шагом 5мкм (рис. 3). При этом интенсивность лазерного луча плавно увеличивалась от 0 до максимальной величины. Позиционирование лазерного луча относительно регистрирующего слоя проводилось от периферии к центру подложки. Выброс вещества регистрирующего слоя в этом случае уносился центробежной силой к периферии подложки и не мешал проведению записи на чистой поверхности слоев. При таком режиме автофокус записывающего объектива стабильно

удерживался до окончания процесса оптической гравировки. Центрирующие окружности при нахождении центра вращения подложки с регистрирующим слоем относительно записывающего луча, в отличие от случая записи по Сг слоям, не только видны в микроскоп записи, но и считываются фотоприемником. Это позволяло визуально контролировать центр вращения подложки с регистрирующим слоем и с высокой точностью (0,1 мкм) выставлять его перед началом записи.

Рис. 3. Тестовые круговые дорожки, записанные в халькогенидных слоях на

Контроль глубины дорожек после записи проводился с помощью интерференционных микроскопов в проходящем и отраженном свете.

Характер полученных характеристических кривых оказался подобным кривым для записи по Сг слоям. Отличие состояло в пониженной на порядок по величине требуемой интенсивности (от 2 до 15 мВт). Почти линейная зависимости от интенсивности для больших радиусов окружностей (от 1 до 10 мм) становится нелинейно спадающей кривой при уменьшении радиуса от 1 мм к центру (рис. 4).

Чтобы иметь представление о ширине зон, которые нам необходимо получить в процессе отработки технологии гравирования, была проведена оценка ширин зон фазовой пластинки Френеля для крайнего случая - ИК излучения с X = 10 мкм. Пластинка Френеля со световым диаметром D = 20 мм и фокусным расстоянием F = 100 мм имеет следующие параметры: радиус первой зоны Френеля - 1 мм, ширина второй зоны - 414 мкм, количество зон - 100, ширина крайней зоны - 50 мкм, площадь зон - 3,14 мм , дифракционное

разрешение - 50 мкм.

Эксперименты по записи фрагментов зон проводились с последовательным увеличением глубины фазового рельефа. Были записаны треугольные зоны шириной 30 и 60 мкм и оптической глубиной в проходящем свете, равной 2Х (X = 550 нм). Условия записи: толщина пленки As2Sз составляла 5 мкм, диаметр

различных радиусах

сфокусированного луча в плоскости регистрирующего материала - 1 мкм, шаг позиционирования лазерного луча - 0.5 мкм, максимальная мощность лазерного луча на регистрирующем материале - 12,2 мВт.

О 123456789 10

Радиус окружности, мм

» » • « Появление рельефа при оптическом гравировании

Рис. 4. Характеристическая кривая халькогенидного слоя As2Sез толщиной 1 мкм для уровня интенсивности записывающего лазерного луча, соответствующего появлению рельефа на поверхности слоя глубиной 0,1 X (X =

0,55 мкм).

Были проведены две записи шириной 2мм на диаметрах 12 - 10 мм и 9 - 7 мм (рис. 5).

Оптическая глубина зоны Ь— п*Ь — 1.1 мкм

Рис. 5. Фазовый профиль зон в слое AS2Sз, полученный оптическим

гравированием.

После кратковременного травления поверхность становилась оптически чистой, оптическая глубина составляла 2 X, геометрическая глубина - 0.44 мкм.

Технологической особенностью процесса оптического гравирования сфокусированным лазерным лучом являлось появление на границах зон так называемые «бордюров», которые искажали треугольный профиль и приводили к «паразитному» рассеянию света.

После коррекции уровня мощности излучения, соответствующего началу зоны и пороговой интенсивности записи, был получен линейный пилообразный профиль зоны (рис. 6).

Рис. 6. Интерферограмма в проходящем свете (X = 0.55мкм) фрагмента фазовой решетки с треугольным профилем штриха глубиной 2 X

Формирование рельефа происходит с взрывным выбросом материала и образованием бордюров на границах зон, которые убираются последующим «мокрым» полирующим травлением пленки с образование гладкой поверхности рельефа.

На рис. 7 представлены изображение (а) и интерферограмма (б) поверхности пленки в отраженном свете после записи (шаг позиционирования -

0,5 мкм) с помощью лазерного луча с линейно нарастающей мощностью для получения характеристической кривой регистрирующего материала на радиусе окружности 14 мм.

После коррекции уровня мощности излучения, соответствующего началу зоны и пороговой интенсивности записи, был получен линейный пилообразный профиль зоны (рис. 7в) глубиной до АХ в проходящем свете.

Тестовые записи более широких зон (600 - 800 мкм) проводились с целью получения методом лазерного гравирования треугольного профиля 3Х (Х=0,55 мкм) и более высокого качества получаемой поверхности этого профиля.

Рис. 7. Оптическое изображение (а) и интерферограммы рельфа поверхности пленки (б) и (в) записей глубокого пилообразного профиля в пленке As2Sз,

полученного методом прямой записи.

Были проведены записи фрагментов круговых зон (1 - 5 зон) с треугольным профилем и радиусами 1 - 10 мм. Для сглаживания «бордюров» на границах зон предложены режимы записи с перекрытием зон на 1- 8 мкм и шагом позиционирования 0,5 мкм. Экспериментально показано, что такой режим записи позволяет существенно уменьшить высоту «бордюров» и получать треугольный профиль требуемой формы.

Далее было проведено исследование по выбору шага позиционирования записывающего луча по поверхности регистрирующего слоя с целью получения оптически гладкой поверхности гипотенузы треугольной зоны. Величина шага позиционирования варьировалась от 1 до 0.1 мкм. При большом шаге позиционирования (1 мкм) на поверхности регистрирующего материала видны следы лазерного луча, диаметр которого d = 1 мкм.

При шаге 0.5 мкм качество получаемой поверхности гипотенузы треугольника получается удовлетворительным. При малом шаге (0.1 мкм) вследствие большого перекрытия дорожек записывающего луча качество гравированной зоны получается отличным (следы дорожек не наблюдаются с помощью оптического микроскопа с увеличением 1000х), однако время записи зон увеличивается, соответственно, в 5 и 10 раз.

Получены фрагменты из 1 - 5 зон глубиной 3Х ( X = 550 нм) в проходящем свете вполне приличного оптического качества. Это позволило приступить к отработке технологии записи элементов в халькогенидных слоях с большим числом зон - зонных пластин Френеля диаметром 7 мм (рис. 8).

Учитывая перспективу применения дифракционной оптики в ИК диапазоне, достигнутое качество тестовых записей на халькогенидных слоях убедительно свидетельствует о необходимости дальнейшего развития этого направления.

Рис. 8. Тестовые записи в халькогенидном слое As2S3 дуг и зонных пластинок с

глубиной фазового рельефа ЭХ

Выводы

1. Чувствительность халькогенидных слоев к записи методом оптического гравирования, по крайней мере, на порядок выше, чем для технологии на основе Сг покрытий, что позволяет использовать для записи малогабаритные полупроводниковые лазерные источники излучения.

2. Качество поверхности получаемого рельефа на халькогенидных слоях удовлетворяет требованиям к изготовлению дифракционной оптики для ИК диапазона.

3. Полученная методом оптического гравирования глубина рельефа в ЭХ (Х = 0,55 мкм) гарантированно создает предпосылки для создания дифракционных структур первого порядка дифракции для ближнего ИК дипазона (Х = 1,6 мкм).

4. Запись методом оптического гравирования более глубокого фазового рельефа на халькогенидных слоях возможна и требует проведения дальнейших исследований.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Nalivaiko, V. I., Pokrovsky, A. N. Photostrnctural Transformations in Chalcogenide Films [Текст] / V. I. Nalivaiko, A. N. Pokrovsky // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. - 2010. - Vol. 4. - No. 4. -P. 662-665.

2. Наливайко, В.И., Покровский, А.Н. Фотоструктурные трансформации в халькогенидных пленках [Текст] / В.И. Наливайко, А.Н. Покровский // Ж. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2010. - № 8, - С. 48-51.

3. Наливайко, В.И. Молекулярная модель фототрансформации структуры халькогенидных слоев [Текст] / В.И. Наливайко // Труды VI Международной выставки и Научного Конгресса “ГЕО-Сибирь-2010”. - 19 - 29 апреля - СГГА -Новосибирск - 2010 - Т. 5 - Ч. 2 - С. 4Э-50.

4. Покровский А.Н., Наливайко В.И.. Новые функциональные свойства наноструктурированых аморфных слоев халькогенидных полупроводников [Текст] / В.И. Наливайко, А.Н. Покровский // Фотоника и оптические технологии. Материалы молодежной конкурс-конференции. - Новосибирск -ИАиЭ СО РАН5- 2010 - С. 62.

5. Mikhal ^епкю, A.A., Karlov, E.V., Kuzmin, V.I., Nalivaiko, V.I., Chubakov, P.A. Dеtеrmination of tеmpеraturе of low-tеmреraturе plasma flow basеd on relate Меші^ of N2+/N2 nitrogеn modular еmission [Англ] / A.A. Mikhal ^епкю, E.V. Kartaеv , V.I. Kuz min, V.I. Nalivaiko, P.A. Chubakov // Abstraes of International ^nferen^ on the Methods of Аerophysiсаl Research. - Part 1 - Novosibirsk - Рarallеl - 2010. - P. 181-182.

6. Kiryanov, V.P. Laser Setup for Flat Optical Components with Submicron Resolution. [Англ] / V.P. Kiryanov // Proc. SPIE. Laser Application Engineering (LAE-96). - 1997. - V. 3091. - P. 66.

© В.И. Наливайко, А.Н. Покровский, 2011