СПОСОБ ПРЯМОЙ ЛАЗЕРНОЙ ЗАПИСИ КИНОФОРМНЫХ ЛИНЗ В ТОЛСТЫХ СЛОЯХ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ТИПА ФОТОРЕЗИСТОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR DIRECT LASER WRITING OF KINOFORM LENSES IN THICK LAYERS OF PHOTORESIST-TYPE PHOTOSENSITIVE MATERIALS (VERSIONS)

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано при прямой записи оптических дифракционных элементов в толстых слоях фоточувствительных материалов типа фоторезистов с помощью лазерных генераторов изображений.
Известно, что среди прочих дифракционных элементов киноформные оптические элементы позволяют с наибольшей эффективностью преобразовывать заданным образом входное излучение. Так, киноформные линзы позволяют до 95…98% входного излучения концентрировать в фокальной точке. Однако, на практике, когда фазовый профиль таких элементов создается с помощью лазерных технологий (см. В.П. Коронкевич, В.П. Корольков, А.Г. Полещук «Лазерные технологии в дифракционной оптике», «Автометрия», №6, 1998 г., с.5) дифракционная эффективность созданных киноформных линз значительно меньше указанных 95…98%.
Одной из существенных причин уменьшения дифракционной эффективности киноформных линз, сформированных с помощью лазерных технологий, является наличие достаточно протяженных обратных скатов фазового профиля зон, которые рассеивают излучение в нерабочем направлении и, тем самым, ухудшают дифракционную эффективность созданных оптических элементов. Отрицательный эффект действия протяженных обратных скатов фазового профиля зон демонстрируется на фиг.1.
На этом рисунке показано, что лучи 1 направляются рабочими скатами зон Френеля в направлении фокуса линзы, а лучи 2, за счет действия эффекта полного внутреннего отражения от обратных скатов зон, отбрасываются ими в нерабочем направлении.
Среди лазерных технологий формирования киноформных линз известно несколько типов технологий. Среди них известны, например, проекционные технологии на основе использования растрированного фотошаблона (А.Г.Полещук «Изготовление рельефно-фазовых структур с непрерывным и много уровневым профилем для дифракционной оптики», «Автометрия», №1, 1992 г., с.66). Дифракционная эффективность киноформных линз, изготовленных по данной технологии, лежит в диапазоне 80%. Другая разновидность подобной технологии, предполагающая изготовление киноформных линз с помощью растрированных рентгеношаблонов, позволяет получать образцы с глубоким профилем, в т.ч. и на изогнутых поверхностях. Однако полученные на основе и этой разновидности технологии фазовые профили также характеризовались значительной протяженностью обратных скатов зон. Так, при периоде зоны, равном 50 мкм, протяженность обратных скатов зон составляла 10 мкм (О.А. Makarov, Z. Chen, A.A. Krasnoperova et al. "A new application for X-ray lithography: fabrication of blazed dijfractive optical elements with a deep phase profile", Proc. SPIE, 1996, 2723, p.261) Приведенные цифры однозначно указывают на значительные (≈20%) потери излучения за счет влияния обратных скатов.
Близкими значениями дифракционной эффективности обладают образцы киноформных линз, сформированные с помощью технологии прямой лазерной записи в специальных LDW-стеклах (LDW-laser direct writing, стекла для прямой лазерной записи). (В.П. Корольков, А.И. Малышев, В.Г. Никитин, А.Г. Полещук, A.A. Харисов, В.В. Черкашин, Ч. Ву, «Полутоновые фотошаблоны на основе LDW-стекол», «Автометрия», №6, 1998 г., с.27). Для образцов линз, изготовленных с помощью данной технологии, отмечается, что в центре линзы дифракционная эффективность достигает 95%, а на периферии - снижается до 80%. Во многом подобное поведение эффективности преобразования излучения объясняется постоянством потерь на обратных скатах, величина которых остается одинаковой для всех областей линзы, а число зон (а следовательно, и число обратных скатов) на периферии растет за счет уменьшения абсолютного размера рабочих склонов. Это указывает на необходимость снижения потерь за счет уменьшения протяженности обратных скатов зон. Здесь же отмечается, что по абсолютной величине протяженность обратных скатов зон равна половине ширины следа взаимодействия лазерного излучения с регистрирующим материалом, имеющего максимальную глубину.
Подобные соотношения справедливы и для других известных технологий прямого формирования фазовых профилей в толстых слоях регистрирующих материалов (в т.ч. и в фоторезистах), реализуемых с помощью специальных генераторов изображений, работающих как декартовой, так и полярной системе координат. Толстыми слоями здесь и далее будут считаться слои материала, толщина h которых в несколько раз превышает длину волны излучения, используемого для его модификации.
Целью предлагаемого изобретения является повышение дифракционной эффективности киноформных линз за счет снижения потерь на обратных скатах зон киноформных линз, путем увеличения крутизны формируемых скатов практически до их предельного значения.
В качестве прототипа рассмотрим известный способ записи дифракционных оптических элементов с помощью специального генератора изображений, например, работающего в декартовой системе координат (см. электронный ресурс: WWW.himt.de - Проспект фирмы "Heidelberg Instruments "(Германия) "Laser Lithography System DWL 66fs"). В соответствии с известным способом прямой лазерной записи оптических дифракционных элементов в толстых слоях фоточувствительных материалов типа фоторезистов излучение лазера фокусируется с помощью объектива на поверхности фоточувствительного слоя, перемещаемого по заданной траектории. Как правило, резисты обладают достаточной прозрачностью для используемого излучения, что обеспечивает прохождение излучения внутрь слоя. В результате этого упомянутый слой в области, где распространяется лазерное излучение, экспонируется. Экспонирование приводит к модификации характеристик слоя. Эти изменения зависят от типа слоя. Так, фоторезисты позитивного типа под воздействием излучения становятся нечувствительными к некоторым видам травителей, которые легко удаляют ту часть резиста, которая не подверглась воздействию данного излучения. И наоборот, фоторезисты негативного типа, подвергшиеся облучению, становятся легко растворимыми в некоторых травителях, по сравнению в той частью резиста, которая не подверглась облучению. При этом скорость травления резистов пропорциональна поглощенной дозе излучения. Степень различия скоростей травления облученной и необлученной части резиста характеризуется специальным показателем, называемым контрастностью резиста. Управляя уровнем мощности излучения, подводимой к локальной области резиста, производят регулирование глубины следа взаимодействия, выявляемого в результате последующего травления резиста.
При работе упомянутый технологический комплекс "Laser Lithography System DWL 66fs" использует один из пяти объективов, поставляемых с комплексом, который устанавливается перед началом записи элемента и не меняется в течение всего сеанса. Параметры лазерного пучка сохраняются неизменными для всех типов рабочих объективов. В Табл. 1 приведены данные на эти объективы.
Пусть в стекле с показателем преломления n=1,5 должна быть изготовлена киноформная линза с фокусным расстоянием F=120 мм для фокусировки излучения в ближнем ПК-диапазоне (например, λ=1,0 мкм) в проходящем свете.
Табл.1
Характеристики рабочих объективов комплекса "Laser Lithography System DWL 66fs"
Диаметр объектива, мм
2
4
10
20
40
Минимальный диаметр пятна записи, мкм
0,6
1,0
2,5
5,0
10,0
Рекомендуемый шаг записи, нм
20
40
100
200
400
Глубина фокусировки, мкм
0,6
1,7
8,0
35,0
140
Диапазон изменений ширины зон Френеля такой линзы будет находиться в пределах от 1.1 мкм до 4,9 мм, а геометрическая глубина фазового профиля в стекле для данной длины волны должна быть порядка 0,63 мкм.
g
Если в генераторе изображений используется гелий-кадмиевый лазер с выходным излучением в УФ области на длине 325 нм, то его выходное излучение в поперечном сечении характеризуется гауссовым распределением. Характер распределения интенсивности излучения I(x, y, z) гауссовых пучков в окрестностях точки фокусировки можно представить выражением:
,
где Р - мощность излучения,
- радиус пучка за пределами фокальной плоскости,
- радиус пятна в точке фокусировки. Здесь f - фокусное расстояние объектива, R - радиус пучка излучения на входе объектива. Особо нас интересует та часть поперечного сечения пучка, в которой плотность мощности достигает некоторого порогового значения, при котором происходит модификация свойств фоторезиста (говоря иначе, происходит его засвечивание или экспозиция). По мере удаления по обе стороны от фокальной плоскости объектива происходит увеличение поперечного сечения пучка (см. фиг.2, где контурные линии характеризуют характер изменений текущего диаметра поперечного сечения пучка) и, в связи с этим, происходит довольно быстрое уменьшение той части поперечного сечения, в котором сохраняются условия для экспонирования фоторезиста. Совокупность областей, в которых обеспечиваются условия экспонирования фоторезиста, получила название экспонирующего эллипсоида. В случае, если фокусировка производится на поверхность фоторезиста, то имеет место вырожденный вариант эллипсоида в виде экспонирующего конуса (или экспонирующего колокола).
На фиг.2 (сплошными линиями) приведены результаты расчета возникающего профиля следа взаимодействия лазерного УФ-излучения с длиной волны λ=0,325 мкм с фоточувствительным материалом при соотношении F/R=40 при различных скоростях движения слоя (см. S. Maruo, K. Jkuta, "Submicron stereo-lithography for the production of freely moveable mechanismsby using single-photonpolymerization", "Sensors and Actuators", 2002, vol.100, p.70-76). Данные результаты расчета могут быть поставлены в соответствие случаю использования в "Laser Lithography System DWL 66 fs" объектива №5 (Табл. 1). При использовании таких объективов на скоростях движения слоя порядка 50 мкм/с происходит формирование треугольной (в поперечном сечении) дорожки, шириной около 4-х микрон и глубиной - порядка 5 мкм. Крутизна скатов в среднем составляет 58°. Нетрудно заметить, что для поставленной выше задачи формирования высокоэффективной киноформной линзы необходимо применить более подходящие объективы, например, объектив №2 (см. Табл.1), для которого обеспечивается входная апертура, равная 4 мм. При диаметре лазерного луча, равном 2 мм, этот объектив в фокальной плоскости даст дорожку, шириной порядка 1,0 мкм. Дальнейший ход излучения в среде обеспечивает экспонирование резиста на глубину, порядка 1,7 мкм. Т.е. параметры объектива позволяют ожидать после травления формирование стенок канавок с крутизной порядка 76°. Но для анализируемой линзы необходимо уменьшение глубины дорожки до требуемых 0,63 мкм. Как следует из анализа кривых рис.2, в этом случае уменьшение дозы облучения приведет к уменьшению крутизны скатов до 66°. А это повлечет уменьшение дифракционной эффективности до 85%. Т.е. для традиционных способов прямой лазерной записи фазовых профилей киноформных линз имеются существенные затруднения в части улучшения их дифракционной эффективности.
В настоящем изобретении повышение дифракционной эффективности достигается за счет снижения потерь на обратных скатах зон киноформных линз, путем увеличения крутизны формируемых скатов практически до их предельного значения.
Для этого излучение лазера перед входом в фокусирующий объектив коллимируют в параллельный пучок, диаметром менее входной апертуры упомянутого объектива и смещают параллельно оптической оси на величину, при которой одна из образующих продольного сечения экспонирующего конуса излучения в слое фоторезиста становится параллельной оптической оси фокусирующего объектива, при этом в ряде случаев между выходной линзой фокусирующего объектива и поверхностью фоточувствительного слоя вводят иммерсионную жидкость, например, дистиллированную воду.
Действие всей совокупности технологических процедур, составляющих основу предлагаемого способа записи, рассмотрим на примере установки, представленной на фиг.3. Выходное излучение лазера 1 с помощью коллиматора 2 преобразуют в параллельный пучок 3, диаметром менее входной апертуры 5 фокусирующего объектива бис помощью поворотного зеркала 4 смещают параллельно оптической оси объектива на величину, при которой одна из образующих продольного сечения экспонирующего конуса излучения в слое фоторезиста 8 становится параллельной оптической оси фокусирующего объектива, при этом между выходной линзой объектива и поверхностью фоторезиста вводят иммерсионную жидкость, например, дистиллированную воду 7.
Профиль канавки, сформированной в фоторезисте при его смещении вдоль координаты Х в соответствии с предлагаемым способом записи, приведен на фиг.4.
в
Величина смещения определяется характеристиками фокусирующего объектива 5 и фоторезиста 8. Пусть, как и в анализируемом выше случае использования объектива №2, отношение диаметра лазерного излучения и входного диаметра объектива составят 0,5. Как упоминалось выше, при ширине канавки в фоторезисте, равной 1,0 мкм, и глубине - 1,7 мкм угол наклона образующей экспонирующего конуса составит 76° относительно поверхности фоторезиста или 14° - относительно оптической оси объектива. Для того, чтобы одна из образующих экспонирующего конуса распространялась в фоторезисте отвесно, т.е. параллельно оптической оси объектива, необходимо, чтобы оптическая ось лазерного излучения распространялась в фоторезисте под углом 14° относительно оптической оси объектива. Если в качестве регистрирующей среды используется фоторезист, например, типа SU 8, то на этой длине волны он имеет показатель преломления, равный 1,67. Чтобы оптическая ось пучка лазерного излучения распространялась в фоторезисте под углом 14°, необходимо непосредственно перед входом в фоторезист из воздушной среды иметь угол наклона оси пучка α, равный 23,8°. Данное значение угла наклона оптической оси луча на входе в регистрирующую среду определяется, исходя из соотношения Снеллиуса (см. стр.96, А.Н. Матвеев, «Оптика», М. «Высшая школа», 1985, с.351):
в
ср
ср
. Откуда α=arcsin(n·sinα)
ср
ср
в
дв
в
ср
где α=14°, n=1,67 и n=1,0 - показатель преломления воздуха. При рабочем отрезке объектива, равном 0,4 мм, этот угол обеспечивается, если в пределах выходной линзы объектива ось пучка будет смещена на 0,17 мм. При диаметре выходной линзы объектива более 1 мм это значение смещения вполне допустимо. Однако, если потребуется скомпенсировать завалы обратного ската зон порядка 65°…66°, то потребуется смещать ось луча на 0,4 мм. Подобное смещение оси луча неизбежно вызовет значительное виньетирование периферийных областей пучка, что является недопустимым. В подобных случаях для устранения эффекта виньетирования в промежуток между выходной линзой объектива и поверхностью фоторезиста необходимо ввести иммерсионную жидкость 7, например, дистиллированную воду, имеющую на этой длине волны показатель преломления n=1,47. В этом случае требуемое смещение оси пучка на выходной линзе объектива составит: d=0,25 мм, что вполне допустимо. Это условие обеспечивается с помощью зеркала 4 путем параллельного смещения на входе объектива оси пучка на 1.0 мм относительно оптической оси. При смещении зеркала 4 на 1 мм вправо относительно оптической оси объектива отраженная от него часть излучения лазера также смещается в пространстве вправо на 1 мм, в результате в точку фокусировки ось излучения будет приходить под углом α, а после фокальной плоскости (в среде фоторезиста) - под углом α, в результате чего левая образующая экспонирующего конуса будет ориентирована отвесно относительно поверхности фоторезиста. Это позволит формировать практически идеальные треугольные профили зон положительных киноформных линз и свести к минимуму потери на обратных скатах зон киноформных линз, синтезируемых с помощью прямой лазерной записи. Для записи отрицательных киноформных линз зеркало 4 должно быть смещено влево на ту же величину (на фиг.4 представлено прерывистой линией).