Формирование микрорельефа ДОЭ с использованием халькогенидных стеклообразных полупроводников

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА ДОЭ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

А.В. Волков, Н.Л. Казанский, Г.Ф. Костюк, С.А. Костюкевич , П.Е. Шепелявый Институт систем обработки изображений РАН,

Институт физики полупроводников Национальной Академии Наук Украины*.

Особое внимание специалистов в области дифракционной оптики привлекают технологии формирования микрорельефа, основанные на достижениях и оборудовании микроэлектроники [1]. Определяющими в таком выборе являются следующие основные факторы:

- близость геометрических размеров ДОЭ и микросхем;

- близость требуемых характеристик пространственного разрешения;

- высокий уровень автоматизации микроэлектронного оборудования и возможность реализации на нем сложных топологий зон;

- возможность получения многих градаций фазового микрорельефа;

- наличие множества технологических участков микроэлектроники и возможность аренды оборудования;

- высокая степень надежности технологических автоматов и повторяемость результатов;

- возможность использования материалов, имеющихся в микроэлектронике (субстраты, резисты и т. п.);

- наличие автоматизированных средств контроля результата.

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 рабо-

ты 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 работы ДОЭ. Например, возможные границы пространственного разрешения дифракционной решетки могут лежать в пределах от

0,25 мм-1 в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах и до 1200 мм-1 в ультрафиолетовом.

В настоящее время для формирования дифракционного микрорельефа апробировано и отлажено множество технологий с использованием самых разнообразных (физически, химически, механически) активных сред: фокусируемых электронных и ионных пучков, газов, кислот, резистов, полимерных композиций, алмазных резцов. При этом разные технологии требуют создания разных шаблонов: наборов бинарных фотомасок для фоторезистов и фотолитографии, полутоновых фотошаблонов для жидких фотополимеризующихся композиций (ЖФПК) и отбеливания желатины, тонкомембранной пленки для рентгеновской литографии или маски-трафарета для использования ионнолучевой литографии. При использовании полутоновых шаблонов и соответствующих технологий формирование кусочно-непрерывного микрорельефа происходит в один этап. При использовании набора бинарных шаблонов и соответствующих «бинарно -активных» сред для получения многоуровневого рельефа этот процесс, приходится повторять несколько раз, перебирая по очереди все шаблоны из набора.

Методы формирования микрорельефа ДОЭ, освоенные в ИСОИ РАН, представлены в таблице 1.

Таблица1

Метод Материалы Высота ступеньки

Жидкостное травление Стекло 0,1-5 мкм

Плазмохимическое травление Стекло, кварц, Si 0,1-5 мкм

Послойное наращивание фоторезиста ФП051, ФП351 0,2-1,5 мкм

Послойное травление тонких пленок Сг, Си, М, №, Ta 0,1-5 мкм

Темновой рост в слоях ЖФПК ЖФПК 1,0-100 мкм

При использовании любого из перечисленных методов, формирование микрорельефа ДОЭ базируется на использовании светочувствительных материалов, разрешающая способность которых не выше 1000 лин./мм.

В настоящей работе представлены результаты формирования микрорельефа с использованием халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП), имеющих разрешения свыше 5000 лин./мм.

К группе халькогенидных стеклообразных полупроводников, или как их иногда называют, халькогенидных стекол, относят бинарные или многокомпонентные халькогениды, т.е. сульфиды, селениды и теллуриды элементов V, IV, и III групп периодической системы элементов. Наиболее типичными бинарными ХСП являются трехсернистый мышьяк As2S3 и трехселенистый мышьяк As2Se3. Вместе с тем к числу ХСП относятся халькогениды фосфора,

мышьяка, сурьмы, висмута, германия, кремния и таллия.

Для формирования дифракционного микрорельефа халькогенидные стеклообразные полупроводники целесообразно использовать в виде пленок и важнейшими из требований предъявляемых к ним является стабильность параметров (воспроизводимость общего состава исходного материала и гомогенность пленки по составу, структура и дисперсность). При этом дисперсность, определяемая технологией получения пленок ХСП, должна быть сведена к минимуму. Из существующих способов нанесения пленок - термическое испарение в вакууме, катодное распыление, мгновенное испарение, разложение в газовой фазе, химическое и электролитическое осаждение и др. - для бинарных составов применяют главным образом три первых метода, а наиболее простым из них является термовакуумное напыление [2,3].

ХСП отличаются рядом уникальных свойств, одним из которых является фотоселективное растворение. Впервые фотоселективное растворение было обнаружено на стеклообразном As2S3.[4]. После соответствующей засветки и проявления в растворе щелочи вакуумно нанесенные слои As2S3 давали изображение, нерастворимое в кислоте. Была отмечена так же возможность получения позитивного и негативного изображения в зависимости от типа проявителя. Облученные участки пленок As2S3 растворяются в диметиламине быстрее, чем необлучен-ные, в то время как облученные участки пленок As2S3, Р^е3, As2Se7 растворяются в соответствующих растворителях значительно медленнее необлу-ченных. Первый случай можно назвать положительным, а второй - отрицательным эффектом фотости-мулированного изменения растворимости. Другими словами, пленка As2S3 ведет себя в данном случае как позитивный, а остальные пленки - как негативные фоторезисты.

В литературе [5,6] сообщалось об использовании для формирования синтезированных голограмм и киноформов в слоях ХСП путем соответствующей обработки пленок As2S3. Вакуумно-напыляемые слои ХСП являются весьма перспективными резистами для лазерной литографии, например, для создания разметочной рельефной микроструктуры оптического информационного диска-оригинала [7].

В качестве примера использования ХСП для создания микрорельефа ДОЭ в данной работе представлены результаты по формированию рельефной микроструктуры в кварцевой подложке с использованием лазерной литографии на основе резистного слоя As2S3. Опытные образцы готовились путем последовательного термического напыления в вакууме при остаточном давлении <10-3 Па на кварцевую дисковую подложку слоя хрома толщиной 80 нм и слоя As2S3 толщиной 150 нм. Экспонирование рези-стного слоя осуществлялось на установке для форматирования подложки оптического диска с шагом 3,2 мкм. В установке использовался лазер ЛТН-402 (Х=532 нм) остросфокусированное излучение которого попадало на вращающуюся с частотой 10 Гц

дисковую подложку. Диаметр сфокусированного пучка по уровню 0,5 ^ (!0 - интенсивность излучения в максимуме Гауссового распределения) составлял около 1 мкм, мощность излучения на выходе микрообъектива Р=2,5 мВт. После экспонирования слоя As2S3 производилось его проявление в селективном травителе негативного типа на основе эти-лендиамина [8]. При этом неэкспонированные участки резистного слоя полностью удалялись, а экспонированные оставались на подложке образуя защитную маску (рис. 1) для травления слоя хрома, которое осуществлялось в цериевом травителе [9].

Рис.1. Фрагмент топологии резистной маски на основе Лі^3.

После удаления резистного слоя на поверхности подложки оставалась хромовая контактная маска с помощью которой формируется микроструктура элемента (рис. 2).

Рис. 2. Фрагмент микроструктуры - хром на поверхности кварцевой подложки.

Перенос хромовой разметочной микроструктуры в кварцевую подложку осуществлялся реактивным ионно-плазменным травлением на опытно-

промышленной установке типа УТП ПДЭ-125-009. Данная установка позволяет проводить травление пластин в ВЧ-разряде с магнитным полем и получать, с использованием электронной литографии размеры элементов 0,1-0,2 мкм. В частности, для переноса микрорельефа на поверхность кварцевой подложки использовался ВЧ-реактивный ионноплазменный разряд в смеси газов СС12Б2 и О2. Соотношение СС12Б2 и О2 составляло 5:1 соответственно.

Предварительно, реакционная камера откачивалась до давления не хуже 3,2.10-2 Па, после этого подавалась смесь газов СС12Р2 и О2 в необходимом соотношении и в рабочей камере устанавливалось суммарное давление (0,6-0,7) Па. Затем, с помощью индуктора, в кварцевой реакционной камере возбуждался ВЧ-разряд (1" = 13,56 МГц) с одновременным наложением продольного магнитного поля (ортогонального плоскости подложки) и подачей отрицательного смещения. Величина данного ВЧ-

смещения при проведении всего процесса травления находилась в пределах 200-220 В. При этом ВЧ-мощность поступающая на индуктор реакционной камеры составляла 600-650 Вт. Соотношение падающей и отраженной мощностей было не хуже 10:1. Такой режим травления кварцевой пластинки на данной установке обеспечивал скорость травления около 15 нм/мин. Стойкость маски из хрома толщиной 80 нм и полученной с использованием пленок ХСП, в указанном выше режиме травления не превышает 12-15 мин. Поэтому высота полученного в кварцевой подложке микрорельефа может составлять 160-225 нм при травлении до полного стравливания хромового маскирующего слоя.

Профилограмма микроструктуры оптического информационного диска-оригинала, полученная с помощью сканирующего зондового микроскопа, представлена на рис. 3.

SCALE X:1000 пП V:1Q00 пП Z:10O пП

Рис. 3. Фрагменты профилограммы микроструктуры оптического диска.

Заключение

В данной работе получены следующие результаты:

- записана решетка в слоях ХСП, с разрешением порядка 500 лин/мм.;

- отработана технология переноса хромовой разметочной структуры в кварцевую подложку с по-

следующим формированием в ней микрорельефа на установке УТП ПДЭ-125-009;

- сформирован микрорельеф в кварцевой пластинке высотой до 226 нм, что предопределялось толщиной пленки хрома;

- анализ, профилограммы полученной решетки, позволяет говорить о высоком качестве микрорельефа и перспективности использования пленок ХСП, имеющих высокое разрешение.

Благодарность

Авторы выражают благодарность В.С. Соловьеву за техническое содействие в получении представленных результатов.

Литература

1. Аристов В.В., Бабин С.В., Ерко А.И. Возможности технологии микроэлектроники для создания элементов компьютерной оптики. // Компьютерная оптика. - М.: МЦНТИ, 1989. - Вып.4. - с.61-65.

2. Моисеев О.Ю., Волков А.В., Дмитриев В. Д., Вер-

бенко И.В., Бородин С.А. Испаритель многокомпонентных материалов. А.с. № 1491029 от

01.03.1989.

3. Моисеев О.Ю., Колпаков А.И., Волков А.В., Бородин С.А. Испаритель многокомпонентных материалов. А.с. № 1824457 от 12.11.1992.

4. Коломиец Б.Т., Любин В.М., Шило В.П. Фото-стимулированные изменения растворимости ХСП // Физика и химия стекла. - 1978. - т. 4, № 3. - с. 351-357.

5. Indutnyi I.Z., Stronski A.V., Kostioukevitch S.A., Romanenko P.F., Shepeljavi P.E., Robur 1.1. Holographic optical elements fabrication using chalco-genide layers // Opt. Eng. - 1995. - v. 534, N 4. - p. 1030-1039.

6. Коронкевич В.П., Ремесник В.Г., Фатеев В.А., Цукерман В.Г. Киноформные оптические элементы в пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников. // Автометрия. - 1976. № 5, - с. 39.

7. Indutnyi I.Z., Kostioukevitch S.A., Shepeljavi P.E., Stronski A.V., Gladtshenko L.M. Formation of optical disk direction paths and optical master disks with the help of inorganic resists // Proc. SPIE.- 1993. - v. 1983. - p. 464-465.

8. Пат. 2008285 Российской Федерации, МКИ5 С 03 С 15/00, 23/00. Раствор для негативного травления халькогенидных стекол /Индутный И.З., Костюке-вич С.А., Шепелявый П.Е. //Открытия, изобр. 1994. - № 4.

9. Ахмадеев М.Х.,Пашинкина Г.З.,Караулова

О.Д.,Фазуллина А.В. Методы травления оптических покрытий //Аналитический обзор за 19501979 гг. - №3059. - М.:ЦНИИ Электроника, 1982. -72 с.