Способ изготовления брэгговской структуры с гофрировкой поверхности
METHOD OF MAKING A BRAGG STRUCTURE WITH A CORRUGATED SURFACE

Изобретение относится к обработке подложек для получения вогнуто-выпуклой структуры. Целью изобретения является получение габаритных брэгговских решеток (до 700 мм.) с произвольной заданной структурой с глубиной травления более 300 мкм при малых затратах и простоте технологического процесса.
В соответствии с уровнем техники в настоящее время известно несколько способов изготовления брэгговских структур: механическая, электроискровая, лазерная обработка поверхности, а также химическое травление.
Недостатком способа механической обработки является длительность процесса, необходимость использования высокотехнологичного дорогостоящего оборудования, при условии частой смены режущего инструмента. Способ механической обработки не позволяет получить двумерную структуру с заданной точностью. Способ электроискровой обработки имеет аналогичные недостатки.
Способ лазерной обработки подложки получения брэгговских структур широко описан в литературе и применим для получения волоконных брэгговских структур. Основным недостатком данного способа, несмотря на его простоту и эффективность, является необходимость использования дорогостоящего оборудования. В патентах US 2003/0128929 А1 и WO 2006/045632 А1 описаны способы получения брэгговских решеток на основе оптических волокон, недостатками которых является малая глубина травления и необходимость использования дорогостоящего оборудования.
Преимущество способа химического травления заключается в быстроте процесса (суммарно процесс занимает несколько часов), малых затратах на производство, возможности получения произвольного рисунка структуры любой заданной конфигурации, с высокой точностью изготовления и глубиной травления более 300 мкм.
Известны технические решения изготовления брэгговских структур, представленных в патентах CN 101064411 А и US 5817537 А. Способы, описанные в перечисленных патентах, не позволяют получить габаритные брэгговские решетки с необходимой глубины травления более 300 мкм, и возможностью корректировки ухода подтрава боковых стенок с последующим использованием брэгговских решеток в качестве резонатора в мазерах на свободных электронах. Кроме того, поверхность подложки должна быть проводящей для работы с ленточным электронным пучком.
Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату является патент № US 20100303411 А1. При использовании прямой литографии, основным недостатком данного способа является малая глубина травления и отсутствие возможности корректировки элемента структуры брэгговской решетки, в зависимости от глубины травления, маска используется для защиты от подтравов паразитных частей решетки на габаритном периметре пластины, но не дает возможность корректировать основные элементы структуры.
Широко известные способы получения брэгговских структур, описанные в статье В.В. Глебова [О проблеме бокового подтравливания при химическом и электрохимическом гравировании. Фундаментальные исследования. 2011, N 8-З, стр. 623-626.] не позволяют решить поставленную задачу, так как для получения заданной конфигурации структурного элемента используют прямую литографию, а в качестве маски - фоторезист, что не дает возможности получить необходимую глубину травления с расчетным уходом подтрава боковой стеки структуры. В предложенном авторами способе имеет место обратная литография, где в качестве маски служит кобальт. Технология обратной литографии позволяет поучить отрицательный подтрав, что позволяет сохранить верхнюю часть структуры и получить расчетные параметры СВЧ-резонатора. При прямой литографии имеет место положительный подтрав, который не позволяет сохранить верхнюю часть структуры.
Задачей настоящего изобретения является создание системы и способа изготовления габаритных брэгговских структур для резонаторов мазеров на свободных электронах [А.V. Arzhannikov, N.S. Ginzburg, P.V. Kalinin, S.A. Kuznetsov, A.M. Malkin, N. Yu. Peskov, et al., PRL 117, 114801 (2016) // Using Two-Dimensional Distributed Feedback for Synchronization of Radiation from Two Parallel-Sheet Electron Beams in a Free-Electron Maser].
Для достижения поставленной задачи с помощью известных компьютерных программ (Auto CAD) создается растровый файл с заданной конфигурацией рисунка и расчетным упреждением для заданной глубины травления. На фиг. 1 (Фотошаблон для определения упреждения ухода боковых стенок структуры) представлен шаблон для расчета упреждения ухода на заданной глубине травления.
На поверхность гладкой медной пластины, не требующей предварительной обработки, поскольку используется стандартный холоднокатаный лист меди 7-8 класса чистоты, электролитическим способом, наносится кобальт, который в дальнейшем используется в качестве маски. Производится обратная фотолитография по технологии изготовления стандартных однослойных печатных плат. Химическое травление производится в несколько циклов, поскольку один цикл не позволяет получить расчетную глубину из-за разброса параметров травильной машины: концентрации раствора, скорости подачи пластины, температуры раствора, неравномерности давления струи раствора. Поэтому после каждого цикла изменяется направление движения пластины в растворе на 180 градусов с целью выравнивания дна канавки структурного элемента, поскольку боковое давление раствора не равномерно. Производится замер глубины травления структуры и последующая корректировка числа циклов, необходимых для достижения заданной глубины.
Преимущества способа изготовления брэгговской структуры с помощью химического травления при использовании обратной литографии, заключается в быстроте процесса, малых затратах на производство, произвольного выбора рисунка структуры, высокой точности изготовления линейных размеров структуры (погрешность менее 20 мкм), а также точности получения требуемой глубины травления - не менее 5%. Такая технология позволяет изготовлять структуры с пространственным периодом 2-4 мм линейной (фиг. 2) и шахматной (фиг.3) конфигурации с одинаковой глубиной травления по всей поверхности образца с размерами до 700 мм при глубине травления более 300 мкм. Помимо изготовления резонаторов для мазеров, данную технологию можно использовать для производства квазиоптических элементов СВЧ-трактов сантиметрового и миллиметрового диапазона волн.