DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-04-05-17
УДК 551.501.816; 551.510.411
Роман Игоревич Куц1*, Виктор Павлович Корольков2, Сергей Львович Микерин3, Константин Александрович Окотруб4, Дмитрий Александрович Белоусов5, Анатолий Иванович Малышев6, Александр Рашитович Саметов7, Руслан Владимирович Шиманский8, Татьяна Александровна Гаврилова9
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, Россия
9Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, Россия
1r.i.kuts@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-3988-8380
2victork@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0002-1278-9884
3mikerin@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0001-5049-8570
4okotrub@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0003-2653-0627
5belousovda@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0002-4284-5576
6malyshev60@yandex.ru https://orcid.org/0000-0002-9007-7444
7sametov@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0002-8754-2691
8shimansky@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0002-5466-2371
9gavr@isp.nsc.ru https://orcid.org/0000-0001-6625-3009
Аннотация
Предмет исследования. Объёмная термохимическая лазерная запись наноструктурированных отражающих дифракционных решёток на двухслойном материале Zr/SiO2. Цель работы. Детально исследовать прямую лазерную запись на тонких плёнках циркония на кварцевых подложках для того, чтобы определить причину аномально высокого фазового сдвига света, отражённого от сформированной структуры, а также рассмотреть возможность создания на основе данного эффекта отражающих дифракционных структур с потенциалом применения в компонентной базе фотоники. Метод. Термохимическая запись сфокусированным лазерным пучком на плёнках циркония, нанесённых на кварцевые подложки, позволяет формировать оксидированные микрорисунки. Измерение глубины их рельефа на атомно-силовом микроскопе демонстрируют поверхностный рельеф, глубиной не более 10 нм, в то время как измерение на интерферометре белого света показывает рельеф, глубиной до сотен нанометров. Сканирующая электронная микроскопия и анализ спектров комбинационного рассеяния света позволяют получить информацию о внутренней структуре и химическом составе модифицированных областей. Основные результаты. Показано, что эффект лазерной записи наноструктурированных отражающих дифракционных решёток на двухслойном материале носит объёмный характер, так как толщина модифицированного слоя на 50–60% больше исходной толщины плёнки Zr. Продемонстрировано, что на поверхности и в глубине модифицированного слоя образуются сфазированные решётки с периодом, равным шагу сканирования лазерного пучка. Модифицированный слой, в зависимости от мощности записывающего пучка, состоит из композиции оксида и нитрида циркония в аморфной или кристаллической фазах, включающей оксид кремния в нижнем слое. Внутренняя решётка состоит из каналов в модифицированном слое, размер сечения которых составляет приблизительно 80 нм. Выдвинута гипотеза о морфологии и механизме формирования сфазированных нанорешёток. Практическая значимость. Предложено дополнить «сухую» одноэтапную технологию изготовления бинарных отражающих дифракционных структур на двухслойном материале Zr/SiO2 этапом реактивного ионного травления для подстройки эффективности элемента.
Ключевые слова: термохимическая лазерная запись, отражающие дифракционные решётки, плёнки циркония, реактивное ионное травление
Благодарность: работа выполнена за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 22-79-00049). В исследованиях использовано оборудование Центра коллективного пользования «Спектроскопия и оптика» Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, Центра коллективного пользования «Высокие технологии и аналитика наносистем» Новосибирского государственного университета и отделения сканирующей электронной микроскопии Центра коллективного пользования «Наноструктуры» Института физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук.
Ссылка для цитирования: Куц Р.И., Корольков В.П., Микерин С.Л., Окотруб К.А., Белоусов Д.А., Малышев А.И., Саметов А.Р., Шиманский Р.В., Гаврилова Т.А. Объёмная термохимическая лазерная запись наноструктурированных отражающих дифракционных решёток на двухслойном материале Zr/SiO2 // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 4. С. 5–17. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-05-17
Коды OCIS: 050.1950, 050.6624, 050.6875, 110.4235.
Volumetric thermochemical laser writing of nanostructured reflective diffraction gratings on a dual-layer material Zr/SiO2
Roman Kuts1*, Viktor Korolkov2, Sergey Mikerin3, Konstantin Okotrub4, Dmitriy Belousov5, Anatoliy Malyshev6, Aleksandr Sametov7, Ruslan Shimansky8, Tatiana Gavrilova9
1,2,3,4,5,6,7, 8Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia
9Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia
1r.i.kuts@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-3988-8380
2victork@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0002-1278-9884
3mikerin@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0001-5049-8570
4okotrub@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0003-2653-0627
5belousovda@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0002-4284-5576
6malyshev60@yandex.ru https://orcid.org/0000-0002-9007-7444
7sametov@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0002-8754-2691
8shimansky@iae.nsk.su https://orcid.org/0000-0002-5466-2371
9gavr@isp.nsc.ru https://orcid.org/0000-0001-6625-3009
Abstract
Subject of study. Volumetric thermochemical laser writing of nanostructured reflective diffraction gratings in a dual-layer Zr/SiO2 material was studied. Objective. To study in detail direct laser writing on thin zirconium films on fused silica substrates in order to determine the reason of the anomalously large phase shift, as well as to investigate the possibility of creating reflective diffractive structures on its basis with a potential application in the component base of photonics. Method. Thermochemical writing with a focused laser beam on zirconium films deposited on fused silica substrates makes it possible to form oxide micropatterns. Depth measurements of their relief on an atomic force microscope show a surface relief no more than 10 nm deep, while measurement on a white light interferometer shows a relief up to hundreds of nanometers deep. Scanning electron microscopy and analysis of Raman spectra provide information on the internal structure and chemical composition of the modified regions. Main results. It is shown that the effect of laser writing of nanostructured reflective diffraction gratings on a dual-layer material is of a three-dimensional nature, since the layer is modified in depth by 50–60% more than the initial thickness of the Zr film. It has been demonstrated that phased gratings with a period equal to the laser beam scanning step are formed on the surface and in the depth of the modified layer. The modified layer, depending on the power of the writing beam, consists of a composition of oxide and zirconium nitride in amorphous or crystalline phases, including silicon oxide in the lower layer. The inner grating consists of channels in the modified layer, the cross section of which is near 80 nm. A hypothesis about the morphology and mechanism of formation of phased nanogratings has been proposed. Practical significance. It is proposed to supplement the “dry” one-stage technology for manufacturing binary reflective diffractive structures on a dual-layer Zr/SiO2 material with a stage of reactive ion etching for diffraction efficiency adjustment.
Keywords: thermochemical laser writing, reflective gratings, zirconium film, reactive ion etching
Acknowledgment: the work was supported by a Grant from the Russian Science Foundation (Project No. 22-79-00049). The research used the equipment of the Center for Collective Use "Spectroscopy and Optics" of the Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, the Center for Collective Use "High Technologies and Nanosystems Analytics" of Novosibirsk State University and the Department of Scanning Electron Microscopy of the Center for Collective Use "Nanostructures" of the Institute of Semiconductor Physics of the Russian Academy of Sciences Siberian Branch.
For citation: Kuts R.I., Korolkov V.P., Mikerin S.L., Okotrub K.A., Belousov D.A., Malyshev A.I., Sametov A.R., Shimansky R.V., Gavrilova T.A. Volumetric thermochemical laser writing of nanostructured reflective diffraction gratings on a dual-layer material Zr/SiO2 [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 4. P. 5–17. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-05-17
OCIS сodes: 050.1950, 050.6624, 050.6875, 110.4235.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Veiko V.P., Poleshchuk A.G. Laser-induced local oxidation of thin metal films: physical fundamentals and applications // Fundamentals of Laser-Assisted Micro-and Nanotechnologies / Eds V.P. Veiko, V.I. Konov. Cham: Springer, 2014. P. 149–171.
2. Ruffino F., Grimaldi M.G. Nanostructuration of thin metal films by pulsed laser irradiations: a review // Nanomaterials. 2019. V. 9. № 8. P. 1133. https://doi.org/10.3390/nano9081133
3. Bialuschewski D. Laser-assisted modification of metals and metal oxide semiconductors as photoactive materials. München: Dr. Hut Verlag, 2020. 127 p.
4. Коронкевич В.П., Полещук А.Г., Чурин Е.Г., Юрлов Ю.И. Лазерная термохимическая технология синтеза дифракционных оптических элементов на пленках хрома // Квантовая электроника. 1985. Т. 12. № 4. С. 755–761.
5. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Asfour J.M. Combined computer-generated hologram for testing steep aspheric surfaces // Optics Express. 2009. V. 17. № 7. P. 5420–5425. https://doi.org/10.1364/OE.17.005420
6. Sun K.W., Huang S.C., Kechiantz A., Lee C.P. Subwavelength gratings fabricated on semiconductor substrates via E-beam lithography and lift-off method // Optical and Quantum Electronics. 2005. V. 37. № 4. P. 425–432. https://doi.org/10.1007/s11082-005-2027-1
7. Pramitha V., Gayathri M.S., Bhattacharya S. Electron beam written subwavelength gratings for polarization separation in the infrared // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9374. P. 187–193. https://doi.org/10.1117/12.2078607
8. Вейко В. П., Корольков В.П., Полещук А.Г., Синев Д.А., Шахно Е.А. Лазерные технологии в микрооптике. Ч. 1. Изготовление дифракционных оптических элементов и фотошаблонов с амплитудным пропусканием // Автометрия. 2017. Т. 53. № 5. С. 66–77. https://doi.org/10.15372/AUT20170507
9. Solanki P.R., Kaushik A., Agrawal V.V., Malhotra B.D. Nanostructured metal oxide-based biosensors // NPG Asia Materials. 2011. V. 3. № 1. P. 17–24. https://doi.org/10.1038/asiamat.2010.137
10. Chauhan I., Aggrawal S., Mohanty P. Metal oxide nanostructures incorporated/immobilized paper matrices and their applications: a review // RSC advances. 2015. V. 5. № 101. P. 83036–83055. https://doi.org/10.1039/C5RA13601F
11. Шахно Е.А., Куанг Зунг Нгуен, Синёв Д.А., Вейко В.П. Уменьшение размера минимального элемента при лазерной термохимической записи за счёт эффекта близости // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 6. С. 3–14. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-06-03-14
12. Полетаев С.Д., Волотовский С.Г. Анализ погрешностей лазерной записи оптических микроструктур на плёнках молибдена // Компьютерная оптика. 2016. Т. 40. № 3. С. 422–426. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2016-40-3-422-426
13. Guo C.F., Zhang Z., Cao S., Liu Q. Laser direct writing of nanoreliefs in Sn nanofilms // Optics Letters. 2009. V. 34. № 18. P. 2820–2822. https://doi.org/10.1364/OL.34.002820
14. Шахно Е.А., Синев Д.А., Кулажкин А.М. Особенности лазерного окисления тонких пленок титана // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 5. С. 93–98.
15. Xia F., Jiao L., Wu D., Li S., Zhang K., Kong W., Yun M., Liu Q., Zhang X. Mechanism of pulsed-laser-induced oxidation of titanium films // Optical Materials Express. 2019. V. 9. № 10. P. 4097–4103. https://doi.org/10.1364/OME.9.004097
16. Korolkov V.P., Kuts R.I., Malyshev A.I., Matochkin A.E., Shimansky R.V. Dry method for the formation of reflective phase DOEs using direct laser writing on thin Zr films // Proceedings of SPIE. 2020. V. 11551. P. 211–217. https://doi.org/10.1117/12.2574196
17. Poleshchuk A.G., Korolkov V.P. Laser writing systems and technologies for fabrication of binary and continuous relief diffractive optical elements // Proceedings of SPIE. 2007. V. 6732. P. 130–139. https://doi.org/10.1117/12.751930
18. Okotrub K.A., Surovtsev N.V. Redox state of cytochromes in frozen yeast cells probed by resonance Raman spectroscopy // Biophysical Journal. 2015. V. 109. № 11. P. 2227–2234. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2015.10.033
19. Ciszak C., Mermoux M., Gutierrez G., Leprêtre F., Duriez C., Popa I., Fayette L., Chevalier S. Raman spectra analysis of ZrO2 thermally grown on Zircaloy substrates irradiated with heavy ion: Effects of oxygen isotopic substitution // Journal of Raman Spectroscopy. 2019. V. 50. № 3. P. 425–435. https://doi.org/10.1002/jrs.5513
20. Balerio R., Kim H., Morell-Pacheco A., Hawkins L., Shiau C.-H., Shao L. ZrN phase formation, hardening and Nitrogen diffusion kinetics in plasma Nitrided Zircaloy-4 // Materials. 2021. V. 14. № 13. P. 3572. https://doi.org/10.3390/ma14133572
21. Veszelei M., Andersson K.E., Roos A., Ribbing C.-G. Optical constants of sputtered ZrN films for heat mirror applications // Proceedings of SPIE. 1993. V. 2017. P. 25–34. https://doi.org/10.1117/12.161968
22. Pretorius R., Harris J.M., Nicolet M-A. Reaction of thin metal films with SiO2 substrates // Solid-State Electronics. 1978. V. 21. № 4. P. 667–675. https://doi.org/10.1016/0038-1101(78)90335-0
23. Wang S.Q., Mayer J.W. Reactions of Zr thin films with SiO2 substrates // Journal of Applied Physics. 1988. V. 64. P. 4711. https://doi.org/10.1063/1.341208
REFERENCES
1. Veiko V.P., Poleshchuk A.G. Laser-induced local oxidation of thin metal films: physical fundamentals and applications // Fundamentals of Laser-Assisted Micro-and Nanotechnologies / Eds V.P. Veiko, V.I. Konov. Cham: Springer. 2014. P. 149–171.
2. Ruffino F., Grimaldi M.G. Nanostructuration of thin metal films by pulsed laser irradiations: a review // Nanomaterials. 2019. V. 9. №. 8. P. 1133. https://doi.org/10.3390/nano9081133
3. Bialuschewski D. Laser-assisted modification of metals and metal oxide semiconductors as photoactive materials. München: Dr. Hut Verlag, 2020. 127 p.
4. Koronkevich V.P., Poleshchuk A.G., Churin E.G., Yurlov Y.I. Laser thermochemical technology for synthesizing optical diffraction elements utilizing chromium films // Soviet Journal of Quantum Electronics. 1985. V. 15. № 4. P. 494–497. https://doi.org/10.1070/QE1985v015n04ABEH006969
5. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Asfour J.M. Combined computer-generated hologram for testing steep aspheric surfaces // Optics Express. 2009. V. 17. № 7. P. 5420–5425. https://doi.org/10.1364/OE.17.005420
6. Sun K.W., Huang S.C., Kechiantz A., Lee C.P. Subwavelength gratings fabricated on semiconductor substrates via E-beam lithography and lift-off method // Optical and Quantum Electronics. 2005. V. 37. № 4. P. 425–432. https://doi.org/10.1007/s11082-005-2027-1
7. Pramitha V., Gayathri M.S., Bhattacharya S. Electron beam written subwavelength gratings for polarization separation in the infrared // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9374. P. 187–193. https://doi.org/10.1117/12.2078607
8. Veiko V.P., Korolkov V.P., Poleshchuk A.G., Sinev D.A., Shakhno E.A. Laser technologies in micro-optics. Part 1. Fabrication of diffractive optical elements and photomasks with amplitude transmission //Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2017. V. 53. № 5. P. 474–483. https://doi.org/10.3103/S8756699017050077
9. Solanki P.R., Kaushik A., Agrawal V.V., Malhotra B.D. Nanostructured metal oxide-based biosensors // NPG Asia Materials. 2011. V. 3. № 1. P. 17–24. https://doi.org/10.1038/asiamat.2010.137
10. Chauhan I., Aggrawal S., Mohanty P. Metal oxide nanostructures incorporated/immobilized paper matrices and their applications: a review // RSC advances. 2015. V. 5. № 101. P. 83036–83055. https://doi.org/10.1039/C5RA13601F
11. Shakhno E.A., Nguyen Q.D., Sinev D.A., Veiko V.P. Proximity-effect-related reduction of the minimum element size in thermochemical laser writing // Journal of Optical Technology. 2022. V. 89. № 6. P. 312–319. https://doi.org/10.1364/JOT.89.000312
12. Poletayev S.D., Volotovsky S.G. Precision laser recording of microstructures on molybdenum films for generating a diffractive microrelief [In Russian] // Computer Optics. 2016. V. 40. № 3. P. 422–426. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2016-40-3-422-426
13. Guo C.F., Zhang Z., Cao S., Liu Q. Laser direct writing of nanoreliefs in Sn nanofilms // Optics Letters. 2009. V. 34. № 18. P. 2820–2822. https://doi.org/10.1364/OL.34.002820
14. Shakhno E.A., Sinev D.A., Kulazhkin A.M. Features of laser oxidation of thin films of titanium // Journal of Optical Technology. 2014. V. 81. № 5.P. 298–302. https://doi.org/10.1364/JOT.81.000298
15. Xia F., Jiao L., Wu D., Li S., Zhang K., Kong W., Yun M., Liu Q., Zhang X. Mechanism of pulsed-laser-induced oxidation of titanium films // Optical Materials Express. 2019. V 9. № 10. P. 4097–4103. https://doi.org/10.1364/OME.9.004097
16. Korolkov V.P., Kuts R.I., Malyshev A.I., Matochkin A.E., Shimansky R.V. Dry method for the formation of reflective phase DOEs using direct laser writing on thin Zr films // Proceedings of SPIE. 2020. V. 11551. P. 211–217. https://doi.org/10.1117/12.2574196
17. Poleshchuk A.G., Korolkov V.P. Laser writing systems and technologies for fabrication of binary and continuous relief diffractive optical elements // Proceedings of SPIE. 2007. V. 6732. P. 130–139. https://doi.org/10.1117/12.751930
18. Okotrub K.A., Surovtsev N.V. Redox state of cytochromes in frozen yeast cells probed by resonance Raman spectroscopy // Biophysical Journal. 2015. V. 109. № 11. P. 2227–2234. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2015.10.033
19. Ciszak C., Mermoux M., Gutierrez G., Leprêtre F., Duriez C., Popa I., Fayette L., Chevalier S. Raman spectra analysis of ZrO2 thermally grown on Zircaloy substrates irradiated with heavy ion: Effects of oxygen isotopic substitution // Journal of Raman Spectroscopy. 2019. V. 50. № 3. P. 425–435. https://doi.org/10.1002/jrs.5513
20. Balerio R., Kim H., Morell-Pacheco A., Hawkins L., Shiau C.-H., Shao L. ZrN phase formation, hardening and Nitrogen diffusion kinetics in plasma nitrided Zircaloy-4 // Materials. 2021. V. 14. № 13. P. 3572. https://doi.org/10.3390/ma14133572
21. Veszelei M., Andersson K.E., Roos A., Ribbing C.-G. Optical constants of sputtered ZrN films for heat mirror applications // Proceedings of SPIE. 1993. V. 2017. P. 25–34. https://doi.org/10.1117/12.161968
22. Pretorius R., Harris J.M., Nicolet M-A. Reaction of thin metal films with SiO2 substrates // Solid-State Electronics. 1978. V. 21. № 4. P. 667–675. https://doi.org/10.1016/0038-1101(78)90335-0
23. Wang S.Q, Mayer J.W. Reactions of Zr thin films with SiO2 substrates // Journal of Applied Physics. 1988. V. 64. P. 4711. https://doi.org/10.1063/1.341208
