DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-03-05-15
УДК 666.11+546.22+535.8
Михаил Дмитриевич Михайлов1*, Анна Васильевна Белых2, Игорь Юрьевич Юсупов3
1, 2НПО «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова», Санкт-Петербург, Россия
1Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
2, 3ООО ХолоГрэйт, Санкт-Петербург, Россия
1mikhail.sudoma@yandex.ru https://orcid.org/0000-0001-9672-836X
2belyh@goi.ru https://orcid.org/0000-0001-7971-0547
3igor.yusupov@holograte.com https://orcid.org/0002-3959-4411
Аннотация
Предмет исследования. Особенности свойств неорганических фоторезистов на основе тонких слоев халькогенидных стекол. Цель работы. Изучение процессов травления слоев халькогенидных стекол и сравнение результатов расчета и экспериментальных данных по форме профиля рельефно-фазовых голограммных решеток и защитных голограмм. Метод. Пленки стекол системы As-S-Se получены термическим испарением в вакууме. Экспонирование пленок осуществлялось светом с длинами волн 380, 436 и 488 нм. Скорость растворения пленок в растворах алифатических аминов измерялась интерферометрическим методом на длине волны 650 нм. Основные результаты. Разработанные составы халькогенидных фоторезистов и технология их использования применяются для записи рельефно-фазовых голограмм — дифракционных решеток и элементов оптической защиты. При записи высокочастотных структур с частотой выше 2000 мм–1 наблюдается кажущееся снижение разрешающей способности при экспонировании малоинтенсивным излучением. Кроме того, наблюдаемая и рассчитанная формы профиля дифракционных решеток существенно различаются. Предполагается, что эти эффекты объясняются диффузией возбужденных электронных состояний из облучаемых областей в необлучаемые в процессе экспонирования. В многослойных структурах диффузия возбужденных состояний в области пленки, не поглощающие актиничное излучение, приводит к изменению скорости ее растворения, аналогичному изменению скорости растворения в поглощающих областях. Практическая значимость. Применение фоточувствительных слоев халькогенидных стекол для записи дифракционных решеток создает возможность производить элементы большого размера. Эффект диффузии избыточных электронно-дырочных пар позволяет записывать копируемые рельефно-фазовые оптические элементы, дающие цветное изображение в нулевом дифракционном порядке.
Ключевые слова: неорганический фоторезист, сульфид мышьяка, селенид мышьяка, разрешающая способность, дифракционные решетки, рельефно-фазовые голограммы
Благодарность: авторы благодарны коллегам, внесшим значительный вклад в результаты представленной работы: Р.Р. Герке, А.Д. Гальперну, Т.Г. Дубровиной, А.А. Парамонову, С.С. Семенцову.
Ссылка для цитирования: Михайлов М.Д., Белых А.В., Юсупов И.Ю. Разрешающая способность неорганического халькогенидного резиста при записи голограмм // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 3. С. 5–15. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-03-05-15
Коды OCIS: 160.2750, 310.6870, 090.2890, 050.1950
Resolution ability of inorganic chalcogenide resist for hologram recording
Mikhail D. Mikhailov1*, Anna V. Belykh2, Igor Yu. Yusupov3
1, 2Vavilov State Optical Institute, St. Petersburg, Russia
1Peter the Great Polytechnical University, St. Petersburg, Russia
2, 3HoloGrate LLC, St. Petersburg, Russia
1mikhail.sudoma@yandex.ru https://orcid.org/0000-0001-9672-836X
2belyh@goi.ru https://orcid.org/0000-0001-7971-0547
3igor.yusupov@holograte.com https://orcid.org/0002-3959-4411
Abstract
Subject of research. Peculiarity of inorganic photoresists properties based on the chalcogenide glasses thin films. Objective. The thin films etching processes study and comparison between calculation results and experimental data for the relief shape of relief phase hologram gratings and secure holograms. Method. The As-S-Se system thin films were obtained by relief phase thermal evaporation in vacuum. Films exposure has been done by light with wavelength 380, 436, and 488 nm. Films dissolution rate in amine solutions was measured by interferometric method at wavelength 650 nm. Main results. Information about performance of chalcogenide photoresist for relief phase holograms recording and for multilayer structures. When recording high-frequency structures with a groove frequency above 2000 mm–1, an seeming decrease in resolution is observed when exposed to low-intensity radiation. It is found that mismatching between expected relief shape and experimentally obtained can be explained by diffusion excited electron states from irradiated areas into dark ones during exposure. This effect lets us recording holograms unto multilayer structures consisting of chalcogenide layers with different compositions and also different photosensitivity. As an example with the use of chalcogenide photoresist properties peculiarity it is possible obtaining multilayer relief structures, enabling color images in zero order of diffraction. Practical value. The chalcogenide glasses photosensitive films use for recording of diffraction gratings lets us manufacturing optical elements with large size. Electron-hole pairs diffusion effect allows recording copy able relief phase elements with color images in zero order of diffraction.
Keywords: inorganic photoresist, arsenic sulfide, arsenic selenide, resolution ability, diffraction gratings, relief phase holograms
Acknowledgment: the authors are grateful to their colleagues who made a significant contribution to the presented work results: R.R. Gerke, A.D. Galpern, T.G. Dubrovina, A.A. Paramonov, S.S. Sementsov.
For citation: Mikhailov M.D., Belykh A.V., Yusupov I.Yu. Resolution ability of inorganic chalcogenide resist for hologram recording [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 3. P. 5–15. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-03-05-15
OCIS сodes: 160.2750, 310.6870, 090.2890, 050.1950
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Михайлов М.Д., Днепровский А.С., Мамедов С.Б., Яковук О.А. Травитель для халькогенидных стекол (его варианты) // А.с № 1160483. Бюл. изобр. № 21. 07.06.1985.
2. Днепровский А.С., Михайлов М.Д., Мамедов С.Б., Степанов К.А., Яковук О.А. Травильный состав для халькогенидных стекол // А.с. № 1230145. Не опубл.
3. Герке Р.Р., Мамедов С.Б., Михайлов М.Д., Юсупов И.Ю., Яковук О.А., Горай Л.И. Рельефная отражающая структура // А.с. № 1161119. Не опубл.
4. Hallman R.W., Kurtz G.W. Electromagnetic radiation sensitive lithographic plates // Patent US № 3,762,325. 1973.
5. Коломиец Б.Т., Любин В.М., Шило В.П. Фоторезист // А.с. № 489449. Бюл. изобр. № 47. 25.12.1976.
6. Mikhailov M.D., Kryzhanowsky I.I., Petcheritsyn I.M. Structure and properties of ion-beam sputtered AsxS1–x films // J. Non-Crystall. Sol. 2000. V. 265. № 1–2. P. 1–8. http://doi.org/10.1016/S0022-3093(99)00956-4
7. Моро У. Микролитография: принципы, методы, материалы. Пер. с англ. под ред. Тимерова Р.Х. Часть 1. М.: Мир, 1990. 606 с.
8. Коломиец Б.Т., Любин В.М., Шило В.П. Фотостимулированные изменения растворимости халькогенидных стекол // Физика и химия стекла. 1978. Т. 4. С. 351–354.
9. Buroff A. Arsenic sulfide as evaporated dry photoresist // Journal de Physique. 1981. V. 142. P. 967–971.
10. Mikhailov M.D., Mamedov S.B., Zventarny S.V. Dissolution kinetics of glassy arsenic sulfide in alkali and amine solutions // J. Non-Crystall. Sol. 1994. V. 176. P. 258–262.
11. Зенкин С.А., Мамедов С.Б., Михайлов М.Д. Кинетика растворения пленок сульфида мышьяка в растворах аммиака, метиламина и диметиламина // Журнал прикладной химии. 1988. Т. 61. С. 1459–1454.
12. Зенкин С.А., Мамедов С.Б., Михайлов М.Д., Туркина Е.Ю., Юсупов И.Ю. Механизм взаимодействия растворов аминов с монолитными стеклами и аморфными пленками системы As-S // Физика и химия стекла. 1997. Т. 23. С. 393–397.
13. Nesterov S.I., Boyko M.E., Krbal M., Kolobov A.V. On the ultimate resolution of As2S3-based inorganic resists // J. Non-Crystall. Sol. 2021. V. 563. P. 120816. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.120816
14. Gerke R., Mikhailov M., Yusupov I. Photosensitivity of As-S-based chalcogenide photoresists in the recording of relief phase holograms // Proc. SPIE. Holographic Materials V. 1999. V. 3638. P. 119–126. https://doi.org/10.1117/12.342812
15. Любин В.М., Седых А.М., Смирнова Н.Н., Шило В.П. Неорганические фоторезисты на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников // Микроэлектроника. 1989. Т. 18. С. 523–527.
16. Губа Б.С., Крыжановский И.И., Михайлов М.Д., Эльц В.К. Импульсная запись голограмм на фоточувствительных резистивных халькогенидных слоях // Оптический журнал. 1997. Т. 64. С. 822–824.
17. Nesterov S.I., Myagkov D.V., Portnoi E.L. Nanoscale periodical structures fabricated by interference photolithography // Internat. J. Nanoscience. 2004. V. 3. P. 59–64. https://doi.org/10.1142/S0219581X0400181X
18. Waitts R.R., Cueli M.S. Multi-colored material using rainbow grating // Patent US № 5,158,84. 1992.
References
1. Mikhailov M.D., Dneprovskiy A.S., Mamedov S.B., Yakovuk O.A. Etchant for chalcogenide glasses (its variants) [in Russian] // Author's certificate № 1160483. Bulletin of inventions № 21. 06/07/1985.
2. Dneprovskiy A.S., Mikhailov M.D., Mamedov S.B., Stepanov K.A., Yakovuk O.A. Etching composition for chalcogenide glasses [in Russian] // Author's certificate № 1230145. Unpublished.
3. Gerke R.R., Mamedov S.B., Mikhailov M.D., Yusupov I.Yu., Yakovuk O.A., Gorai L.I. Relief reflective structure [in Russian] // Author's certificate № 1161119. Unpublished.
4. Hallman R.W., Kurtz G.W. Electromagnetic radiation sensitive lithographic plates // Patent US № 3,762,325. 1973.
5. Kolomiets B.T., Lyubin V.M., Shilo V.P. Photoresist [in Russian] // Author's certificate № 489449. Bull. inventions № 47. 12/25/1976.
6. Mikhailov M.D., Kryzhanowsky I.I., Petcheritsyn I.M. Structure and properties of ion-beam sputtered AsxS1–x films // J. Non-Crystall. Sol. 2000. V. 265. № 1–2. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(99)00956-4
7. Moreau W.M. Semiconductor lithography: Principles, practices, materials / 1st ed. Springer, 1988. 952 р.
8. Kolomiets B.T., Lyubin V.M., Shilo V.P. Photostimulated changes in the solubility of chalcogenide glasses [in Russian] // Physics and Chemistry of Glass (Russia). 1978. V. 4. Р. 351–354.
9. Buroff A. Arsenic sulfide as evaporated dry photoresist // Journal de Physique. 1981. V. 142. P. 967–971.
10. Mikhailov M.D., Mamedov S.B., Zventarny S.V. Dissolution kinetics of glassy arsenic sulfide in alkali and amine solutions // J. Non-Crystall. Sol. 1994. V. 176. P. 258–262.
11. Zenkin S.A., Mamedov S.B., Mikhailov M.D. Dissolution kinetics of arsenic sulfide films in solutions of ammonia, methylamine and dimethylamine [in Russian] // J. Applied Chemistry (Russia). 1988. V. 61. Р. 1459–1454.
12. Zenkin S.A., Mamedov S.B., Mikhailov M.D., Turkina E.Yu., Yusupov I.Yu. Mechanism of interaction of amine solutions with monolithic glasses and amorphous films of the As-S system [in Russian] // Glass Physics and Chemistry (Russia). 1997. V. 23. P. 393–397/
13. Nesterov S.I., Boyko M.E., Krbal M., Kolobov A.V. On the ultimate resolution of As2S3-based inorganic resists // J/ Non-Crystall. Sol. 2021. V. 563. P. 120816. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.120816
14. Gerke R., Mikhailov M., Yusupov I. Photosensitivity of As-S-based chalcogenide photoresists in the recording of relief phase holograms // Proc. SPIE. Holographic Materials V. 1999. V. 3638. P. 119–126. https://doi.org/10.1117/12.342812
15. Lyubin V.M., Sedykh A.M., Smirnova N.N., Shilo V.P. Inorganic photoresists based on chalcogenide glassy semiconductors [in Russian] // Microelectronics (Russia). 1989. V. 18.P. 523–527.
16. Guba B.S., Kryzhanovsky I.I., Mikhailov M.D., Elts V.K. Pulse recording of holograms on photosensitive resistive chalcogenide layers // J. Opt. Technol. 1997. V. 64. P. 822–824
17. Nesterov S.I., Myagkov D.V., Portnoi E.L. Nanoscale periodical structures fabricated by interference photolithography // Internat. J. Nanoscience. 2004. V. 3. P. 59–64. https://doi.org/10.1142/S0219581X0400181X
18. Waitts R.R., Cueli M.S. Multi-colored material using rainbow grating // Patent US № 5,158,84. 1992.
