Уменьшение размера минимального элемента при лазерной термохимической записи за счёт эффекта близости

Вейко В.П., Нгуен К., Синев Д.А., Шахно Е.А.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

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. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-06-03-14

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 [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 6. P. 3–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-06-03-14

Ссылка на англоязычную версию:

E. A. Shakhno, Q. D. Nguyen, D. A. Sinev, and V. P. Veiko, "Proximity-effect-related reduction of the minimum element size in thermochemical laser writing," Journal of Optical Technology. 89(6), 312-319 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000312

Аннотация:

Целью настоящего исследования является определение закономерностей уменьшения размеров элементов записываемой структуры в зависимости от расстояния между элементами при их последовательном формировании на тонкой металлической плёнке методом прямой лазерной термохимической записи вследствие действия естественных опто-термических эффектов. Предмет исследования. Исследуемое изменение размера записываемого элемента (эффект «близости») вызвано локализацией энергии вследствие уменьшения поглощения на периферии распределения пучка при просветлении плёнки ранее записанными элементами. Метод. Исследование эффекта проведено методом аналитического решения квазистационарного уравнения теплопроводности с учётом динамического и неравномерного пространственного распределения оптических характеристик образца на примере плёнки титана, окисляющейся под лазерным воздействием на воздухе. Результаты моделирования коррелируют с проведённым экспериментальным изучением оптических и геометрических свойств структур, записанных на плёнке титана толщиной 10 нм под воздействием непрерывного сфокусированного лазерного пучка излучения ближнего ИК диапазона. Основные результаты. В результате проведения исследований определены зависимости ширины последовательно записываемых треков от расстояния между их осями. Определены верхние пороговые значения расстояния между треками, при которых начинается влияние эффекта, и нижние пороговые значения расстояния, при которых не проявляется изображение нового трека. Результаты расчётов и экспериментов показали возможность увеличить разрешающую способность лазерной термохимической записи на тонких металлических плёнках, образующих оптически прозрачные оксиды. Практическая значимость. Предложенная теоретическая модель может быть применена для определения параметров лазерного воздействия при формировании различных фотонных элементов с высокой разрешающей способностью, например, дифракционных оптических элементов, полутоновых фотошаблонов и др.

Ключевые слова:

тонкие металлические плёнки, лазерное окисление, термохимическая запись, разрешающая способность, прозрачные оксиды

Благодарность:

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 21-79-10241.

Коды OCIS: 310.6860, 350.3390

Список источников:

1. Guo C.F., Cao S., Jiang P., Fang Y., Zhang J., Fan Y., Wang Y., Xu W., Zhao Zh., Liu Q. Grayscale photomask fabricated by laser direct writing in metallic nanofilms // Optics Express. 2009. V. 17. P. 19981–19987. DOI: 10.1364/OE.17.019981

2. Вейко В.П., Котов Г.А., Либенсон М.Н., Никитин М.Н. Термохимическое действие лазерного излучения // Доклады АН СССР. 1973. № 208. P. 587–590.
3. Bonse J. Quo Vadis LIPSS? Recent and future trends on laser-induced periodic surface structures // Nanomaterials. 2020. V. 10. P. 1950. DOI: 10.3390/nano10101950
4. Wu C.Y., Hsieh H., Lee Y.C. Contact photolithography at sub-micrometer scale using a soft photomask // Micromachines. 2019. V. 10. № 8. P. 547. DOI: 10.3390/mi10080547
5. Luo X., Ishihara T. Subwavelength photolithography based on surface-plasmon polariton resonance // Optics Express. 2004. V. 12. Issue 14. P. 3055–3065. DOI: 10.1364/OPEX.12.003055
6. Korolkov V.P., Sedukhin A.G., Mikerin S.L. Technological and optical methods for increasing the spatial resolution of thermochemical laser writing on thin metal films // Optical and Quantum Electronics. 2019. V. 51. № 12. P. 389. DOI: 10.1007/s11082-019-2111-6
7. Veiko V.P., Zakoldaev R.A., Shakhno E.A., Sinev D.A., Nguyen Z.K., Baranov A.V., Bogdanov K.V., Gedvilas M., Račiukaitis G., Vishnevskaya L.V., Degtyareva E.N. Thermochemical writing with high spatial resolution on Ti films utilising picosecond laser // Optical Materials Express. 2019. V. 9. № 6. P. 2729–2737. DOI: 10.1364/OME.9.002729
8. Shakhno E.A., Nguyen Q.D., Sinev D.A., Matvienko E.V., Zakoldaev R.A., Veiko V.P. Laser thermochemical high-contrast recording on thin metal films // Nanomaterials. 2021. V. 11. № 1. P. 67. DOI: 10.3390/nano11010067
9. Veiko V.P., Korolkov V.P., Poleshchuk A.G., Sinev D.A., Shakhno E.A. Laser technologies in microoptics. Part 1. Fabrication of diffractive optical elements and photomasks with amplitude transmission // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2017. V. 53. № 5. P. 474–483. DOI: 10.3103/S8756699017050077
10. Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов. Л.: Машиностроение, 1986. 248 с.
11. Вейко В.П., Синев Д.А., Шахно Е.А., Полещук А.Г., Саметов А.Р., Седухин А.Г. Исследование особенностей многопучковой лазерной термохимической записи дифракционных микроструктур // Компьютерная оптика. 2012. Т. 36. № 4. С. 562–571.
12. Синев Д.А. Исследование роли локального изменения оптических свойств тонких металлических пленок в процессе лазерной термохимической записи // Автореф. канд. дисс. Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2015. 181 с.
13. 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. DOI: 10.1364/JOT.81.000298
14. Xia F., Jiao L., Wu D., Li Sh., Zhang K., Kong W., Yun M., Liu Q., Zhang X., Mechanism of pulsed-laserinduced oxidation of titanium films // Optic Materials Express. 2019. V. 9. P. 4097–4103. DOI:10.1364/OME.9.004097
15. Shakhno E.A., Nguyen Q.D. Dynamics of the laser heating and oxidation of thin metallic films, allowing for absorptivity variation // Journal of Optical Technology. 2016. V. 83. № 4. P. 219–223. DOI: 10.1364/JOT.83.000219
16. Von Allmen M., Blatter A. Laser-beam interactions with materials. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1995. 197 p. DOI: 10.1007/978-3-642-57813-7
17. Kofstad P. High-temperature oxidation of titanium // Journal of the Less Common Metals. 1967. V. 12. № 6. P. 449–464. DOI: 10.1016/0022-5088(67)90017-3
18. Gemelli E., Camargo N.H.A. Oxidation kinetics of commercially pure titanium // Matéria. 2007. V. 12. № 3. P. 525–531. DOI: 10.1590/S1517-70762007000300014
19. Либенсон М.Н. Лазерно-индуцированные оптические и термические процессы в конденсированных средах и их взаимное влияние. СПб.: Наука, 2007. 423 c.
20. Born M., Wolf E. Principles of optics. Cambridge: University Press, 1999. 952 p. DOI: 10.1017/CBO9781139644181.
21. Veiko V.P., Nguyen Q.D., Shakhno E.A., Sinev D.A., Lebedeva E.V. Physical similarity of the processes of laser thermochemical recording on thin metal films and modeling the recording of submicron structures // Optical and Quantum Electronics. 2019. V. 51. № 11. P. 348. DOI: 10.1007/s11082-019-2073-8