Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведено моделирование по определению толщины поверхностного слоя Si, напыляемого на плёнки Ti или Cr, с целью получения максимального коэффициента поглощения двухслойной регистрирующей среды Si/Ti и Si/Cr на длинах волн лазерного записывающего пучка 375 нм, 405 нм и 532 нм. Показано, что при толщине металлического подслоя до 100 нм оптимальная толщина слоя кремния для двухслойных образцов Si/Ti на соответствующих длинах волн не превышает 3 нм, 5 нм и 13 нм, а для плёнок Si/Cr 4 нм, 7 нм и 19 нм. Экспериментально исследованы характеристики образцов напыляемых двухслойных металлосодержащих плёнок Si/Ti (толщина Ti ~ 50 нм), Si/Cr (толщина Cr ~ 25 нм). Изготовлены образцы, позволяющие увеличить оптическое поглощение (A) двухслойных металлосодержащих плёнок по сравнению с однослойной металлической плёнкой на длине волны 405 нм: A(Si/Ti)/A(Ti) ~ 1,3; A(Si/Cr)/A(Cr) ~ 2,0. Для образцов, оптимизированных под длину волны лазерной записи 532 нм, были достигнуты более высокие значения увеличения поглощения: A(Si/Ti)/A(Ti) ~ 1,7; A(Si/Cr)/A(Cr) ~ 2,4. Проведено исследования возможности увеличения скорости лазерной записи на плёнках Ti с помощью напыления тонкого поверхностного антиотражающего слоя кремния. Ранее в экспериментах по лазерной записи на плёнках чистого Ti была отмечена низкая скорость термохимической лазерной модификации металлической плёнки (максимальная скорость сканирования для глубокого окисления ~200 мм/c). Экспериментальные исследования термохимической записи на двухслойных плёнках Si/Ti производились на скоростях сканирования лазерного записывающего пучка (длина волны 532 нм) 75 мм/с, 300 мм/с и 600 мм/с. Полученные результаты тестовых записей показали, что использование антиотражающего слоя кремния позволяет увеличить скорость термохимической лазерной записи на титане как минимум до 600 мм/с. Экспериментально исследована прямая лазерная запись на плёнках Si/Ti и Si/Cr на длине волны записывающего пучка 405 нм. В экспериментах было получено, что диапазон мощности для термохимической лазерной записи на плёнке Si/Ti по сравнению с лазерной записью на плёнке Ti расширен на ~25%. В свою очередь, при записи на двухслойной плёнке Si/Cr диапазон мощности термохимической модификации был расширен на ~40% по сравнению с лазерной записью на плёнке Сr. Анализ изменения отражения экспонированных участков при лазерной записи на двухслойных плёнках Si/Ti (длина волны записывающего пучка 532 нм и 405 нм) и Si/Cr (длина волны записывающего пучка 405 нм) показал, что при достижении определённого значения мощности записывающего лазерного пучка отражение от модифицированных участков выходит в насыщение. При дальнейшем увеличении мощности записывающего пучка отражение экспонированных участков практически не изменяется (до приближения к порогу плавления материала). Причиной этого может быть либо образование силицида с толщиной превышающей толщину скин-слоя, либо полное израсходование слоя кремния в процессе термохимической реакции. Проведено измерение фазовой глубины структур, записанных на двухслойных плёнках Si/Ti, оптическим методом на интерферометре белого света. Полученные результаты показали, что при достижении определённого значения мощности лазерного записывающего пучка фазовая глубина модифицированных участков на плёнке Si/Ti выходит на предельное значение, которое при дальнейшем увеличении мощности практически не изменяется. Таким образом, было показано, что при прямой лазерной записи на плёнках Si/Ti имеется достаточно широкий диапазон мощности записывающего пучка внутри которого параметры фазовой глубины и отражения модифицированных структур изменяются незначительно. При этом изменение мощности в данном диапазоне позволяет регулировать параметры скважности формируемых структур. Анализ структур, сформированных на плёнке Si/Ti при термохимической лазерной записи на длине волны лазерного записывающего пучка 532 нм, показал увеличение фазовой глубины в экспонированных участках до ~150 нм. Максимальное значение фазовой глубины структур в экспериментах зависело от скорости записи – чем ниже скорость сканирования, тем выше фазовая глубина. При этом высота структур, измеренная на атомно-силовом микроскопе (АСМ), не превышала ~25 нм. После стравливания в горячем 30% растворе KOH поверхностного слоя кремния с записанных образцов эффект увеличения фазовой глубины на экспонированных участках пропадал. Полученные результаты показывают, что поверхностный слой кремния имеет ключевое значение в увеличении фазового сдвига между немодифицированными и облучёнными участками на плёнке Si/Ti. Это объясняется тем, что силицид по электрическим и оптическим свойствам близок к металлам. Поэтому при отражении света от него возникает существенный по отношению к кремнию фазовый сдвиг. При удалении кремния остаются только участки поверхности со свойствами металлов, и фазовый сдвиг объясняется практически только скачком рельефа между ними. Эффект существенной разницы фазового сдвига света при отражении от пленки кремния и силицида металла может быть использован для одноэтапной записи отражательных дифракционных оптических элементов на плёнках Si/Ti. Проведены эксперименты по травлению поверхностного слоя кремния в 30% растворе KOH с записанных структур на плёнках Si/Ti (длина волны записи 532 нм) и Si/Cr (длина волны записи 405 нм). После травления слоя кремния повторно измерялись характеристики изменения отражения от экспонированных участков. По данным изменения отражения от модифицированных участков было получено, что для плёнки Si/Ti при мощностях лазерного записывающего пучка ниже 12,8 мВт (для скорости сканирования 300 мм/с) и ниже 15,3 мВт (для скорости сканирования 600 мм/с) слой Si модифицируется частично. Частичная термохимическая модификация поверхностного слоя кремния, также наблюдалась и при записи на плёнках Si/Cr при мощности записывающего пучка ниже 11,6 мВт. При дальнейшем увеличении мощности на исследуемых двухслойных металлсодержащих плёнках Si/Ti и Si/Cr термохимической модификации подвергался весь поверхностный слой кремния, в связи с чем жидкостное травление не влило на изменение отражения от экспонированных участков. После стравливания поверхностного слоя кремния сформированная на плёнке Cr структура подвергалась проявлению, согласно стандартной хромовой технологии, в селективном травителе хрома, на основе красной кровяной соли до полного удаления окружающей неэкспонированной пленки хрома. Анализ сформированных на подложке структур показал, что в отличие от записи на плёнках Cr при записи на Si/Cr наблюдается более резкий порог мощности, выше которого имеет место только изменение скважности формируемых структур. Это свойство может быть в перспективе использовано для повышения пространственного разрешения термохимической записи на плёнках Si/Cr за счёт формирования структур пиком гауссова записывающего пучка и/или использования лазерного пучка негаусовой формы. Также полученные результаты показали, что после стравливания поверхностного слоя Si дальнейшее проявление структур, записанных на плёнке Si/Cr, возможно с использованием стандартных этапов хромой термохимической технологии.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследованы характеристики образцов напыляемых двухслойных металлосодержащих плёнок Si/ Hf (толщина Hf ~ 25 нм) и Si/Zr (толщина Zr ~ 50 нм). Экспериментально показано, что напыление покровного слоя Si позволяет увеличить оптическое поглощение (A) двухслойных металлосодержащих плёнок по сравнению с однослойной металлической плёнкой на длине волны 405 нм: A(Si/Hf)/A(Hf) ~ 1,4; A(Si/Zr)/A(Zr) ~ 1,4. На длине волны 532 нм, были получены более высокие значения увеличения поглощения: A(Si/Hf)/A(Hf) ~ 1,7; A(Si/Zr)/A(Zr) ~ 1,9. Анализ химического состава термохимически модифицированных участков при прямой лазерной записи на двухслойных плёнках Si/Ti, выполненный с помощью метода спектроскопии комбинационного рассеяния света, показал, что при достаточно высоких мощностях лазерного пучка, образуется композиция силицидов титана на границе раздела титан–кремний, а также оксид титана в экспонированных участках. Полученный результат показывает, что термохимическая технология прямой лазерной записи на двухслойных плёнках Si/Ti может быть перспективной для создания фазовых дифракционных элементов. Известно, что при реактивном ионном травлении в смеси CF4 + H2 отношение скоростей травления SiO2/TiSi2 составляет более 40. Это выше селективности стандартной хромовой технологии, для которой соответствующее отношение скоростей травления SiO2/Cr в кварцевую подложку составляет ~30. Экспериментально исследована прямая лазерная запись на плёнках Si/Zr и Si/Hf на длине волны записывающего пучка 405 нм. В экспериментах было получено, что напыление покровного слоя Si позволяет существенно расширить диапазон мощности лазерного пучка для термохимической записи на металлических плёнках Zr (до ~2,3 раза) и Hf (до ~3 раз). Структуры, формируемые при термохимическом лазерном воздействии на пленки Zr и Hf с покровным слоем Si, были исследованы на интерферометре белого света для определения параметра оптически измеренной глубины профиля (ОИГП). Параметр ОИГП определяется не только различиями глубины рельефа между его выступами и впадинами, но и сдвигом фаз при отражении света от различных материалов, составляющих эти выступы и впадины, а также интерференцией в многослойной структуре. В экспериментах было получено, что при прямой лазерной записи на исследуемых двухслойных металлосодержащих плёнках наблюдается увеличение ОИГП до ~ 100 нм при записи на Si/Zr и до ~ 60 нм при записи на Si/Hf. Экспериментально показано, что параметр ОИГП при записи на двухслойных металлосодержащих плёнках Si/Zr и Si/Hf в основном зависит от исходной толщины покровного слоя Si и слабо зависит от толщины нижележащей металлической плёнки. Таким образом, при изготовлении отражательных дифракционных оптических элементов с использованием одноэтапной технологии прямой лазерной записи можно оптимизировать покровный слой Si не с точки зрения получения максимального поглощения на длине волны лазерного записывающего пучка, а с точки зрения записи структур с требуемым значением параметра ОИГП, для достижения наибольшей дифракционной эффективности изготовленного элемента. Анализ изменения отражения от экспонированных участков при лазерной записи на двухслойных плёнках Si/Zr и Si/Hf показал, что имеется достаточно широкий диапазон мощности записывающего пучка, внутри которого коэффициент отражения от модифицированных участков при записи на исследуемых двухслойных плёнках достигает порогового значения и практически не изменяется до приближения к критической мощности термохимической записи, выше которой наблюдается плавление и испарение экспонируемого материала. Причиной этого может быть либо образование силицида с толщиной превышающей толщину скин-слоя, либо полное израсходование слоя кремния в процессе термохимической реакции. Такая своеобразная блокировка термохимической реакции в широком диапазоне мощности записывающего пучка может быть использована для более точного управления скважностью записываемых структур. Проведено экспериментальное исследование записи термохимических лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ТЛИППС) на плёнках Ti и Si/Ti на длине волны линейно поляризованного фемтосекундного лазерного записывающего пучка 513 нм. Анализ характеристик сформированных структур показал, что при скоростях сканирования до 10–25 мкм/с (в зависимости от мощности записывающего пучка) параметры дефектности и упорядоченности ТЛИППС, формируемых на плёнке Si/Ti хуже по сравнению с аналогичными структурами, записанными на плёнке Ti. Однако использование покровной плёнки Si позволяет улучшить характеристики ТЛИППС при скоростях сканирующей лазерной записи выше 25 мкм/с. Анализ ТЛИППС, записанных на плёнках Hf линейно поляризованным фемтосекундным лазерным записывающим пучком с длиной волны 513 нм показал, что ориентация формируемых структур зависит от скорости сканирования лазерной записи. В экспериментах было получено, что при малых скоростях сканирования (до ~25 мкм/с) в зависимости от мощности и скорости сканирования лазерного пучка наблюдается формирование ТЛИППС со следующими характеристиками: различная ориентация в центре и по краям формируемого следа; ориентация перпендикулярна направлению сканирования и вектору линейной поляризации записывающего пучка; формирование 2D структур. Для ТЛИППС, формируемых на двухслойной плёнке Si/Hf, основная ориентация структур в экспериментах всегда была сонаправлена с направлением сканирования и вектором линейной поляризации лазерного записывающего пучка. Разработана технология изготовления бинарных дифракционных оптических элементов, основанная на использовании термохимической реакции образования силицидов при прямой лазерной записи на двухслойной плёнке Si/Cr и двухэтапного селективного травления. Экспериментальная апробация предложенной технологии показала, что термохимически записанные хромово-силицидные маски имеют суперселективность по отношению к кремнию при травлении неэкспонированных участков двухслойной плёнки Si/Cr в 30% растворе KOH и к хрому при травлении открытых участков плёнки Cr в стандартном травителе хрома на основе K3Fe(CN)6. Перенос рисунка записанной и проявленной хромово-силицидной маски в материал подложки для формирования бинарного рельефа дифракционных оптических элементов осуществляется с помощью реактивного ионного травления в смеси CF4 + O2. Проведены эксперименты по прямой лазерной записи на плёнках Cr и Si/Cr на длине волны записывающего пучка 405 нм. В экспериментах было получено, что напыление поверхностного слоя Si позволяет до ~3,3 раза расширить диапазон мощности лазерного пучка для эффективной термохимической записи на плёнке Cr защитной маски, устойчивой к жидкостному проявлению, а также повысить пространственное разрешение термохимической лазерной записи как минимум до ~20% по сравнению с записью на однослойной плёнке Cr. Экспериментально исследована возможность увеличения чувствительности при прямой термохимической записи на двухслойной регистрирующей среде Si/Cr по сравнению с однослойной плёнкой Cr. В экспериментах было получено, что при увеличении поглощения двухслойной плёнки Si/Cr на длине волны 405 нм в ~2 раза по сравнению с плёнкой Cr, которое достигается с помощью напыления покровного слоя Si толщиной ~5 нм, защитная маска устойчивая к жидкостному проявлению, формируется при минимальной мощности лазерного записывающего пучка в ~1,4 раза ниже по сравнению с термохимической реакцией окисления плёнки Cr. Полученные результаты показали, что повышение чувствительности к термохимическому лазерному воздействию на длине волны 405 нм наблюдается у двухслойного материала Si/Cr по сравнению с однослойной металлической плёнкой при напылении покровного слоя Si толщиной до ~16 нм включительно.