Развитие сверхразрешающей термохимической лазерной технологии формирования компьютерно-синтезированных дифракционных наноструктур

Современные тенденции дальнейшего повышения точности формирования и сокращения минимальных размеров структуры дифракционных и растровых оптических элементов фотоники, а также повышения общего размера этих элементов вызывают существенные сложности при изготовлении. В настоящее время ставятся важные задачи обеспечения абсолютной точности и разрешения от сотен до десятков нанометров и менее на площади до сотен квадратных сантиметров.Одним из путей решения таких задач является применение уже существующих и разрабатываемых перспективных технологий, предназначенных для производства изделий микро- и наноэлектроники и базирующихся на электронно-лучевых генераторах изображений и высокоразрешающих оптических литографах дальнего ультрафиолетового диапазона. Однако, все они основаны на многостадийных процессах нанесения и травления относительно толстых (до сотен нанометров) светочувствительных органических резистов, а также «сшивки» небольших фрагментов (порядка 1 кв. мм) записываемой структуры, приводящей к существенному снижению абсолютной точности формирования границ топологии.Проведенные авторами исследования показали, что лазерно-индуцированное формирование тонких слоев оксидов на поверхности металлов может существенным образом менять оптические и химические (скорость травления) свойства поверхности. На основе этих исследований разработана безрезистивная термохимическая технология лазерно-индуцированного локального окисления тонких пленок хрома с последующим селективным травлением микрорисунка. Применительно к видимому диапазону длин волн, сейчас таким путем успешно изготавливаются синтезированные голограммы с минимальными воспроизводимыми размерами зон 0.5 мкм и общим и размерами до 200-300 мм, – в частности, для контроля точности изготовления уникальных асферических зеркал больших телескопов. Однако, в настоящее время, существует также ряд направлений фотоники, где указанные минимальные размеры структуры недостаточно малы. Одно из них – это субволновая дифракционная оптика. Это крайне перспективное направление требует создания микро- и наноструктур с типичным размером менее половины длины волны света. Таким образом, в настоящее время актуальным является поиск новых путей формирования наноструктурированых элементов фотоники, имеющих минимальные размеры зон порядка 100 нм и выполненных на подложках диаметром до 200 мм и более.Исследования проблем лазерного микроструктурирования тонких пленок различных металлов представляет острый интерес ввиду возможности записи изображений с высокой точностью и разрешающей способностью (выше оптической). Особое внимание планируется уделить в проекте изучению лазерного окисления тонких пленок металлов, образующих химически устойчивые окислы при пороговой зависимости скорости роста от мощности пучка. Ожидается, что исследования особенностей лазерного формирования оксидных пленок на различных металлах и сплавах, с учетом возникающих в процессе воздействия опто-термо-химических обратных связей, позволят повысить пространственное разрешение, оптимизировать существующие и разработать новые лазерные технологии формирования дифракционных оптических элементов, полосовых резонансных фильтров и других планарных элементов. Фундаментальная задача, на решение которой направлен проект – это разработка физических основ, а также новых оптических подходов и термохимических методов безрезистивной сверхразрешаюшей технологии лазерной нанолитографии на базе исследований по формированию наноструктур на тонких пленках металлов, при записи через подложку (стекло), через иммерсионную, воздушную или комбинированную среду (например, стекло-иммерсия). Предполагается оптимизировать пространственный спектр, поляризацию, мощность и вид импульсной модуляции лазерного пучка на основе теплофизической и термохимической моделейзаписи и нелинейной температурной динамики окисления пленок. Экспериментальную часть этих исследований планируется провести с применением оптических систем фокусировки с модифицированными стандартными или специально разработанными супер-разрешающими сухими и иммерсионными объективами, а также с использованием как стандартных тонких стеклянных подложек, так и толстых стеклянных (кварцевых) подложек с комбинированными тонкопленочными оптическими покрытиями. В качестве базы для экспериментов планируется использовать реконструируемый прецизионный лазерный нанолитограф (ЛНЛ) со специально разрабатываемыми новыми узлами УФ-ДУФ лазеров с блоком модуляции, системой автофокусировки, способной перемещать тяжелые экспериментальные образцы объективов, а также блоком преобразования поляризации записывающего пучка. Непрерывное сканирование лазерного пучка осуществляется в полярной системе координат путем вращения подложки при пошаговом перемещения одиночного либо мультиплицированного (в тангенциальном либо радиальном направлениях) сфокусированного лазерного пучка. В соответствии с поставленной целью, участники проекта ставят задачу исследования и выявления новых сверхразрешающих режимов записи наноструктурированных элементов фотоники и обеспечения возможности, таким образом, высокопроизводительной, прецизионной лазерной обработки тонких металлических пленок (помимо хрома будут исследованы молибден, титан и другие с пороговым характером кинетики термохимического окисления) с минимальным размером формируемых зон записываемой структуры порядка 100 нм при общих размерах структуры до 100-200 мм и абсолютной точности позиционирования отдельных зон по всей записываемой структуре не хуже 10 нм.Указанные исследования лежат в русле «Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ» (раздел «Индустрия наносистем и материалов»). Решение поставленных задач позволит поднять на новый уровень решение проблемных задач создания эталонных дифракционных элементов для проверки качества действующих и перспективных моделей больших и сверх-больших телескопов, рентгеновской оптики (телескопы и микроскопы), астрономической оптики космического базирования, оптики синхротронного излучения, оптики нанолитографических установок дальнего УФ, лазерной оптики УФ и рентгеновского диапазона, медицинских технологий исправления дефектов зрения и др.