ENG
РУС
Поиск
Меню
О журнале
Политика открытого доступа
Редакционная коллегия
Редакционная политика
Редакционная этика
Правила рецензирования статей
Требования к оформлению статей
Формы представляемых документов
Рекомендации по оформлению ссылок на наш журнал
Редакция
Информация для подписчиков
Аннотации номера
Список авторов
Выпуски
Лицензионное соглашение
Порядок работы с персональными данными
Публикации
2025
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры













































doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-1-23-32

УДК 535.211, 535.217, 544.032.65

Прямая лазерная термохимическая запись на пленках титана для создания растрированных изображений

Пивоваров А.Д., Усынина Е.В., Синев Д.А.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Пивоваров А.Д., Усынина Е.В., Синев Д.А. Прямая лазерная термохимическая запись на пленках титана для создания растрированных изображений // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2025. Т. 25, № 1. С. 23–32. doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-1-23-32


Аннотация
Введение. Формирование полутоновых фотошаблонов является сложной технической задачей, которая в ряде случаев может быть решена за счет растрирования. Cуществующие работы в области прямой лазерной термохимической записи показывают возможности формирования локальных областей прозрачности в результате окисления тонких пленок металлов, но итоговый контраст коэффициента пропускания получаемой структуры оказывается сложно прогнозируемым в связи с комплексностью влияющих факторов. В настоящей работе предлагается экспериментальный подход к объединению методов полутоновой термохимической записи и фоторастрирования для создания структур с управляемой прозрачностью на пленках титана, которые могут составить основу для записи топологий растрированных фотошаблонов. Метод. В качестве образцов использованы тонкие (20–40 нм) пленки титана, воздействие на которые осуществлялось с помощью технологического комплекса «МиниМаркер-2» на базе волоконного иттербиевого лазера. Прямая запись сканирующим сфокусированным пучком выполнена с использованием встроенной системы гальванометрических сканаторов. Анализ оптических и геометрических характеристик записанных структур проведен с применением оптического микроскопа. Экспериментально определенные режимы записи подтверждены проведенным численно-аналитическим моделированием температурных режимов. Основные результаты. Показано, что формирование контрастных структур происходит в диапазонах плотностей мощности 15–140 МВт/м2 при сканировании со скоростями от 0,1 до 1 мм/с, а изменение контрастности структур достигается при плотностях мощности 50–90 МВт/м2. Контраст коэффициента пропускания записанных структур относительно исходного значения прозрачности пленки управляемо варьируется от 1 до 40 %. В ряде режимов выявлено формирование периодических структур с периодом порядка 0,71 мкм, приводящих к дифракционным эффектам, наблюдаемым в отраженном свете. Обсуждение. Получены теоретически смоделированные и экспериментально подтвержденные режимы записи структур при воздействии излучения наносекундной длительности. Показано, что варьирование параметров воздействия позволяет локализовать области окисления, что приводит к изменению контраста интенсивности проходящего света и позволяет создавать полутоновые растрированные изображения с заданными значениями градации серого в проходящем свете. Практическая значимость полученных результатов показана на примере записи оптического элемента типа полутонового растрированного фотошаблона с заданной геометрией и значениями контраста.

Ключевые слова: растрированные фотошаблоны, тонкие пленки титана, лазерная термохимическая запись, дифракционная оптика, лазерная литография, лазерно-индуцированное окисление, лазерно-индуцированные поверхностные периодические структуры

Благодарности. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-79-10230, https://rscf.ru/project/24-79-10230/. Авторы благодарят аспиранта Института лазерных технологий Университета ИТМО Ибрахима Косая за помощь в проведении экспериментов.

Список литературы
  1. Иванов С.А., Доан Ван Бак, Игнатьев А.И., Никоноров Н.В. Особенности записи наложенных голограмм в фото-термо-рефрактивном стекле // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 3. С. 428–435. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2016-16-3-428-435 
  2. Rathsack B.M., Tabery C.E., Scheer S.A., Pochkowski M., Philbin C., Kalk F., Henderson C.L., Buck P.D., Willson C.G. Optical lithography simulation and photoresist optimization for photomask fabrication // Proceedings of SPIE. 1999. V. 3678. P. 1215–1226. https://doi.org/10.1117/12.350173 
  3. Koronkevich V.P., Kiryanov V.P., Korol'kov V.P., Poleshchuk A.G., Cherkashin V.V., Churin E.G., Kharisov A.A. Fabrication of diffractive optical elements by direct laser-writing with circular scanning // Proceedings of SPIE. 1995. V. 2363. P. 290–297. https://doi.org/10.1117/12.199647 
  4. Зорич Н.Д., Лившиц И.Л., Соколова Е.А. Преимущества использования дифракционных оптических элементов в простых оптических изображающих системах // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 1. С. 6–13. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2015-15-1-6-13 
  5. Полещук А.Г. Методы формирования профиля поверхности дифракционных оптических элементов // Компьютерная оптика. 1996. № 16. С. 54–61. 
  6. 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. N 5. P. 474–483. https://doi.org/10.3103/S8756699017050077 
  7. Knoblich M., Uwurukundo X., Stumpf D., Kraus M., Hillmer H., Brunner R. Annular gray tone lithography for the fabrication of rotationally symmetric continuous relief meso- and microscale optical elements // Photonics. 2023. V.10. N9. P.1000. https://doi.org/10.3390/photonics10091000 
  8. Li J., Ge S., Liu W. High-efficiency and high-precision replication manufacturing of large-aperture multi-level diffractive lenses // Proceedings of SPIE. 2023. V. 12963. P. 129631I. https://doi.org/10.1117/12.3007883
  9. Oscurato S., Reda F., Salvatore M., Borbone F., Maddalena P., Ambrosio A. Shapeshifting diffractive optical devices // Laser & Photonics Reviews. 2021. V. 16. N 4. P. 2100514. https://doi.org/10.1002/lpor.202100514 
  10. Медунецкий В.М., Солк С.В. Опыт применения и перспективы технологии алмазного микроточения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 1(89). С. 165–169. 
  11. Zhang J., Li X., Fu Y., Zheng Y., Mo H., Chen X., Xiao J., Xu J. Improved machinability of single crystal silicon by applying in-situ laser-vibration hybrid assisted diamond cutting // Journal of Materials Processing Technology. 2024. V. 326. P. 118343. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118343 
  12. Wang H., Wang H., Zhang W., Yang, J. Toward Near-Perfect Diffractive Optical Elements via Nanoscale 3D Printing // ACS Nano. 2020. V.14. N8. P. 10452–10461. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c04313 
  13. Eshe R., Frumkin V., Nice M., Luria O., Ferdman B., Opatovski N., Gommed K., Shusteff M., Shechtman Y., Bercovici M. Programmable thermocapillary shaping of thin liquid films // Flow. 2022. V. 2. P. E27. https://doi.org/10.1017/flo.2022.17
  14. Елисеев Н.Н., Невзоров А.А., Михалевский В.А., Киселев А.В., Бурцев А.А., Ионин В.В., Лотин А.А. Переключение электрических свойств тонкопленочных мемристивных элементов на основе GeTe последовательностями сверхкоротких лазерных импульсов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23. № 5. С. 911–919. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-5-911-919 
  15. Koreshev S.N., Ratushnyi V.P. Short-wave boundary of applicability of relief-phase reflecting holograms on a thin film of a chalcogenide glassy semiconductor // Proceedings of SPIE. 2013. V. 8644. P. 86440W. https://doi.org/10.1117/12.981446 
  16. Dykes J.M., Plesa C., Chapman G.H. Enhancing direct-write laser control techniques for bimetallic grayscale photomasks // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6883. P. 688312. https://doi.org/10.1117/12.765006 
  17. Wang R., Wei J., Fan Y. Chalcogenide phase-change thin films used as grayscale photolithography materials // Optics express. 2014. V. 22. N 5. P. 4973–4984. https://doi.org/10.1364/OE.22.004973 
  18. Gotchiyaev V.Z., Korolkov V.P., Sokolov A.P., Chernukhin V.P. High resolution optical recording on a-Si films // Journal of Non-Crystalline Solids. 1991. V. 137-138. Part. 2. P. 1297–1300. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(05)80361-8 
  19. Гочияев В.З., Корольков В.П., Соколов А.П., Чернухин В.П. Полутоновая оптическая запись на пленках a-Si // Квантовая электроника. 1989. Т. 16. № 11. С. 2343–2348. 
  20. Акишина Е.Ю., Лазарева К.Е., Никоноров Н.В., Сидоров А.И., Цехомский В.А. Влияние галогенов на спектральные и фоточувствительные свойства фото-термо-рефрактивных стекол // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2009. № 2(60). С. 5–16. 
  21. Korolkov V.P., Malyshev A.I., Nikitin V.G., Poleshchuk A.G., Kharissov A.A., Cherkashin V.V. Application of gray-scale LDW-glass masks for fabrication of high-efficiency does // Proceedings of SPIE. 1999. V. 3633. P. 129–138. https://doi.org/10.1117/12.349316 
  22. Korolkov V. P., Malyshev A.I., Poleshchuk A.G., Cherkashin V.V., Tiziani H.J., Pruss C., Schoder T., Westhauser J., Wu C. Fabrication of gray-scale masks and diffractive optical elements with LDW-glass // Proceedings of SPIE. 2001. V. 4440. P. 73–84. https://doi.org/ 10.1117/12.448026 
  23. Корольков В.П., Малышев А.И., Никитин В.Г., Полещук А.Г., Харисов А.А., Черкашин В.В., Ву Ч. Полутоновые фотошаблоны на основе LDW-стекол // Автометрия. 1998. № 6. С. 27–37. 
  24. Zhestkij N.A., Efimova A.S., Kenzhebayeva Y., Povarov S.A., Alekseevskiy P.V., Rzhevskiy S.S., Shipilovskikh S.A., Milichko V.A. Grayscale to multicolor laser writing inside a Label-Free Metal-Organic frameworks // Advanced Functional Materials. 2024. V. 34. N. 30. P. 2311235. https://doi.org/10.1002/adfm.202311235https://doi.org/10.1002/lpor.202100514 
  25. Low M., Lee H., Lim C., Sandeep C., Murukeshan V., Kim S., Kim Y. Laser-induced reduced-graphene-oxide micro-optics patterned by femtosecond laser direct writing // Applied Surface Science. 2020. V. 526. P. 146647. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146647 
  26. Gorbunov A.A., Eichler H., Pompe W., Huey B. Lateral self-limitation in the laser-induced oxidation of ultrathin metal films // Applied Physics Letters. 1996. V. 69. N 19. P. 2816–2818. https://doi.org/10.1063/1.116853
  27. Shakhno E.A., Nguyen Q.D., Sinev D., Veiko V.P. Lateral proximity effect in direct laser thermochemical recording on thin titanium films // Optical and Quantum Electronics. 2023. V. 55. N 6. P. 502. https://doi.org/10.1007/s11082-023-04801-0 
  28. Shakhno E.A., Nguyen Q., 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. N 6. P. 312–319. https://doi.org/10.1364/JOT.89.000312 
  29. 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. N 5. P. 298–302. https://doi.org/10.1364/JOT.81.000298 
  30. Veiko V.P., Shakhno E.A., Sinev D.A. Laser thermochemical writing: pursuing the resolution // Optical and Quantum Electronics. 2016. V. 48. N 6. P. 322. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0594-y 
  31. Veiko V.P., Nguyen Q., 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. N 11. P. 348. https://doi.org/10.1007/s11082-019-2073-8 
  32. Veiko V.P., Zakoldaev R.A., Shakhno E.A., Sinev D.A., Nguyen Z.K., Baranov A.V., Bogdanov K.V., Gedvilas M., Raciukaitis 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. N 6. P. 2729–2737. https://doi.org/10.1364/OME.9.002729 
  33. Sinev D.A., Yuzhakova D.S., Moskvin M.K., Veiko V.P. Formation of the submicron oxidative LIPSS on thin titanium films during nanosecond laser recording // Nanomaterials. 2020. V. 10. N 11. P. 2161. https://doi.org/10.3390/nano10112161 
  34. Nguyen Q., Shakhno E.A., Sinev D.A., Zakoldaev R.A., Veiko V.P. Forming microstructures of certain transparency on thin titanium films by laser thermochemical method // Journal of Physics: Conference Series. 2021. V. 1822. N 1. P. 012006. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1822/1/012006 
  35. Shakhno E.A., Nguyen Q., Sinev D.A., Matvienko E., Zakoldaev R.A., Veiko V.P. Laser thermochemical high-contrast recording on thin metal films // Nanomaterials. 2021. V. 11. N 1. P. 67. https://doi.org/10.3390/nano11010067 
  36. Xia F., Jiao L.P., 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. N 10. P. 4097–4103. https://doi.org/10.1364/OME.9.004097 
  37. Ibrahim Q., Andreeva Y., Suvorov A., Khmelenin D., Grigoryev E., Shcherbakov A.A., Sinev D. Laser fabrication of 1D and 2D periodic subwavelength gratings on titanium films // Optics and Laser Technology. 2024. V. 174. P. 110642. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.110642 
  38. Poleshchuk A.G., Korolkov V.P., Sedukhin A.G., Sametov A.R., Shimanskii R.V. Direct laser writing of gray-scale microimages with a large dynamic range in chromium films // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2015. V. 51. N 3. P. 287–292. https://doi.org/10.3103/S8756699015030115 
  39. 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. N 12. P. 389. https://doi.org/10.1007/s11082-019-2111-6 
  40. Guo C.F., Cao S., Jiang P., Fang Y., Zhang J., Fan Y., Wang Y., Xu W., Zhao Z., Liu Q. Grayscale photomask fabricated by laser direct writing in metallic nano-films // Optics Express. 2009. V. 17. N 22. P. 19981–19987. https://doi.org/10.1364/OE.17.019981 
  41. Guo C.F., Zhang J.M., Miao J.J., Fan Y.T., Liu Q. MTMO grayscale photomask // Optics Express. 2010. V. 18. N 3. P. 2621–2631. https://doi.org/10.1364/OE.18.002621 
  42. Xia F., Zhang X., Wang M., Yi S.M., Liu Q., Xu J.J. Numerical analysis of the sub-wavelength fabrication of MTMO grayscale photomasks by direct laser writing // Optics Express. 2014. V. 22. N 14. P. 16889–16896. https://doi.org/10.1364/OE.22.016889 
  43. Xia F., Zhang K., Li S., Yun M., Kong W., Zhang X., Liu Q. Simulation of the laser-induced oxidation process in fabricated Sn-MTMO grayscale photomasks // OSA Continuum. 2021. V. 4. N 1. P. 65-71. https://doi.org/10.1364/OSAC.411797 
  44. Xia F., Zhang X., Wang M., Liu Q., Xu J.J. Analysis of the laser oxidation kinetics process of In-In2O3 MTMO photomasks by laser direct writing // Optics Express. 2015. V. 23. N 22. P. 29193–29201. https://doi.org/10.1364/OE.23.029193 
  45. Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Sametov A.R., Malyshev A.I., Belousov D.A., Mikerin S.L., Kuts R.I. Direct laser writing of high-NA computer-generated holograms on metal films of the titanium group and chromium // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11188. P. 111880R. https://doi.org/10.1117/12.2537269 
  46. Belousov D.A., Bronnikov K.A., Okotrub K.A., Mikerin S.L., Korolkov V.P., Terentyev V.S., Dostovalov A.V. Thermochemical Laser-Induced Periodic Surface Structures formation by femtosecond laser on Hf thin films in air and vacuum // Materials. 2021. V. 14. N 21. P. 6714. https://doi.org/10.3390/ma14216714 
  47. Korolkov V.P., Sedukhin A.G., Belousov D.A., Shimansky R.V., Khomutov V.N., Mikerin S.L., Spesivtsev E.V., Kutz, R.I. Increasing the spatial resolution of direct laser writing of diffractive structures on thin films of titanium group metals // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11030. P. 110300A. https://doi.org/10.1117/12.2520978
  48. Ponkratova E.Y., Kuzmichev A.M., Rud D.A., Khubezhov S.A., Dolgintsev D.M., Ageev E.I., Veiko V.P., Sinev D.A., Zuev D.A. Nanosecond Laser-Assisted Fabrication of photocatalytically active TIO2 nanocoatings: Implication in organic dyes degradation // ACS Applied Nano Materials. 2024. V. 7. N 16. P. 19268–19278. https://doi.org/10.1021/acsanm.4c03155 
  49. Kozlova E., Kotlyar V. Ultrashort laser pulse focusing by amplitude and phase zone plates // Photonics. 2022. V. 9. N 9. P. 662. https://doi.org/10.3390/photonics9090662 
  50. Либенсон М.Н. Нагрев и разрушение тонких пленок излучением ОКГ // Физика и химия обработки материалов. 1968. № 2. С. 3–11. 


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2025 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика