Письма в ЖЭТФ, том 110, вып. 11, с. 759 - 764

Оптические и структурные эффекты при многоимпульсной

интерференционной фемтосекундной лазерной фабрикации

метаповерхностей на тонкой пленке аморфного кремния

С. И. Кудряшов^+∇1), П. А. Данилов^+∇, А. П. Порфирьев^×◦, А. А. Руденко⁺, Н. Н. Мельник⁺,

А. А. Кучмижак^∗∇, О. Б. Витрик^∗∇, А. А. Ионин⁺

⁺Физический институт им. П. Н. Лебедева, 119991 Москва, Россия

^∗Дальневосточный федеральный университет, 690041 Владивосток, Россия

^×Институт систем обработки изображений РАН - филиал Федерального научно-исследовательского центра

“Кристаллография и фотоника” РАН, 443001 Самара, Россия

^◦Самарский национальный исследовательский университет им. академика С. П. Королёва, 443086 Самара, Россия

^∇Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, 690041 Владивосток, Россия

Поступила в редакцию 23 октября 2019 г.

После переработки 6 ноября 2019 г.

Принята к публикации 6 ноября 2019 г.

Экспериментально исследовано формирование микромасштабных гексагональных массивов нано-

отверстий (метаповерхностей) в пленке гидрогенизированного аморфного кремния толщиной 50 нм пу-

тем трехлучевой интерференции фемтосекундных лазерных импульсов видимого диапазона (длина вол-

ны - 515 нм) в зависимости от экспозиции пленки. Характеризация массивов методами сканирующей

электронной и оптической микроскопии, а также микроспектроскопии оптического пропускания и от-

ражения показывает постепенное испарительное формирование в кремниевой пленке нано-отверстий и

метаповерхности в целом по мере роста числа лазерных импульсов при их фиксированной энергии, с

одновременным ростом объемного содержания кристаллической фазы согласно данным микроспектро-

скопии комбинационного рассеяния света.

DOI: 10.1134/S0370274X19230103

1. Гидрогенизированный аморфный кремний

наноструктурирования [5-8], позволяющие форми-

(а-Si) с полосой прозрачности (> 400 нм), соответ-

ровать в разумные сроки с помощью прецизионного

ствующей оптическому диапазону, рассматривается

воздействия фемтосекундных лазерных импульсов

как перспективный материал для создания оп-

с высокой частотой повторения большие массивы

тических волноводов с низкими потерями

[1],

плазмонных микроэлементов сложной формы. В то

соединителей (интерконнекторов)

[2], нелинейно-

же время, физические принципы фемтосекундной

оптических устройств сверхбыстрого переключения

лазерной фабрикации единичных диэлектрических

[3] и структурных наноэлементов метаповерхностей

микроэлементов [9, 10] и их больших массивов -

[4]. В настоящее время оптические и нелинейно-

как вопросы взаимодействия излучения с веще-

оптические устройства на базе а-Si формируются

ством [11, 12], так и сопутствующие технические

комбинированным методом напыления и литогра-

проблемы - пока еще находятся в стадии активной

фии, который совместим с КМОП-технологиями

разработки. В частности, в случае пленок а-Si при

(КМОП

- комплементарная структура металл-

многоимпульсном воздействии препятствующими

оксид-полупроводник) построения интегральных

факторами являются нежелательная структурная

микросхем и соответствующей схемотехникой,

модификация (например, кристаллизация) и суб-

однако, имеет и сопутствующие недостатки

абляционное

разрушение/наноструктурирование

дороговизну, значительный уровень химических

пленок и отдельных нано-элементов участками ла-

загрязнений, недостаточная гибкость. С другой

зерного пучка с субабляционной плотностью энергии

стороны, в последние годы активно развиваются вы-

[13, 14], разрушение диэлектрических наноэлементов

сокопроизводительные микротехнологии лазерного

вследствие тепловой нагрузки и другие факторы,

которые еще только предстоит установить.

¹⁾e-mail: kudryashovsi@lebedev.ru

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019

759

760

С. И. Кудряшов, П. А. Данилов, А. П. Порфирьев и др.

В настоящей работе с помощью оптических и

лялась на свежих участках пленки при фиксирован-

структурных методов впервые исследовались экспе-

ной максимальной энергии исходных импульсов око-

риментальные условия формирования больших упо-

ло 3 мкДж и варьируемой экспозиции N = 1-5 · 10³

рядоченных массивов нано-отверстий (метаповерх-

импульсов.

ностей) в пленке аморфного кремния в интерферен-

Пленки гидрогенизированного a-Si толщиной

ционном пространственном поле трех мультиплекси-

50 нм напылялись плазмохимическим методом из

рованных по пространству и синхронизованных по

газообразного моносилана при температуре 800 К

времени фемтосекундных лазерных импульсов.

на стеклянные предметные стекла. Спектры ком-

2. Многоимпульсное трехлучевое интерферен-

бинационного рассеяния света (рис. 2а), снятые при

ционное наноструктурирование пленок аморфного

комнатной температуре на длине волны возбуждаю-

кремния (a-Si) на стеклянных предметных стеклах,

щего лазерного излучения 488 нм с использованием

размещенных на трехкоординатной моторизованной

микроскопа U-1000 (Jobin Yvon), демонстрируют

платформе, выполнялось с помощью оптической схе-

основную известную полосу a-Si около

475 см^-1

мы (рис. 1а), где источником излучения высту-

(уширенная TO-полоса [15]). Спектроскопия про-

пускания в диапазоне 350-600 нм, выполненная с

использованием спектрофотометра СФ-2000, по-

казала быстрый рост коэффициента пропускания

пленки в диапазоне 400-500 нм с интерференцион-

ным минимумом пропускания и интерференционным

максимумом отражения в области 400 нм (рис. 2b),

а также высокое поглощение на длине волны УКИ

с коэффициентом α(515 нм) ≈ 4 · 10⁵ см^-1. Предва-

рительная визуализация массивов нано-отверстий в

пленках a-Si осуществлялась с помощью оптического

микроскопа Альтами-6, а более детальные иссле-

дования структуры массивов проводились методом

сканирующей электронной микроскопии (СЭМ,

микроскоп JEOL

7001F). Микро-спектроскопия

оптического пропускания и отражения массивов в

диапазоне 400-900 нм - как всего массива (область

порядка 25 мкм для размера апертуры 500 мкм и

микро-объектива 20×), так и отдельных его ячеек

Рис. 1. (Цветной онлайн) (а) - Оптическая блок-схема

(область порядка 2.5 мкм для размера апертуры

трехлучевой интерференционной записи метаповерхно-

100 мкм и микро-объектива 40×) проводилась с

стей c мультиплексированием фемтосекундного лазер-

помощью микроскопа-спектрометра МФУК.

ного импульса дифракционным оптическим элементом

3. Экспозиция пленки a-Si толщиной 50 нм тремя

(ДОЭ, DOE). (b) - Фазовый профиль бинарного ди-

интерферирующими пучками с небольшим числом

фракционного оптического элемента для мультиплек-

импульсов N = 1-10 показывает формирование гек-

сирования лазерного излучения. (с) - Эксперименталь-

сагонального массива как нанократеров, так и сквоз-

ное распределение интенсивности излучения в схеме

ных нано-отверстий диаметром 300-500 нм (рис. 3, 4),

трехлучевой интерференции

за счет неполной пространственной однородности ин-

пали ультракороткие (длительность по полувысо-

терференционной картины, связанной как с неодно-

те - 0.3 пс) лазерные импульсы видимого диапазо-

родностью профиля исходной TEM₀₀-моды, так и,

на (УКИ, центральная длина волны - 515 нм) во-

в основном, с определенным несовершенством про-

локонного лазера. Лазерные импульсы TEM₀₀-моды

странственной поперечной юстировки использован-

мультиплексировались в гексагональную структуру

ной простой оптической схемы. При дальнейшем ро-

бинарным дифракционным оптическим элементом

сте экспозиции в диапазоне N ≈ 50-1 · 10² сквозные

на базе плавленого кварца (рис. 1b, c), затем три

наноотверстия проявляются практически по всей об-

лишних пучка обрезались диафрагмой, а оставшие-

ласти интерференции при сохранении периода струк-

ся фокусировались на кремниевую пленку микрообъ-

туры около 1.5 мкм (рис.3), причем низкая ско-

ективом с числовой апертурой NA = 0.65 (рис. 1a).

рость проявления отверстий указывает на медлен-

Трехлучевая интерференционная запись осуществ-

ный испарительный характер удаления пленки этой

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019

Оптические и структурные эффекты при многоимпульсной интерференционной. . .

761

Рис. 2. (Цветной онлайн) (а) - КРС-спектр пленки a-Si толщиной 50 нм. (b) - Спектры пропускания и коэффициента

экстинкции (вставка) данной пленки a-Si

Рис. 3. Снимки СЭМ массивов нано-отверстий в пленке a-Si толщиной 50 нм при разных экспозициях: верхний ряд -

3-1000 импульсов (размер снимка - 10 × 10 мкм), нижний ряд - 3, 10 и 500 импульсов (размерная метка - 1 мкм)

сравнительно небольшой толщины. Далее, при N >

та отражения в силу двойного прохода излучения в

> 5 · 10² происходит заплавление и запыление нано-

структуре), что характеризует суб-волновой харак-

отверстий при сохранении локального гексагональ-

тер отверстий и сверх-волновой период структуры в

ного порядка расположения областей модификации,

данном спектральном диапазоне. При более сильной

что скорее указывает на внутренние причины разру-

экспозиции N > 5 · 10² по всему спектру происхо-

шения нано-отверстий (возможно, плазмонного ха-

дит рост пропускания и спад отражения, что можно

рактера или в результате случайного перерассеяния

связать как с увеличением диаметра нано-отверстий

на неоднородностях структуры), а не на неустойчи-

(противоречит данным СЭМ на рис. 3), так и отжи-

вость интерференционной картины по механическим

гу всей структуры в области интерференции, убира-

причинам.

ющего “хвосты” поглощения, связанные с дефектны-

Аналогично, спектры пропускания и отражения

ми состояниями в запрещенной зоне кристаллическо-

го кремния (см. вставку на рис.2b). На оптических

массивов нано-отверстий в диапазоне

400-900 нм

(рис. 4) демонстрируют крайне слабые изменения

микроснимках массивов в режимах пропускания и

соответствующих коэффициентов при экспозициях

отражения также хорошо заметна инверсия окраски

N < 5 · 10² (чуть более заметные для коэффициен-

отверстий для N > 5 · 10² (рис.4).

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019

762

С. И. Кудряшов, П. А. Данилов, А. П. Порфирьев и др.

Рис. 4. (Цветной онлайн) Спектры оптического пропускания (a) и отражения (b) массивов нано-отверстий в пленке

a-Si толщиной 50 нм при разных экспозициях N, указанных на вкладках; внизу - оптические микроснимки данных

массивов в зависимости от N в пропускании и отражении соответственно

Рис. 5. (Цветной онлайн) Спектры оптического пропускания (a) и отражения (b) отдельных ячеек массивов нано-

отверстий в пленке a-Si толщиной 50 нм при разных экспозициях N, указанных на вкладках

Более детальная характеризация спектров про-

сивов методом микроскопии КРС (рис. 6). Экспози-

пускания и отражения массивов нано-отверстий в

ция с количеством импульсов N ≈ 1 · 10² дает на

диапазоне 400-900 нм на уровне отдельных гексаго-

фоне широкой полосы аморфного кремния с пиком

нальных ячеек показывает более заметные измене-

в области 475 см^-1 сильный смещенный пик нано-

ния как коэффициента пропускания, так и коэффи-

кристаллического кремния при 517.0 ± 0.3 см^-1 и по-

циента отражения при сохранении тех же особенно-

лушириной около 11 см^-1 (рис. 6a) с размером кри-

стей их спектров (рис.5).

сталлита порядка 3-5 нм [16]. При большей экспози-

ции N ≈ 1 · 10³ (рис. 6b) пик нанокристаллического

Наблюдаемые изменения оптических характери-

кремния появляется на фоне полосы аморфного ма-

стик массивов наноотверстий становятся более по-

териала как при съемке центральной области мас-

нятными после анализа структуры материала мас-

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019

Оптические и структурные эффекты при многоимпульсной интерференционной. . .

763

Рис. 6. (Цветной онлайн) КРС-спектры кремния вне массива (film) и внутри массива (array) наноотверстий, внутри

элементарной ячейки (unit cell), нано-отверстия (nanohole) и по его периферии (film2) при экспозиции N ≈ 1 · 10² (a)

и 1 · 10³ (b) импульсов. Вставка: микроснимок неоднородной структуры нано-отверстий в пропускании (расстояние

между центрами отверстий - около 2 мкм)

сива (зондируемая область размером около 25 мкм),

зи 500 нм (рис.4,5) также резкий минимум в области

так и материала между отверстиями. Зондирование

1.2 мкм (не показан), связанный, по-видимому, с кол-

сложной кольцеобразной структуры наноотверстий,

лективной (дифракционной) модой массива. Однако

полученной при больших экспозициях, показывает

сильная экспозиция с числом импульсов N ≈ 10³ не

доминирующий пик нанокристаллического кремния

улучшает, а разрушает массивы на уровне отдельных

практически без фона сигнала аморфного материа-

наноотверстий, по-видимому, вследствие неоднород-

ла (рис. 6b). Наблюдаемый отжиг материала пленки

ного отжига материала пленки в области интерфе-

в области формирования массива наноотверстий от-

ренции и нарастающего рассеяния лазерного излу-

части объясняет представленное выше кумулятивное

чения на неоднородной структуре вблизи отверстий.

изменение его оптических характеристик по мере ро-

4. Таким образом, в данной работе исследованы

ста лазерной экспозиции.

оптические и структурные процессы при формирова-

нии гексагональных массивов нано-отверстий (мета-

В результате многоимпульсная интерференцион-

поверхностей) в тонкой пленке гидрогенизированно-

ная фемтосекундная лазерная запись массивов суб-

го аморфного кремния методом трехлучевой интер-

волновых наноотверстий в пленке аморфного крем-

ференции мультиплексированных фемтосекундных

ния позволяет с помощью простой трехлучевой опти-

лазерных импульсов видимого диапазона при раз-

ческой схемы успешно формировать многоэлемент-

личных экспозициях. Установлен оптимальный ре-

ные массивы нано-отверстий с размером до 300 нм

жим записи таких массивов (метаповерхностей) при

(несмотря на высокую скорость амбиполярной диф-

промежуточных лазерных экспозициях и отмечена

фузии плотной электрон-дырочной плазмы на мас-

деградация оптических, а также структурных харак-

штабах 100-200 нм в a-Si [17]) с сохранением регу-

теристик массивов при избыточной экспозиции.

лярной упаковки участков модификации пленки да-

Работа поддержана грантом Российского научно-

же после нескольких тысяч импульсов, то есть с со-

го фонда (проект # 16-12-10165).

хранением долговременной устойчивости интерфе-

ренционной картины; при этом контрастность ин-

терференционной картины достаточна, чтобы избе-

1. M. J. A. de Dood, A. Polman, T. Zijlstra, E. W. J. M. van

жать формирования периодических поверхностных

der Drift, J. Appl. Phys. 92(2), 649 (2002).

наноструктур [13, 14]. При широкополосной оптиче-

2. K. Narayanan and S. F. Preble, Opt. Exp. 18(9), 8998

ской характеризации (400-2000 нм) массив, форми-

(2010).

руемый при экспозиции N ≈ 50, демонстрирует поми-

3. K. Narayanan, A. W. Elshaari, and S. F. Preble, Opt.

мо интерференционного минимума отражения вбли-

Exp. 18(10), 9809 (2010).

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019

764

С. И. Кудряшов, П. А. Данилов, А. П. Порфирьев и др.

4. M. R.

Shcherbakov,

P. P.

Vabishchevich,

12(12), 122001 (2019); https://doi.org/10.7567/1882-

A.S. Shorokhov, K. E. Chong, D. Y. Choi, I. Staude,

0786/ab4b1b.

A.E. Miroshnichenko, D. E. Neshev, A. A. Fedyanin,

10. П. А. Данилов, Д. А. Заярный, А. А. Ионин,

and Y. S. Kivshar, Nano Lett. 15(10), 6985 (2015).

С. И. Кудряшов, Е. П. Литовко, Н. Н. Мельник,

5. Д. А. Заярный, A. A. Ионин, И. В. Киселева,

А. А. Руденко, И. Н. Сараева, С. Ф. Уманская,

Р. А. Хмельницкий, Письма в ЖЭТФ 105(11), 693

С. И. Кудряшов, С. В. Макаров, А. А. Руденко,

(2017).

И. А. Тимкин, Р. А. Хмельницкий, Ч.Т. Х. Нгуен,

11. S. Makarov, S. I. Kudryashov, I. Mukhin, A. Mozharov,

Письма в ЖЭТФ 100(5), 332 (2014).

V. Milichko, A. Krasnok, and P. A. Belov, Nano Lett.

6. S. Syubaev, A. Zhizhchenko, A. Kuchmizhak,

15(9), 6187 (2015).

A. Porfirev, E. Pustovalov, O. Vitrik, Yu. Kulchin,

12. Н. А. Смирнов, С. И. Кудряшов, П. А. Данилов,

S. Khonina, and S. Kudryashov, Opt. Exp. 25(9),

А. А. Руденко, А. А. Ионин, А. А. Настулявичус,

10214 (2017).

Письма в ЖЭТФ 108(6), 393 (2018).

7. S. I. Kudryashov, P. A. Danilov, A. P. Porfirev,

13. Д. В. Амасев, М. В. Хенкин, R. Drevinskas, А. Г. Ка-

I. N. Saraeva, T. H. T. Nguyen, A. A. Rudenko,

занский, P. Kazansky, ЖТФ 87(6), 909 (2017).

R.A. Khmelnitskii, D.A. Zayarny, A. A. Ionin,

14. D. V. Shuleiko, F. V. Potemkin, I. A. Romanov,

A.A. Kuchmizhak, S.N. Khonina, and O. B. Vitrik,

I. N. Parhomenko, A. V. Pavlikov, D.E. Presnov,

Appl. Surf. Sci. 484, 948 (2019).

S. V. Zabotnov, A.G. Kazanskii, and P. K. Kashkarov,

8. П. А. Данилов, Д. А. Заярный, А. А. Ионин,

Laser Phys. Lett. 15(5), 056001 (2018).

С. И. Кудряшов, А. А. Руденко, А. А. Кучмижак,

15. Z. Zeng, Q. Zeng, W. L. Mao, and S. Qu, J. Appl. Phys.

О. Б. Витрик, Ю. Н. Кульчин, В. В. Жаховский,

115, 103514 (2014).

Н. А. Иногамов, Письма в ЖЭТФ

104(11),

780

16. G. Faraci, S. Gibilisco, P. Russo, A. R. Pennisi, and

(2016).

S. La Rosa, Phys. Rev. B 73(3), 033307 (2006).

9. I. Shishkin, A. Polushkin, E. Tiguntseva, A. Murzin,

17. P. Danilov, A. Ionin, R. Khmelnitskii, I. Kiseleva,

B. Stroganov, Y. Kapitonov, S. Kulinich,

S. Kudryashov, N. Melnik, A. Rudenko, N. Smirnov,

A. Kuchmizhak, and S. Makarov, Appl. Phys. Exp.

and D. Zayarny, Appl. Surf. Sci. 425, 170 (2017).

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019