СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2018 года по МПК G02B5/18 C23C14/48 

Изобретение относится к оптическому приборостроению устройствам дифракционной оптики [1], а именно, к способам изготовления дифракционных оптических элементов (дифракционных решеток, фотонных кристаллов, киноформов, фокусаторов, корректоров и др.), выполненным на основе алмаза [1, 2]. Использование алмаза в оптике связано с его высокой радиационной (лучевой) стойкостью, а также высокой теплопроводностью. Алмазные оптические элементы, обладая окном прозрачности в широком диапазоне длин волн от 0.2 до 5 мкм, могут работать при резких перепадах температуры, в агрессивной химической среде, при этом сохраняя свои характеристики. На практике алмазные дифракционные элементы используются:

- для преобразования пучков высокомощных лазеров, например, непрерывного СО₂-лазера, на котором удается использовать плотности мощности освещающего пучка до 20 кВт/см², с целью их применения для резки, сварки, закалки и других промышленных технологических операций [1, 3];

- для создания фотонно-кристаллических резонаторов с целью реализации квантовых механизмов хранения информации в устройствах интегральной оптики видимого диапазона [4];

- для управления потоками излучения в рентгеновской оптике, например при использовании алмазных Брегговских зеркал с коэффициентом отражения ~100% [5], и др.

Известен способ изготовления алмазных дифракционных решеток, выбранный в качестве аналога, который заключается в нанесении на алмазную подложку каталитической маски (например, напылением) и последующем нагреве структуры в среде транспортного газа (водорода) широкоапертурным потоком излучения (засветкой) с длиной волны, лежащей в окне прозрачности обрабатываемого материала, что инициирует локально по поверхности реакцию разложения алмаза (Волков А.В., Казанский Н.Л., Моисеев О.Ю., Сойфер В.А. Патент РФ на изобретение №2197006, опубликованный 20.01.2003).

Недостатком способа по аналогу является то, что для изготовления алмазной дифракционной решетки указанным методом требуется обязательное выполнение нескольких дополняющих друг друга технологических операций: (1) нанесение каталитической маски и (2) нагрев структуры в среде транспортного газа широкоапертурным потоком специального излучения.

Известен [6] способ выполнения маркировки на полированной поверхности алмаза, т.е. создания оптически видимого в отраженном свете изображения метки (видимой только с помощью оптического микроскопа), которая осуществляется путем модифицирования ионным пучком с заданной энергией ионов маркируемого участка этой поверхности. В процессе такого модифицирования преобразуется структура поверхностного слоя алмаза с изменением оптических свойств модифицированных участков по отношению к оптическим свойствам необработанных участков маркируемой поверхности алмаза. Модифицирование маркируемого участка осуществляется импульсным ионным пучком (постепенно) через-маску трафарет путем ионной имплантации модификатора в кристаллическую решетку алмаза в области маркируемого участка поверхностного слоя алмаза без разрушения ковалентных связей между атомами кристаллической решетки и, соответственно, без нарушения исходного рельефа этого слоя. Изменение оптических свойств маркируемого участка алмаза обеспечивается путем использования в качестве модификатора такого материала, ионы которого изменяют комплексный показатель преломления алмаза при их имплантации в его кристаллическую решетку в качестве примесных добавок (ионы бора или инертных металлов). При этом ионная имплантация алмаза осуществляется с энергией менее 10 кэВ, преимущественно 5-6 кэВ, с тем, чтобы глубина метки не превышала 5-6 нм.

Эта технология получения меток на поверхности алмаза [6] является наиболее близкой к заявляемому способу изготовления алмазной дифракционной решетки и поэтому выбрана в качестве прототипа.

Недостатки прототипа:

- структуры (метки), полученные на полированной поверхности алмаза, создаются для того, чтобы быть видимыми только на отражение и не могут быть использованы на пропускание;

- создание меток только очень малых размеров, видимых с помощью оптического микроскопа, что исключает микроструктурирование больших площадей алмазных подложек;

- создание меток без нарушения исходного рельефа поверхностного слоя алмаза, что исключает формирование профильных периодических микроструктур на алмазных подложках;

- создание меток осуществляется только импульсным ионным пучком, что ограничивает возможность использования технологии непрерывной имплантации и применения соответствующего ей оборудования;

- получение меток на поверхности алмаза без разрушения ковалентных связей (без разрушения структуры алмаза) ограничивает возможность создания в алмазе периодических областей иного химического или структурного состава, отличающихся от алмаза диэлектрическими константами, определяющими дифракционную способность алмазных решеток;

- ограничение режимов имплантации, т.е. использование энергии менее 10 кэВ, не позволяет создавать модифицированные имплантацией области алмаза, характеризуемые иным химическим или структурным составом, т.е. образуемых при разрушении ковалентных связей.

Решаемая техническая задача в заявляемом способе заключается в обеспечении возможности изготовления алмазной дифракционной решетки.

Поставленная техническая задача в предлагаемом способе изготовления алмазной дифракционной решетки, включающем формирование заданной периодической микроструктуры на поверхности полированного алмаза, достигается тем, что формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры осуществляют с помощью имплантации ионами бора с энергией 20-100 кэВ, дозой облучения 1⋅10¹⁵-1.0⋅10²⁰ ион/см² через поверхностную маску.

На фиг. 1 показан чертеж в изометрии фрагмента дифракционной решетки (изделия) содержащей: 1 - алмазную подложку; 2 - имплантированные ионами бора ячейки алмаза; 3 - необлученные перегородки из алмаза между ячейками.

На фиг. 2 показано рассчитанное распределение имплантированного бора по глубине в алмазе, при энергии облучения 40 кэВ.

На фиг. 3 показано изображение, полученное на оптическом микроскопе фрагмента дифракционной решетки, сформированной имплантацией алмаза ионами бора через поверхностную маску. Размер ячейки 40 мкм.

На фиг. 4 показано изображение, полученное на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), поверхности микроструктурированного алмаза (фрагмента дифракционной решетки), сформированного имплантацией ионами бора через поверхностную маску. Наблюдения проведены под углом 70 градусов к плоскости образца.

На фиг. 5 показано 3D-изображение, полученное на оптическом конфокальном микроскопе фрагмента дифракционной решетки, сформированного имплантацией алмаза ионами бора через поверхностную маску. Зондирование проводилось лазерным излучением на длине волны 488 нм.

На фиг. 6 показан Рамановский спектр алмаза, имплантированного ионами бора, измеренный в условиях комнатной температуры при зондировании лазерным излучением на длине волны 522 нм.

На фиг. 7 показано АСМ-изображение поверхности фрагмента алмазной дифракционной решетки в областях необлученной перегородки алмаза (темная часть) и имплантированных ячеек (светлые части). Светлой линией указано направление измерения поперечного сечения.

На фиг. 8 показан профиль поперечного сечения фрагмента алмазной дифракционной решетки, измеренный по направлению (светлой линии), приведенному на фиг. 6.

На фиг. 9 показано изображение картины дифракционного рассеяния, полученное на экране при отражении зондирующего излучения гелий-неонового лазера на длине волны 632.8 нм света от алмазной дифракционной решетки, сформированной имплантацией ионами бора через поверхностную маску.

На фиг. 10 показано изображение картины дифракционного рассеяния, полученное на экране при пропускании через образец зондирующего излучения гелий-неонового лазера на длине волны 632.8 нм света через алмазную дифракционную решетку, сформированную имплантацией ионами бора через поверхностную маску.

Рассмотрим способ изготовления алмазной дифракционной решетки, включающий формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры на поверхности полированного алмаза предлагаемым способом, заключающимся в формировании заданной дифракционной периодической микроструктуры с помощью непрерывной имплантации на ускорителе ИЛУ-3 ионами В⁺ с энергией Е=40 кэВ, дозой облучения D=1.3⋅10¹⁸ ион/см² в поверхностной области облучаемого алмаза при плотности тока ионного пучка J=3⋅10¹⁴ ион/см²⋅с через поверхностную маску - металлическую сетку с размерами ячейки 40 мкм. Размер алмазной дифракционной решетки ограничивается только размером облучаемого образца, и для данного примера составляет примерно 0.5×0.5 см.

На фиг. 1 показан в изометрии чертеж алмазной дифракционной решетки (изделия), содержащей алмазную полированную подложку 1 с дифракционной периодической микроструктурой на ее поверхности, элементами которой являются области, подвергнутые непрерывному ионному облучению - имплантированные участки (ячейки) 2. Имплантированные ячейки 2 являются графитизированными участками (областями) в алмазе, частично погруженными в приповерхностную область облучаемого алмаза, также частично возвышающимися над его поверхностью. Перегородки 3 находящиеся между имплантированными участками 2 являются необлученными областями алмаза 1.

Моделирование концентрационных профилей распределения имплантированного бора с энергией 40 кэВ по глубине облучаемого образца с помощью компьютерного алгоритма SRIM-2013 [7] (фиг. 2), показало, что в приповерхностном имплантированном слое алмаза происходит накопление атомов бора. Как следует из расчетов, для рассматриваемой энергии ускорения ионов бора глубина имплантированного слоя в алмазе составляет порядка 100 нм.

На фиг. 3 приведено изображение фрагмента алмазной дифракционной решетки, сформированной непрерывной имплантацией ионами бора через поверхностную маску, наблюдаемую на оптическом микроскопе ПОЛАР-1 (Микромед). Как видно из приведенного изображения, периодическая микроструктура состоит из чередующихся темных квадратных ячеек, относящихся к имплантированным участкам поверхности образца, разделенных стенками (светлые области) неимплантированного алмаза. Размер имплантированных ячеек соответствует размеру ячеек используемой поверхностной маски 40 мкм.

На фиг. 4 приведено изображение дифракционной решетки, полученной непрерывной имплантацией ионами бора через поверхностную маску, наблюдаемой под углом 70 градусов к поверхности алмаза на сканирующем электронном микроскопе Merlin (Carl Zeiss). На изображении отчетливо видны периодически чередующиеся темные шероховатые участки имплантированного алмаза, заключенные в светлосерую гладкую сетку неимплантированного образца.

Подтверждение формирования алмазной решетки при непрерывной имплантации алмаза ионами бора через поверхностную маску следует из наблюдения образца на оптическом конфокальном микроскопе - LSM 780 (Carl Zeiss). В качестве зондирующего сигнала использовалось излучение полупроводникового лазера на длине волны 488 нм, а регистрация оптического изображения образца осуществлялась в спектральной области 508-526 нм через отсекающие фильтры. Воздействие изучения на длине волны 488 нм приводит к возбуждению люминесценции алмаза в видимом диапазоне спектра [8]. На фиг. 5 показано оптическое 3D-изображение, сформированное в результате люминесценции алмаза (зеленое свечение) на участках поверхности (стенок решетки), закрытых во время имплантации маской. Области алмаза (ячейки решетки), подвергнутые имплантации, практически не люминесцируют и поэтому наблюдаются на фигуре темными квадратными участками (ячейками решетки).

Полученная алмазная дифракционная решетка, показанная на фиг. 3, 4 и 5, соответствует чертежу, приведенному на фиг. 1.

На фиг. 6 приведен спектр Рамановского рассеяния алмаза, подвергнутого имплантации ионами бора, измеренный в условиях комнатной температуры при зондировании излучением аргонового лазера на длине волны 522 нм. На низкочастотном участке спектра присутствует хорошо известная линия с максимумом 1336 см^-1, соответствующая алмазу, используемому в качестве подложки [9]. После проведения имплантации алмаза ионами бора в длинноволновой области спектра появляется линия с максимумом 1558 см-¹, характеризуя образование в образце графитизированных участков в местах разрушаемого алмаза.

Информация о состоянии имплантированного ионами бора алмазного слоя, сформированного при изготовлении дифракционной решетки, была получена при наблюдении образца на атомно-силовом микроскопе - (ACM) Innova Bruker. На фиг. 7 приведено АСМ-изображение фрагмента алмазной дифракционной решетки вблизи стенки (темная область) между имплантированными ячейками (светлые шероховатые области). На фиг. 8 представлен профиль поперечного сечения, измеренный по направлению, указанному на фиг. 7. Из фиг. 8 следует, что имплантированные ионами бора участки поверхности алмаза (ячейки) возвышаются над поверхностью алмаза примерно на 100 нм. При этом графитизированные ячейки дифракционной решетки являются оптически прозрачными. Такое возвышение имплантированных участков объясняется эффектом распухания облучаемых участков (ячеек решетки) образца, характеризуемого меньшей плотностью (ρ_графит=2.09-2.23 г/см³) по сравнению с алмазом (неграфитизированным материалом) (ρ_алмаз=3.47-3.55 г/см³) [10].

Имплантация алмаза ионами бора ведет как к изменению химического состава (накопление бора в образце), так и к модификации его фазовой углеродной структуры, т.е. образованию периодических областей графитизированного материла. В результате имплантации алмаза через поверхностную маску формируется рельефная микроструктура с периодически-изменяемым распределением оптических констант материала, т.е. между стенками алмаза с показателем преломления «n_алмаз=2.42 и графитизированными ячейками решетки (n_графит=2.1-2.23).

Таким образом, сформированная имплантацией микроструктура с периодически изменяемым показателем преломления представляет собой алмазную дифракционную решетку. На фиг. 9 и 10 приведены дифракционные изображения, регистрируемые при зондировании сформированной алмазной решетки гелий-неоновым лазером на длине волны 632.8 нм света на отражение от образца и на пропускание через него.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет изготавливать алмазные дифракционные решетки при помощи непрерывной имплантации ионами бора. Полученные алмазные дифракционные решетки могут быть созданы на больших площадях образца в несколько квадратных сантиметров и использованы на практике как для отраженного, так и для проходящего света.

Выбор режимов ионной имплантации, E=10-100кэВ и D=1⋅10¹⁵-1.0⋅10²⁰ ион/см², обуславливается тем, что за границами этих режимов не достигается необходимый технический результат, и качество изготовленных алмазных дифракционных решеток не будет соответствовать необходимым требованиям.

Доза облучения определяется необходимым количеством атомов имплантируемого вещества, чтобы, во-первых, обеспечить высокий контраст в разнице показателей преломления формируемых элементов дифракционной решетки. Это условие, согласно нашим исследованиям зависимости формирования графитизированных участков алмаза от дозы имплантации, выполняется при дозе облучения ионами бора порядка D=1⋅10¹⁵ ион/см². Во-вторых, формирование дифракционной решетки на поверхности алмаза не должно превышать разумной длительности ионной имплантации и по нашим оценкам достигаемая при этом доза составляет не более D=1.0⋅10²⁰ ион/см².

Энергия иона Е обуславливает величину его среднего проекционного пробега, которое определяет глубину залегания имплантированного иона, а, следовательно, толщину модифицированного слоя и дифракционной решетки. Сверху энергия ускорения иона ограничена величиной E=100 кэВ, поскольку при увеличении данной энергии имплантации и разумной длительности облучения не достигается требуемая концентрация примеси. Ограничение снизу величиной E=10 кэВ связано с тем, что при дальнейшем уменьшении Е рельеф поверхности алмаза, требуемый для функционирования дифракционной решетки, не формируется.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет изготавливать рельефные дифракционные решетки на алмазе при непрерывной имплантации ионами бора через поверхностную маску с возможностью использования решетки как для отраженного, так и для проходящего света.

Литература

1. Сойфер В.А. Методы компьютерной оптики. - М.: Физматлит 2003.

2. Раткин Л. Научные исследования в сфере фотоники. Приоритетные направления. Фотоника. 2011. №4. С. 18-23.

3. Коненко В.В., Конов В.И., Пименов СМ., Прохоров A.M., Павельев B.C., Сойфер В.А. Алмазная дифракционная оптика для мощных СО₂-лазеров. Квантовая электроника. 1999. Т. 26. №1. С. 9-10.

4. Тукмаков К.Н., Володин Б.О., Павельев B.C., Комленок М.С., Хомич А.А. Фотонно-кристаллический резонатор на алмазной пленке. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2012. Т. 7. Вып. 38. С. 112-116.

5. Shvydko Y., Stopin S., Blank V., Terentev S. Near 100% Bragg reflectivity. Nat. Photon. 2011. V. 5. P. 539-542.

6. Низенко Ю.К. Способ формирования идентификационной метки для маркировки ценных изделий и ценное изделие. Патент WO 2010128891 А1. 2010.

7. Ziegel J.B., Biersak J.R., Littmark U. The stopping and range of ions in solids. N.Z.: Pergamon, 1996.

8. Collins A.T. The characterization of point defects in diamond luminescence spectroscopy. Diamond and related materials. 1992. V. LP. 457-469.

9. Deslandes A., Guenette M.C., Belay K., Elliman R.G., Karatchevtseva I., Thomsen L., Riley D.P., Lumpkin G.R. Diamond structure recovery during ion irradiation at elevated temperatures. Nucl. Instr. Metn. Phys. Res. B. 2015. V. 365. P.331-335.

10. Хмельницкий P.А. Радиационное повреждение и графитизация алмаза при ионной имплантации. Диссертация. Москва, 2008, 97 с.

Способ включает в себя формирование заданной периодической микроструктуры на поверхности полированного алмаза с помощью имплантации ионами бора с энергией 10-100 кэВ, дозой облучения 1⋅10¹⁵-1.0⋅10²⁰ ион/см² через поверхностную маску. Технический результат заключается в обеспечении возможности изготовления алмазных дифракционных решеток при помощи непрерывной имплантации ионами бора. 10 ил.

Способ изготовления алмазной дифракционной решетки, включающий формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры на поверхности полированного алмаза, отличающийся тем, что формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры осуществляют с помощью имплантации ионами бора с энергией 10-100 кэВ, дозой облучения 1⋅10¹⁵-1.0⋅10²⁰ ион/см² через поверхностную маску.