Modeling of information recording and selective etching processes in inorganic resists

Abstract

Theoretical consideration and computer modeling of information pit recording and etching processes in chalcogenide vitreous semiconductors are proposed, namely we demonstrate how to record and develop information pits with the necessary shape and sizes in the inorganic resist using focused Gaussian laser beam and selective etching. It has been shown that phototransformed region cross-section could be almost trapezoidal or parabolic depending on the resist material optical absorption, recording beam power, exposure, etchant selectivity and etching time. Namely, during the laser illumination and thermal heating caused by it, photosensitive material is the quasi-equilibrium microscopic mixture of the transformed and nontransformed phases with different optical absorption coefficients: temperature dependent near the absorption edge «transformed» coefficient бe and almost independent coefficient α0 . If αe ≤ α0 e after thermal heating, the photo-transformed region «bleaches» and the pit depth increases more rapidly under the following laser power increasing. If αe > α0 , the phototransformed region «darkens» and the pit depth increases sub-linearly or even saturates under the following laser power increasing. Thus, almost parabolic or flattened pits appear when αe ≥ α0, whereas the pits with elongated tops appear when αe << α0. After illumination, the spatial distribution of photo-transformed material fraction was calculated using the Kolmogorov-Awrami equation. Analyzing obtained results, we derived a rather simple approximate analytical expression for the dependence of the phototransformed region width and depth on the recording Gaussian beam power, radius and exposure time. Then the selective etching process was simulated numerically. The obtained results quantitatively describe the characteristics of pits recorded by the Gaussian laser beam in thin layers of As₄₀S₆₀ chalcogenide semiconductor. Our model open possibilities how to select the necessary recording procedure and etching conditions in order to obtain pits with the optimum shape and sizes.

Запропоновано теоретичний розгляд та комп’ютерне моделювання процесів запису інформації та селективного травлення в халькогенідних напівпровідниках. Змодульовано процес одержання інформаційних питів необхідної форми та розміру у неорганічному резисті, використовуючи сфокусований гаусівський лазерний пучок та селективне травлення. Показано, що переріз фототрансформованої області змінюється від майже трапецієвидного до параболічного в залежності від коефіцієнта оптичного поглинання, потужності лазерного пучка, експозиції, селективності травника та часу травлення. Просторовий розподіл долі фототрансформованого матеріалу розраховано з рівняння Колмогорова-Аврами. Проаналізовано одержані результати й виведено досить простий наближений аналітичний вираз для залежності ширини та висоти фототрансформованої області від потужності лазерного пучка, його радіусу, часу експонування та селективності травника. Одержані результати добре описують характеристики пітів, записаних у тонких шарах халькогеніду As₄₀S₆₀. Модель відкриває реальну можливість добору умов запису та травлення резисту, необхідних для одержання пітів з оптимальними розмірами.

Предложено теоретическое рассмотрение и компьютерное моделирование процессов записи информации и селективного травления в халькогенидных полупроводниках. Смоделирован процесс получения информационных питов необходимой формы и размеров в неорганическом резисте, используя сфокусированный гауссовский лазерный пучок и селективное травление. Показано, что сечение фототрансформированной области может изменяться от практически трапециевидного до параболического в зависимости от коэффициента оптического поглощения, мощности лазерного пучка, экспозиции, селективности травителя и времени травления. Пространственное распределение доли фототрансформированного материала рассчитано из уравнения Колмогорова-Аврами. Проанализированы полученные результаты и выведено достаточно простое приближенное аналитическое выражение для зависимости ширины и высоты фототрансформированной области от мощности лазерного пучка, его радиуса, времени экспонирования и селективности травителя. Полученные результаты хорошо описывают характеристики питов, записанных в тонких слоях халькогенида As₄₀S₆₀. Модель открывает реальную возможность выбора условий записи и травления резиста, необходимых для получения питов с оптимальными размерами.