Direct laser writing technology for microrelief metal structures on thin chromium films

Direct laser writing is increasingly considered a promising maskless alternative to conventional photolithography for the fabrication of microrelief structures required in photonics, micro-optics, and information-optical systems. The present study investigates the formation of micro-structured relie...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2026
Hauptverfasser:	Чегіль, Ю. І., Буток, О. М., Беляк, Є. В., Крючин, А. А.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainisch
Veröffentlicht:	Інститут проблем реєстрації інформації НАН України 2026
Schlagworte:	direct laser writing laser ablation microrelief structures thin chromium films diffraction optical elements pulsed laser radiation laser micromachining
Online Zugang:	https://drsp.ipri.kiev.ua/article/view/363130
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Data Recording, Storage & Processing
Завантажити файл:

Institution

Data Recording, Storage & Processing

_version_	1868294467534979072
author	Чегіль, Ю. І. Буток, О. М. Беляк, Є. В. Крючин, А. А.
author_facet	Чегіль, Ю. І. Буток, О. М. Беляк, Є. В. Крючин, А. А.
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Ю. І. Чегіль", "institution": "Інститут проблем реєстрації інформації НАН України" }, { "author": "О. М. Буток", "institution": "Інститут проблем реєстрації інформації НАН України" }, { "author": "Є. В. Беляк", "institution": "Інститут проблем реєстрації інформації НАНУ" }, { "author": "А. А. Крючин", "institution": "Інститут проблем реєстрації інформації НАН України" } ]
author_sort	Чегіль, Ю. І.
baseUrl_str	http://drsp.ipri.kiev.ua/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-06-17T17:50:04Z
description	Direct laser writing is increasingly considered a promising maskless alternative to conventional photolithography for the fabrication of microrelief structures required in photonics, micro-optics, and information-optical systems. The present study investigates the formation of micro-structured relief on thin chromium films and analyzes the physical mechanisms governing pulsed laser interaction with metallic layers, with particular emphasis on achieving high spatial resolution and reproducibility while preventing thermal damage to the substrate. Chromium films with a thickness of 180–200 nm and optical density of 2,3–2,5 at a wavelength of 1,06 μm were processed using pulsed laser irradiation to selectively remove the metal layer and form functional microstructures. Experimental processing was carried out using a pulsed infrared laser system operating at a scanning speed of 300 mm/s, an average power of 3 W, and a pulse repetition rate of 40 kHz, which ensured stable energy delivery and high-contrast pattern formation. The interaction of pulsed laser radiation with metallic thin films is governed by nonlinear absorption, avalanche ionization, thermal diffusion, melting, evaporation, and plasma shielding processes, whose relative contribution depends on pulse duration, energy density, repetition rate, and scanning conditions. Ultrafast regimes promote localized energy deposition with minimal heat-affected zones, whereas longer pulses enhance thermal diffusion and may cause substrate heating and plasma shielding. The experimental results confirmed that direct laser writing enables controlled formation of microrelief structures with micron-scale precision, sharp contours, uniform ablation depth, and minimal surface roughness under optimized exposure conditions. Exceeding the ablation threshold energy density results in substrate overheating, microcracking, and degradation of structural morphology, highlighting the necessity of precise parameter optimization. Additional experiments using ultraviolet laser irradiation demonstrated selective removal of chromium films with minimal thermal impact on the glass substrate, confirming the feasibility of localized patterning and substrate preservation. It was also established that increasing pulse repetition rate improves productivity but may induce cumulative heating and plasma shielding, influencing ablation efficiency and surface morphology. The obtained results demonstrate stable geometric fidelity and reproducibility of microstructures, confirming the effectiveness of direct laser writing for fabricating both simple geometric elements and complex functional patterns. The proposed approach eliminates photolithographic and chemical processing steps, simplifies the technological cycle, and improves reproducibility, making it suitable for manufacturing diffraction optical elements, coding disks, optical encoders, sensor structures, and microelectromechanical components. The study confirms that optimized pulsed laser processing provides a flexible and efficient technological basis for precision micro-structuring of metallic thin films and supports the integration of direct laser writing into advanced photonic and microfabrication applications. Fig.: 7. Refs: 15 titles.
doi_str_mv	10.35681/1560-9189.2026.28.2.363130
first_indexed	2026-06-18T01:00:49Z
format	Article
fulltext	Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних. 2026. Т. 27, № 2 3 DOI: https://doi.org/10.35681/1560-9189.2026.28.2.363130 УДК 621.9.048:535.317 Ю. І. Чегіль, О. М. Буток, Є. В. Беляк, А. А. Крючин Інститут проблем реєстрації інформації НАН України вул. М. Шпака 2, 03113 Київ, Україна e-mail: y.chehil@gmail.com Технологія прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому Досліджено технологію прямого лазерного запису мікрорельєфних ме- талевих структур на тонких плівках хрому як інструмент формування дифракційних та кодових оптичних елементів. Проаналізовано фізичні механізми взаємодії імпульсного лазерного випромінювання з метале- вими плівками в наносекундному та фемтосекундному діапазонах, зок- рема процеси абляції, теплового накопичення та плазмового екрану- вання. Визначено вплив тривалості імпульсу, частоти повторення, щільності енергії і швидкості сканування на морфологію поверхні, гли- бину мікроструктур і якість сформованого рельєфу. Встановлено ре- жими експонування, що забезпечують формування висококонтрастних структур із мікронною точністю без термічного руйнування скляної підкладки. Показано можливість формування функціональних елемен- тів без використання фотошаблонів і багатостадійних процесів хіміч- ного травлення, що скорочує технологічний цикл виготовлення. Ключові слова: прямий лазерний запис, лазерна абляція, мікрорельєфні структури, тонкі плівки хрому, дифракційні оптичні елементи, імпуль- сне лазерне випромінювання, мікрообробка матеріалів. Вступ Сучасний розвиток фотоніки та мікрооптичних технологій зумовлює необхід- ність у високоточному формуванні мікрорельєфних структур на тонких металевих плівках [1]. Методи прямого лазерного запису (Direct Laser Writing; DLW) розгля- даються як ефективна безмаскова альтернатива традиційній фотолітографії завдяки високій просторовій роздільній здатності та можливості локальної модифікації ма- теріалу [2, 11]. У роботах, присвячених лазерній мікрообробці металів, встановлено визначальний вплив тривалості імпульсу, довжини хвилі та щільності енергії на поріг абляції, глибину видалення матеріалу та морфологію сформованої поверхні [2–5, 12]. Показано, що при фемтосекундному опроміненні домінують нелінійні © Ю. І. Чегіль, О. М. Буток, Є. В. Беляк, А. А. Крючин https://doi.org/10.35681/1560-9189.2026.28.2.363130 Ю. І. Чегіль, О. М. Буток, Є. В. Беляк, А. А. Крючин 4 процеси багатофотонного поглинання з мінімальною зоною термічного впливу, тоді як наносекундні режими характеризуються розвитком теплопровідності, пла- вленням і можливим плазмовим екрануванням [5, 7]. Дослідження також підтвер- джують, що частота повторення імпульсів і швидкість сканування визначають сту- пінь теплового накопичення та стабільність формування мікроструктур. При під- вищених частотах спостерігається кумулятивний ефект, що може призводити до деформації підкладки та погіршення геометричної точності елементів [4–7]. Ок- рему увагу приділено застосуванню DLW для формування дифракційних і кодових структур, де критичною є відтворюваність мікронних розмірів і контроль глибини рельєфу [1, 13]. Рис. 1. Структурно-логічна схема дослідження технології прямого лазерного запису мікрорельєфних структур на тонких плівках хрому Технологія прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних. 2026. Т. 28, № 2 5 Разом із тим питання оптимізації режимів DLW на тонких плівках хрому з метою отримання функціональних оптичних елементів без термічного руйнування скляної підкладки залишається недостатньо дослідженим, що визначає актуаль- ність даної роботи. Таким чином, метою роботи є дослідження технології прямого лазерного за- пису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому та визначення оптимальних режимів імпульсного опромінення, що забезпечують формування фу- нкціональних дифракційних елементів без термічного руйнування підкладки. Для досягнення поставленої мети має бути проведено аналіз фізичних механізмів взає- модії лазерного випромінювання з металевими плівками, обґрунтовано вибір тех- нологічних параметрів експонування та виконано експериментальну апробацію ре- жимів мікрообробки з подальшим оцінюванням якості сформованих структур, як це показано на рис. 1. Фізичні механізми взаємодії імпульсного лазерного випромінювання з металевими плівками Взаємодія імпульсного лазерного випромінювання з тонкими металевими плівками визначається сукупністю нелінійних оптичних і теплових процесів, що залежать від тривалості імпульсу, щільності енергії та оптичних властивостей ма- теріалу. У фемтосекундному, пікосекундному та наносекундному діапазонах реа- лізуються механізми абляції, пов’язані з багатофотонним поглинанням, лавинною іонізацією, тепловою дифузією і плазмовим екрануванням поверхні [2–5, 12]. Клю- човими характеристиками процесу є поріг абляції, глибина видалення матеріалу та морфологія сформованого кратера, які визначають точність формування мікроре- льєфних структур. Розуміння цих фізичних механізмів є необхідною передумовою для обґрунтованого вибору режимів DLW і забезпечення стабільності геометрич- них параметрів сформованих елементів. Проведений аналіз фізичних механізмів взаємодії імпульсного лазерного ви- промінювання з металевими плівками свідчить, що ефективне керування процесом DLW потребує формалізації ключових взаємопов’язаних явищ, які визначають ене- ргопоглинання, видалення матеріалу та морфологію сформованої поверхні [7, 12]. З урахуванням особливостей імпульсної дії випромінювання та вимог до точності формування мікрорельєфу доцільно розглядати наступні базові процеси. 1. Моделювання процесу абляції [5, 12] залежно від тривалості лазерного ім- пульсу. Відповідно до задач дослідження доцільно розглянути наносекундні, піко- секундні та фемтосекундні імпульси, для яких характерні різні механізми енерго- передачі та видалення матеріалу, як то термічно зумовлені плавлення й випарову- вання, ультрашвидке нелінійне руйнування поверхневого шару тощо. 2. Багатофотонне поглинання та лавинна іонізація [10, 12]. При високих інте- нсивностях випромінювання реалізуються нелінійні механізми збудження елект- ронної підсистеми, що забезпечують швидке формування електронної плазми та локалізацію енергії в об’ємі взаємодії без значного нагрівання ґратки, сприяючи високоточному формуванню мікрорельєфу. 3. Теплові процеси та кумулятивне нагрівання [4–7]. У режимах із довшими імпульсами істотну роль відіграють плавлення, теплопровідність, конвекція розп- лаву та теплове накопичення при високих частотах повторення імпульсів, що впли- Ю. І. Чегіль, О. М. Буток, Є. В. Беляк, А. А. Крючин 6 вають на глибину абляції, морфологію поверхні та ризик термічного пошкодження підкладки. 4. Плазмове екранування [5, 7] та взаємодія випромінювання з продуктами абляції. Утворення плазмового факела та шлейфу частинок призводить до погли- нання й розсіювання енергії наступних імпульсів, що може знижувати ефектив- ність видалення матеріалу та змінювати енергетичний баланс процесу. 5. Поріг абляції як критерій ініціювання видалення матеріалу [5, 12]. Визна- чення мінімальної густини енергії, необхідної для руйнування поверхневого шару, є ключовим для вибору робочих режимів, що забезпечують точне формування структур без оплавлення та утворення мікротріщин. 6. Формування кратера абляції і морфологія поверхні [5, 7]. Геометрія кра- тера, зона теплового впливу, повторне осадження матеріалу та шорсткість поверхні визначають відтворюваність і функціональні характеристики мікрорельєфних структур. Взаємодія імпульсного лазерного випромінювання з тонкими металевими плівками визначається сукупністю нелінійних оптичних і теплових процесів, хара- ктер яких істотно залежить від тривалості імпульсу та енергетичних параметрів опромінення [4–7, 10]. У фемтосекундному режимі енергія передається електрон- ній підсистемі швидше, ніж відбувається теплове розсіювання, що забезпечує ло- калізоване видалення матеріалу з мінімальною зоною термічного впливу. Для піко- секундних і наносекундних імпульсів тривалість взаємодії порівнянна або переви- щує час релаксації енергії, що призводить до плавлення, випаровування та гідроди- намічного переміщення матеріалу. У цих режимах фронт випаровування просуває- ться вглиб матеріалу протягом дії імпульсу, що зумовлює збільшення об’єму вида- леного матеріалу та розширення зони термічного впливу. За умов ультракороткого імпульсного опромінення ключову роль відіграють нелінійні процеси поглинання енергії [10, 12]. Висока інтенсивність випромінювання спричиняє багатофотонне поглинання та лавинну іонізацію, що приводить до швидкого формування елект- ронної плазми без значного нагрівання кристалічної ґратки. Такий механізм забез- печує високу локалізацію енергії та стабільність структурних змін матеріалу, що дозволяє формувати мікро- і нанорельєф із підвищеною точністю та мінімізувати теплові деформації поверхні. Із переходом до довших імпульсів істотно зростає роль теплових процесів [4–7]. У зоні взаємодії реалізуються плавлення, конвекційні потоки розплаву, випаровування та дифузія тепла в підкладку. При високих часто- тах повторення імпульсів інтервал між ними може бути недостатнім для повного охолодження матеріалу, що спричиняє накопичення залишкового тепла. Кумуля- тивні теплові ефекти впливають на морфологію поверхні, сприяють деформації структури та можуть призводити до появи термічних дефектів, особливо при оброб- ці тонких плівок на скляних підкладках Важливим фактором, що впливає на ефективність абляції, є утворення плаз- мового факела та шлейфу продуктів випаровування [5, 7]. У процесі опромінення щільна приповерхнева плазма здатна поглинати та розсіювати енергію наступних імпульсів. Поглинання енергії плазмою відбувається переважно за рахунок оберне- ного гальмівного випромінювання та фотоіонізаційних процесів, інтенсивність яких залежить від електронної густини та довжини хвилі лазера. Для пікосекундних імпульсів, де щільність плазми є підвищеною, екранування може знижувати ефек- Технологія прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних. 2026. Т. 28, № 2 7 тивність абляції, тоді як у фемтосекундному режимі взаємодія з плазмою є менш вираженою. Кількісною характеристикою початку видалення матеріалу є поріг абляції, що визначає мінімальну густину енергії, необхідну для ініціювання випаровування або руйнування поверхневого шару [5, 12]. Порогове значення залежить від тривалості імпульсу, довжини хвилі, теплофізичних властивостей матеріалу та умов тепловід- ведення. Робота поблизу порогових значень забезпечує високу точність форму- вання мікрорельєфу, тоді як перевищення порогового значення може призводити до локального перегрівання, появи мікротріщин і пошкодження підкладки. Абляція металевих плівок супроводжується утворенням кратера, геометрія та морфологія якого визначаються механізмами видалення матеріалу та енергетичними парамет- рами імпульсу [5, 12]. У фемтосекундному режимі формуються кратери з чітко окресленими межами та мінімальною зоною теплового впливу, тоді як при довших імпульсах спостерігаються розширення зони плавлення, повторне осадження мате- ріалу та підвищення шорсткості поверхні. Контроль геометрії кратера є критично важливим для забезпечення відтворюваності мікрорельєфних структур. Таким чином, взаємодія імпульсного лазерного випромінювання з метале- вими плівками визначається взаємопов’язаними нелінійними оптичними, тепло- вими та плазмовими процесами, що залежать від часових і енергетичних парамет- рів опромінення. Розуміння цих механізмів створює фізичне підґрунтя для обґрун- тованого вибору режимів DLW та забезпечення стабільного формування мікроре- льєфних структур. Вибір та оптимізація режиму прямого лазерного запису Ефективність прямого лазерного запису мікрорельєфних структур визначає- ться узгодженням часових і енергетичних параметрів імпульсного випромінювання з теплофізичними властивостями матеріалу та умовами тепловідведення. Трива- лість імпульсу визначає механізм енергопередачі та глибину зони теплового впливу, тоді як частота повторення імпульсів впливає на теплове накопичення та стабільність формування мікроструктур [4, 7]. Ключовими параметрами є пікова та середня потужності випромінювання, співвідношення яких визначає енергію імпу- льсу та ефективність абляції. За фіксованої середньої потужності підвищення час- тоти повторення імпульсів супроводжується зменшенням енергії одного імпульсу та пікової потужності, що може знижувати інтенсивність видалення матеріалу, але водночас сприяти більш рівномірному тепловому режиму обробки. Навпаки, змен- шення частоти призводить до зростання пікової потужності й ефективності абляції, проте підвищує ризик локального перегрівання та пошкодження підкладки. Важ- ливим чинником є кумулятивне теплове накопичення, що виникає при недостат- ньому охолодженні матеріалу між імпульсами та впливає на морфологію поверхні і точність формування структур. У зв’язку з цим оптимізація режимів запису пе- редбачає компроміс між енергією імпульсу, частотою повторення та швидкістю сканування, що забезпечує стабільне формування мікрорельєфу без термічних де- фектів. Дослідження процесів мікрогравірування були спрямовані на оптимізацію ре- жимів лазерної обробки з метою забезпечення контрольованого формування мік- рорельєфу та підвищення ефективності видалення матеріалу. У режимах обробки з Ю. І. Чегіль, О. М. Буток, Є. В. Беляк, А. А. Крючин 8 низькою щільністю енергії застосовувалося фемтосекундне лазерне випроміню- вання з високою частотою повторення імпульсів, що забезпечує локалізовану взає- модію з матеріалом та мінімізацію зони термічного впливу [9, 10]. Змінними пара- метрами обробки виступали щільність енергії лазерного випромінювання, відстань між імпульсами, що відповідає кроку сканування, та поляризація лазерного про- меня. Ефективність процесу оцінювали за глибиною абляції, швидкістю видалення матеріалу, шорсткістю поверхні та продуктивністю обробки. Додатково досліджу- вався вплив напрямку поляризації променя на формування кута стінок мікрострук- тур, що має значення для отримання функціональних профілів. Як показав проведений аналіз, частота повторення імпульсів є одним із ви- значальних параметрів, які впливають на ефективність і якість лазерної мікрооб- робки. Зміна часових інтервалів між послідовними фемтосекундними імпульсами може спричиняти два протилежні ефекти: ⎯ теплове накопичення, при якому залишкове тепло сприяє інтенсифікації аб- ляції і підвищенню швидкості видалення матеріалу [4, 7]; ⎯ екранування продуктами абляції, де наявність плазми та частинок у зоні обробки призводить до розсіювання енергії лазерного випромінювання та зни- ження ефективності процесу [5, 7]. Поєднання високочастотних лазерних джерел із швидкодіючими системами відхилення променя дозволяє суттєво підвищити продуктивність мікрообробки, скорочуючи тривалість технологічного циклу. Наприклад, при частоті лазерних ім- пульсів 1 кГц на поверхню подається близько 103 імпульсів за секунду, тоді як при 50 кГц — 5×104 імпульсів, що істотно прискорює формування мікроструктур [3–6]. Разом із тим зі збільшенням частоти повторення імпульсів зменшується інтервал між ними, внаслідок чого тепло не встигає розсіюватися, а продукти абляції лиша- ються в робочій зоні. Це спричиняє накопичення енергії в матеріалі, виникнення термічних спотворень і часткове екранування наступних імпульсів плазмою та кон- денсованими частинками. Як наслідок, глибина мікроотворів перестає збільшува- тися або набуває нерівномірного профілю, що негативно впливає на точність і як- ість мікрообробки. Таким чином, при ультракороткоімпульсному опроміненні оп- тимальний вибір частоти повторення є критично важливим для забезпечення стабі- льної морфології, контрольованої глибини та високої ефективності процесів мікро- гравірування і формування тривимірних структур. В імпульсних лазерах із модуляцією добротності (Q-switching) підвищення частоти повторення імпульсів супроводжується зменшенням енергії окремого ім- пульсу Ep, а отже — зниженням пікової потужності та ефективності абляції. Це по- яснюється тим, що середня потужність випромінювання Pavg розподіляється між більшою кількістю імпульсів за одиницю часу. Пікова потужність імпульсу визна- чається співвідношенням Ppeak = Ep / tp, де tp — тривалість імпульсу. Енергія імпу- льсу, своєю чергою, пов’язана із середньою потужністю та частотою повторення Ep = Pavg / f. Зі зростанням частоти імпульсів середня потужність розподіляється на більшу їх кількість, що призводить до зменшення пікової потужності. Це співвід- ношення визначає компроміс між продуктивністю процесу та точністю мікрообро- бки і є ключовим при налаштуванні технологічних параметрів для створення мікро- та наноструктур у MEMS-пристроях [2, 12]. На рис. 2 схематично показано взає- мозв’язок між піковою потужністю, середньою потужністю, тривалістю імпульсу Технологія прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних. 2026. Т. 28, № 2 9 Δt та періодом повторення T = 1/R. Із підвищенням частоти повторення пікова по- тужність зменшується, що безпосередньо впливає на ефективність процесів лазер- ної абляції і формування рельєфних мікроструктур. Рис. 2. Часова структура імпульсного лазерного випромінювання та співвідношення пікової і середньої потужностей [6] Значною перевагою лазерної мікрообробки є можливість формування рельє- фних структур з мікрометричною точністю за умови використання оптимально уз- годжених параметрів опромінення, при яких теплові ефекти залишаються мініма- льними. Водночас невідповідне поєднання високої щільності енергії, підвищеної частоти повторення імпульсів та низької швидкості сканування може призводити до накопичення залишкового тепла у приповерхневих шарах, що спричиняє терміч- ні пошкодження та погіршення функціональних властивостей сформованих струк- тур [7]. Ступінь теплового впливу визначається як параметрами обробки, так і теп- лофізичними характеристиками матеріалу. За умов, коли матеріал встигає охоло- джуватися між імпульсами, що є характерним для відносно низьких частот, щіль- ність потужності випромінювання стає визначальним параметром, оскільки саме вона задає механізм абляції і, відповідно, морфологію та властивості обробленої поверхні. При роботі на високих частотах повторення імпульсів реалізуються ку- мулятивні теплові ефекти, оскільки характерні часи теплопровідності, що станов- лять мікросекунди, не забезпечують повного охолодження матеріалу. Додатковим фактором є екранування наступних імпульсів продуктами абляції і плазмовим шлейфом, які залишаються поблизу поверхні протягом наносекундно-мікросекунд- них інтервалів і таким чином можуть знижувати ефективність поглинання енергії. Ю. І. Чегіль, О. М. Буток, Є. В. Беляк, А. А. Крючин 10 Отже, оптимізація режимів DLW передбачає компроміс між щільністю енергії, час- тотою повторення імпульсів і швидкістю сканування, що дозволяє мінімізувати теп- лові спотворення, уникнути екранування випромінювання та забезпечити стабільне формування мікрорельєфних структур із заданими геометричними параметрами. Дослідження результатів формування мікрорельєфних структур на плівках хрому Експериментальне дослідження формування мікрорельєфних структур на то- нких плівках хрому має бути спрямоване на оцінювання технологічних можливос- тей методу DLW і визначення умов, за яких забезпечується стабільне відтворення заданої геометрії мікроелементів. У процесі обробки мають варіюватися енергети- чні та кінематичні параметри випромінювання з метою узгодження режимів абляції з теплофізичними властивостями плівки та підкладки, що дозволяє мінімізувати те- рмічні спотворення і забезпечити контрольоване формування рельєфу [7, 12]. Оці- нювання результатів при цьому здійснюється за критеріями геометричної точності, рівномірності рельєфу, стабільності відтворення мікроструктур та загальної якості поверхні після обробки. Отримані зразки включають тестові елементи, калібрува- льні мітки та функціональні мікрорельєфні структури різної конфігурації, що до- зволяє комплексно оцінити можливості технології щодо формування регулярних і складних топологій. У безмаскових методах літографії, що набули широкого застосування під час виготовлення дифракційних та мікрооптичних елементів, технологія прямого лазе- рного запису на фоторезистах із подальшим вибірковим травленням вважається од- нією з найефективніших завдяки високій просторовій роздільній здатності та відт- ворюваності результатів [1, 9–11]. Вона забезпечує формування мікроструктур із характерними розмірами елементів на рівні сотень нанометрів без використання фотошаблонів, що істотно спрощує технологічний цикл і зменшує ризик дефектів, пов’язаних із багатостадійною обробкою. Зазначається, що формування мікрорель- єфних структур безпосередньо під час лазерного опромінення металевих плівок до- зволяє виключити фотолітографічні та травильні операції. Таким чином, методи лазерного мікрогравірування привертають значну увагу завдяки своїй технологіч- ності, гнучкості налаштування та можливості прямого формування функціональ- них елементів. Як було зазначено вище, завдяки точному контролю параметрів екс- понування забезпечується відтворення як простих геометричних елементів, так і складних растрових зображень з мікронною деталізацією. Такий підхід дозволяє безпосередньо формувати функціональні компоненти оптичних носіїв, дифракцій- них структур і кодових елементів без додаткових етапів обробки. Приклади мікроструктур, сформованих методом DLW на плівках хрому, на- ведено на рис. 1. Зокрема, на рис. 1,а показано спіральний мікроелемент, сформо- ваний із високою точністю позиціювання променя; рис. 1,б демонструє тестові мік- роелементи з кодовими комірками та калібрувальними мітками; на рис. 1,в пред- ставлено ділянку з’єднання мікроканалів у зоні фокусування лазерного випроміню- вання; загальний вигляд сформованих структур після серії записів наведено на рис. 1,г. Отримані результати підтверджують високу точність відтворення елементів, стабільність геометрії і рівномірність формування мікроструктур по всій площі за- пису. Технологія прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних. 2026. Т. 28, № 2 11 а) б) в) г) Рис. 3. Мікрофотографії структур, сформованих методом DLW на плівках хрому: a) фрагмент спірального елемента; б) тестові мікроелементи з кодовими комірками; в) з’єднання мікроканалів; г) структури на підкладці після серії записів [2–4] Взаємодія фемтосекундного лазерного випромінювання з матеріалами має принципово відмінний характер порівняно з довгоімпульсними режимами і визна- чається нелінійними процесами багатофотонного поглинання. За високої інтенсив- ності сфокусованого променя енергія передається електронній підсистемі матеріа- лу протягом короткого часу, ініціюючи лавинну іонізацію до того, як відбувається істотна теплопередача до кристалічної ґратки. Унаслідок цього формуються стабі- льні структурні зміни з мінімальною зоною термічного впливу, що є ключовою пе- редумовою високоточного мікроструктурування. Фемтосекундний прямий лазер- ний запис (Femtosecond Direct Laser Writing, FDLW) широко використовується для створення мікро- та наноструктур із високою просторовою роздільною здатністю [8–12]. Морфологія сформованих структур істотно залежить від параметрів випро- мінювання та режимів обробки, зокрема профілю променя, швидкості сканування, частоти повторення імпульсів, поляризації та середньої потужності. Хоча просто- рову роздільну здатність лазерного мікроструктурування обмежують дифракційна межа та теплові процеси, використання короткохвильового фемтосекундного ви- промінювання дозволяє значною мірою подолати ці обмеження та реалізувати фор- мування структур із субмікронними розмірами. Застосування ультракоротких ім- пульсів суттєво розширило можливості прецизійного формування мікроелементів у нанофотоніці, сенсорних платформах, фотонних кристалах і мікроелектроніці. Особливого значення набуває мікрообробка металевих плівок на підкладках, яка Ю. І. Чегіль, О. М. Буток, Є. В. Беляк, А. А. Крючин 12 використовується для створення фотоелектричних перетворювачів, тонкоплівко- вих кодових структур, прозорих провідних шарів для дисплеїв та мікросенсорних елементів. У таких технологічних процесах застосовуються як наносекундні, так і фемтосекундні лазери: перші забезпечують ефективне видалення матеріалу, тоді як другі дозволяють мінімізувати теплову дифузію та отримувати рельєф із топологіч- ною точністю на рівні десятків нанометрів. Під час наносекундної абляції перева- жають термічні процеси, такі як плавлення, випаровування, кипіння та конвекційні явища, що істотно впливають на морфологію поверхні. Натомість фемтосекундна обробка забезпечує локалізоване випаровування матеріалу та формування чітких контурів мікрорельєфу з мінімальною шорсткістю. Завдяки цьому фемтосекундна лазерна обробка тонкоплівкових структур стала ефективною технологією виготов- лення оптичних елементів і мікропристроїв, що знаходять застосування у сенсор- них системах, фотоніці, візуалізаційній техніці, електроніці, медицині та мікроеле- ктромеханічних системах (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS). Особливо ва- жливу роль фемтосекундні імпульси відіграють при абляції металевих плівок, оскі- льки забезпечують надвисоку точність локального видалення матеріалу, відтво- рення складних растрових структур і мінімальну зону термічного впливу [7]. Такий підхід відкриває можливість прямого формування функціональних мікрорельєф- них елементів без застосування фотолітографічних або хімічних процесів, що істот- но скорочує технологічний цикл і підвищує відтворюваність результатів. Аналіз якості мікрорельєфних металевих структур, сформованих методами лазерного запису Для оцінювання якості сформованих мікрорельєфних структур та визначення граничних режимів обробки було проведено експериментальні дослідження пря- мого лазерного запису на тонких плівках хрому, нанесених на прозорі підкладки. Метою зазначених досліджень було встановлення впливу параметрів лазерного опромінення на морфологію поверхні, цілісність підкладки та відтворюваність мік- роелементів. Особливу увагу приділено аналізу дефектів, що виникають при пере- вищенні порогових енергетичних режимів, а також визначенню умов стабільного формування структур без термічного пошкодження матеріалу. У межах досліджен- ня проаналізовано характерні ознаки поверхневої морфології, мікропошкоджень та зон локальної деформації, що виникають у процесі абляції. Окремо розглянуто вплив параметрів експонування на формування дефектів, шорсткість поверхні та точність відтворення геометрії елементів. Отримані результати дозволяють визна- чити граничні режими обробки та встановити параметри, за яких забезпечується стабільне формування мікрорельєфу, що є критично важливим для виготовлення дифракційних оптичних елементів, кодових дисків та інших функціональних стру- ктур. У ході експериментальних досліджень формування мікрорельєфних структур здійснювалося на тонких хромових плівках товщиною 180–200 нм, нанесених на прозору підкладку, з оптичною щільністю 2,3–2,5 на довжині хвилі 1,06 мкм. Об- робка виконувалася методом прямого лазерного запису шляхом локального випа- ровування матеріалу сфокусованими імпульсами лазерного випромінювання, що дозволило формувати графічні структури без застосування додаткових фотоліто- графічних або хімічних операцій. Для реалізації процесу використовувався інфра- Технологія прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних. 2026. Т. 28, № 2 13 червоний лазерний гравер «Raycus 30W RA20», який забезпечує стабільне енерге- тичне навантаження у режимі імпульсної генерації. Запис структур здійснювався за швидкості сканування лазерного променя 300 мм/с, вихідної потужності 3 Вт і частоти повторення імпульсів 40 кГц. Зазначені параметри забезпечили форму- вання чітких висококонтрастних зображень із точним відтворенням меж елементів та рівномірною глибиною абляції. Результати експерименту наведено на рис. 4, де продемонстровано приклади сформованих растрових структур, що підтверджують ефективність прямого лазерного запису для створення мікрорельєфних кодових і дифракційних елементів [13, 14]. Мікрозображення на рис. 4,а демонструє мікро- структури лінійного типу, що отримані при скануванні сфокусованого лазерного променя, який характеризуються рівномірною шириною та стабільною геометрією по всій довжині елементів, у той час як на рис. 4,б представлено тестові лінійні елементи, які ілюструють однорідність абляції та високу чіткість меж сформованих структур. а) б) Рис. 4. Мікрозображення, сформовані методом прямого лазерного випаровування хромових плівок за допомогою інфрачервоного гравера «Raycus 30W RA20»: а) мікроструктури лінійного типу; б) тестові лінійні елементи [13, 14] При виборі оптимального режиму абляції для лазерної мікрообробки метале- вих плівок необхідно враховувати компроміс між високою швидкістю видалення матеріалу та збереженням цілісності оброблюваної поверхні. Відомо, що трива- лість імпульсу та енергетичні параметри випромінювання істотно впливають на мі- кроструктуру матеріалу та якість поверхні після абляції [15]. Точність формування мікрорельєфних структур методом DLW значною мірою визначається коректним вибором параметрів експонування, зокрема узгодженням потужності випроміню- вання, швидкості сканування та частоти повторення імпульсів. Перевищення енер- гетичної щільності лазерного потоку призводить до локального перегрівання підк- ладки, що може спричиняти часткове плавлення матеріалу, утворення мікротріщин і деформацій у зоні впливу. Такі явища погіршують геометрію сформованих еле- ментів і знижують якість отриманих зображень, особливо при роботі з тонкими ша- Ю. І. Чегіль, О. М. Буток, Є. В. Беляк, А. А. Крючин 14 рами хрому та оксидних матеріалів. У ході експериментальних досліджень зафік- совано випадки перевищення порогової потужності, за яких процес випаровування переходив у режим руйнування поверхневого шару підкладки. Це супроводжува- лося утворенням мікровибоїн, локальним оплавленням і зростанням шорсткості по- верхні, що свідчить про високу чутливість процесу до параметрів енергетичного навантаження та умов фокусування. Зображення, отримані при прямому випарову- ванні плівок хрому сфокусованим лазерним випромінюванням на інфрачервоному гравері «Raycus 30W RA20», демонструють характерні ознаки перевищення енер- гетичного порогу та пошкодження підкладки. Відповідні приклади наведено на рис. 5, де спостерігаються типові форми мікродефектів і зони локальної деформа- ції, що виникають при надлишковій енергії імпульсу. На рис. 5,а спостерігаються мікродефекти поверхні та тріщини, що виникають унаслідок локального перегрі- вання підкладки. Збільшене зображення (рис. 5,б) демонструє зони руйнування та деформації матеріалу, включаючи оплавлення та структурні порушення у зоні ла- зерного впливу. а) б) Рис. 5. Зображення, що отримані методом прямого лазерного випаровування хромових плівок за допомогою інфрачервоного гравера «Raycus 30W RA20» з пошкодженням підкладки: а) мікродефекти поверхні; б) зони руйнування та деформації Такі ефекти свідчать про перехід процесу абляції у режим надлишкового енер-гетичного навантаження та підтверджують необхідність оптимізації парамет- рів опромінення для забезпечення стабільної якості мікрорельєфних структур. Метод прямого лазерного запису на плівках хрому продемонстрував високу ефективність при формуванні складних графічних структур із чітко визначеними контурами та високою контрастністю зображення. Отримані результати свідчать про стабільність форми елементів і рівномірність глибини абляції по всій площі запису, що є важливим для створення функціональних мікрорельєфних структур. Завдяки точному контролю параметрів експонування, як то потужності випроміню- вання, швидкості сканування і умов фокусування, забезпечується відтворення як простих геометричних елементів, так і складних растрових зображень з мікронною деталізацією. Такий підхід дозволяє безпосередньо формувати функціональні Технологія прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних. 2026. Т. 28, № 2 15 елементи оптичних носіїв, дифракційних структур, маркерів та кодових елементів без застосування фотолітографічних або травильних операцій, що спрощує техно- логічний процес і підвищує відтворюваність результатів. Додаткові можливості об- робки тонкоплівкових структур демонструє застосування імпульсного ультрафіо- летового (УФ) випромінювання, яке забезпечує селективне видалення плівки без істотного впливу на підкладку. Приклади сформованих графічних структур і діля- нок з вилученою плівкою хрому наведено на рис. 6. а) б) Рис. 6. Формування структур на плівках хрому лазерним випромінюванням: а) лазерна абляція; б) селективне вилучення плівки УФ-випромінюванням На рис. 6,а наведено приклад кодової послідовності, сформованої методом лазерної абляції на плівці хрому. Отримана структура характеризується чіткістю контурів, високою контрастністю та рівномірністю глибини абляції, що свідчить про стабільність енергетичних параметрів процесу та точність позиціювання лазе- рного променя під час сканування. Відтворення елементів зі змінною геометрією підтверджує можливість формування функціональних мікрорельєфних структур, придатних для використання у кодових та дифракційних оптичних елементах. На рис. 6,б показано ділянки підкладки після селективного вилучення плівки хрому під дією імпульсного УФ випромінювання. Спостерігається чисте видалення мета- левого шару з мінімальним термічним впливом на підкладку, що підтверджує ефек- тивність УФ-обробки для локального структуроутворення. Такий підхід може за- стосовуватися для формування провідних доріжок, мікроканалів та інших функці- ональних елементів мікроелектронних і сенсорних систем. Нарешті, отримані результати УФ лазерної абляції (рис. 7) демонструють сут- тєву залежність морфології сформованих структур від енергетичних параметрів опромінення. На рис. 7,а показано приклад формування мікроелемента на хромо- ваній поверхні без пошкодження скляної підкладки. Видалення металевої плівки відбувається рівномірно, з чітко окресленими межами та мінімальною зоною теп- лового впливу, що свідчить про переважання фотонно-індукованих процесів абля- ції та ефективну локалізацію енергії у поверхневому шарі. Мікрофотографія краю структури (рис. 7,б) підтверджує стабільність процесу видалення матеріалу та відсутність оплавлення або тріщиноутворення у прилеглій області. Така морфологія є критично важливою для формування функціональних Ю. І. Чегіль, О. М. Буток, Є. В. Беляк, А. А. Крючин 16 мікрорельєфних елементів дифракційної оптики та оптичних кодових структур. Контрольні дослідження ділянок без хромового покриття (рис. 7,в) показали, що за оптимальних режимів УФ опромінення вплив на скляну підкладку є мінімальним, що підтверджує можливість селективного видалення металевої плівки без деграда- ції основи. Водночас перевищення порогової густини енергії призводить до термі- чного руйнування підкладки (рис. 7,г), що проявляється у вигляді мікротріщин, ло- кального плавлення та структурної деградації поверхні. Це свідчить про необхід- ність точного узгодження параметрів експонування з теплофізичними властивос- тями матеріалу для забезпечення стабільності геометрії мікроструктур. а) б) в) г) Рис. 7. Результати УФ лазерної абляції тонких хромових плівок на скляній підкладці: а) структура без пошкодження підкладки; б) морфологія краю після видалення плівки; в) ділянка скла без хромового покриття; г) руйнування підкладки при перевищенні енергетичного порогу Проведені експериментальні дослідження підтвердили ефективність техноло- гії DLW як інструменту формування мікрорельєфних структур на тонких метале- вих плівках із високою просторовою роздільною здатністю та відтворюваністю гео- метричних параметрів. Встановлено, що якість сформованих елементів визначає- ться узгодженим вибором енергетичних і кінематичних параметрів обробки, зок- рема потужності випромінювання, частоти повторення імпульсів, швидкості скану- вання, діаметра фокусної плями і умов фокусування. Показано, що перевищення Технологія прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних. 2026. Т. 28, № 2 17 порогових значень густини енергії призводить до локальних термічних пошко- джень підкладки, мікротріщиноутворення та деградації морфології структур, тоді як оптимальні режими забезпечують формування елементів із чіткими контурами, мінімальною шорсткістю поверхні та стабільною глибиною абляції. Результати до- сліджень також продемонстрували суттєву роль спектрального діапазону випромі- нювання в механізмах взаємодії з матеріалом. Зокрема, УФ-абляція забезпечує більш локалізоване енергопоглинання та селективне видалення металевого шару без пошкодження скляної підкладки за умови дотримання оптимальних режимів опромінення. Мікрофотографічний аналіз показав рівномірність видалення хрому та стабільність формування країв структур, що свідчить про мінімальну зону теп- лового впливу та відсутність оплавлення прилеглих ділянок. Водночас при переви- щенні енергетичного порогу спостерігаються процеси термомеханічної деградації підкладки, що проявляються у вигляді мікротріщин і локального плавлення, підт- верджуючи необхідність точного узгодження параметрів експонування з теплофі- зичними властивостями матеріала. Висновки Проведено комплексне дослідження фізичних механізмів і технологічних ре- жимів лазерної мікрообробки металевих плівок з метою формування мікрорельєф- них структур, придатних для виготовлення дифракційних оптичних елементів і ко- дових структур високої точності. Розглянуто процеси прямого лазерного запису, мікрогравірування та абляції, а також встановлено взаємозв’язок між параметрами імпульсного випромінювання та морфологією сформованих структур. У результаті проведеного дослідження отримано такі науково-практичні висновки: ⎯ установлено особливості взаємодії імпульсного лазерного випромінювання з металевими плівками, зокрема роль багатофотонного поглинання, теплових про- цесів і плазмового екранування у формуванні абляційного кратера та визначенні порогу видалення матеріалу; ⎯ показано, що тривалість імпульсу та частота їхнього повторення визнача- ють співвідношення між піковою і середньою потужністю випромінювання та сут- тєво впливають на ефективність абляції, стабільність процесу та зону термічного впливу; ⎯ установлено, що зі зростанням частоти повторення імпульсів можливі ефе- кти теплового накопичення та плазмового екранування, які призводять до погір- шення морфології поверхні та зниження якості мікроструктур; ⎯ експериментально підтверджено, що прямий лазерний запис на плівках хрому забезпечує формування висококонтрастних графічних структур із чіткими контурами та мікронною точністю без використання фотошаблонів і додаткових хі- мічних процесів; ⎯ визначено, що перевищення порогової енергетичної щільності випромі- нювання спричиняє локальне оплавлення, мікротріщини та руйнування підкладки, що зумовлює необхідність точного узгодження параметрів експонування; ⎯ установлено, що стабілізовані режими лазерної обробки (потужність 3 Вт, частота 40 кГц, швидкість сканування 300 мм/с) забезпечують рівномірне енерге- тичне навантаження та відтворюване формування мікрорельєфних структур; Ю. І. Чегіль, О. М. Буток, Є. В. Беляк, А. А. Крючин 18 ⎯ показано можливість формування складних графічних і функціональних елементів, придатних для використання в дифракційній оптиці, кодових дисках, оп- тичних енкодерах і сенсорних системах; ⎯ установлено, що застосування УФ імпульсного випромінювання забезпе- чує селективне вилучення плівки хрому з мінімальною зоною термічного впливу та без пошкодження скляної підкладки за оптимальних режимів опромінення, тоді як перевищення енергетичного порогу призводить до термомеханічної деградації по- верхні, що підтверджує високу чутливість процесу до параметрів експонування. Отримані результати підтверджують, що оптимізація параметрів імпульсного лазерного випромінювання та режимів DLW забезпечує кероване формування мік- рорельєфу з високою просторовою роздільною здатністю та мінімальною зоною термічного впливу. Це створює технологічне підґрунтя для впровадження методів лазерної мікрообробки у виробництво дифракційних оптичних елементів і високо- точних інформаційно-оптичних компонентів. Подяка Автори висловлюють глибоку вдячність співробітникам Інституту проблем реєстрації інформації НАН України та Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за участь у підготовці зразків, експериментальних дослідженнях і науковому обговоренні результатів. 1. Kryuchyn A.A., Petrov V.V., Kosyak I.V., Shanoilo S.M., Beliak Ie.V., Kostyukevich S.A., Lytvyn P. M., Boltovets M. S., Strelchuk V.V., Svezhentsova K.V., Kolesnikov O.M., Korchovyi A.A., & Dzhagan V.M. Prospects for the creation of the technology of maskless photolithography based on direct laser recording. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2025. Vol. 28, No. 1. Р. 93–101. https://doi.org/10.15407/spqeo28.01.093. 2. Cheng J., Liu C., Shang S., Liu D., Perrie W., Dearden G., & Watkins K. A review of ultrafast laser materials micromachining. Optics & Laser Technology. 2013. Vol. 46. Р. 88–102. https://doi.org/ 10.1016/j.optlastec.2012.06.037. 3. Mishra S., & Yadava V. Laser beam micromachining (LBMM) — A review. Optics and Lasers in Engineering. 2015. Vol. 73. Р. 89–122. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2015.04.006. 4. Schille J., Schneider L., Loeschner U., Ebert R., Scully P., Goddard N., Steiger B., & Exner H. Micro processing of metals using a high repetition rate femtosecond laser: From laser process parameter study to machining examples. Proceedings of the 30th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics (ICALEO 2011). 2011. https://doi.org/10.2351/1.5062326. 5. Semerok A., Chaléard C., Detalle V., Lacour J.-L., Mauchien P., Meynadier P., Nouvellon C., Sallé B., Perdrix M., & Petite G. Experimental investigations of laser ablation efficiency of pure metals with femtosecond, picosecond and nanosecond pulses. Applied Surface Science. 1999. Vol. 138–139. Р. 311–314. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(98)00411-5. 6. Schille J., Loeschner U., Ebert R., Scully P., Goddard N., & Exner H. Laser micro processing using a high repetition rate femtosecond laser. Proceedings of the International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics. 2010. https://doi.org/10.2351/1.5062008. 7. Cangueiro L., Ramos-de-Campos J.A., & Bruneel D. Prediction of thermal damage upon ultra- fast laser ablation of metals. Molecules. 2021. Vol. 26, No. 21. 6327. https://doi.org/10.3390/mole- cules26216327. 8. Salmanul F., & Govindan P. Investigation and analysis of laser beam machining. International Journal of Management, Information Technology and Engineering (BEST: IJMITE). 2014. Vol. 2, No. 3. Р. 87–94. Технологія прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних. 2026. Т. 28, № 2 19 9. Choi J., & Schwarz C. Advances in femtosecond laser processing of optical materials for device applications. International Journal of Applied Glass Science. 2020. Vol. 11. https://doi.org/10.1111/ ijag.14979. 10. Juodkazis S., Matsuo S., Misawa H., Mizeikis V., Marcinkevičius A., Sun H.-B., Tokuda Y., Takahashi M., Yoko T., & Nishii J. Application of femtosecond laser pulses for microfabrication of trans- parent media. Applied Surface Science. 2002. Vol. 197–198. Р. 705–709. https://doi.org/10.1016/S0169- 4332(02)00397-5. 11. Sarkar S., Tomlinson N., Lei J., Zhu X., Smith P., Ku N., Vargas-Gonzalez L., Bordia R., Tong J., Liu S., Huang L., Xiao H., & Peng F. Direct-laser writing of transparent silica and silica-titania glasses. Additive Manufacturing. 2025. Vol. 110. 104934. https://doi.org/10.1016/j.addma.2025. 104934. 12. Ahmmed K.M.T., Grambow C., & Kietzig A.-M. Fabrication of micro/nano structures on metals by femtosecond laser micromachining. Micromachines. 2014. Vol. 5. Р. 1219–1253. https://doi.org/ 10.3390/mi5041219. 13. Чегіль Ю.І., Буток О.М., Манько Д.Ю., Антонов Є.Є., Джаган В.М., Корчовий А.А. Особ- ливості безмаскового лазерного запису графічних зображень на тонких металевих плівках. Матеріа- ли 10-ї Української наукової конференції з фізики напівпровідників. Ужгород: ТОВ «РІК-У». 2025. С. 294. 14. Крючин А.А., Петров В.В., Беляк Є.В., Косяк І.В. Аналіз можливостей прямого лазерного запису зі створення структур із субмікронними розмірами. Матеріали 10-ї Української наукової кон- ференції з фізики напівпровідників. Ужгород: ТОВ «РІК-У». 2025. С. 335. 15. Petkov P., Dimov S., Minev R., & Pham D. Laser milling: Pulse duration effects on surface integrity. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufac- ture. 2008. Vol. 222. Р. 35–45. https://doi.org/10.1243/09544054JEM840. Надійшла до редакції 15.02.2026 Прийнята до друку 19. 50 .2026 Опублікована 17.06.2026
id	drspiprikievua-article-363130
institution	Data Recording, Storage & Processing
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-06-18T01:00:49Z
publishDate	2026
publisher	Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
record_format	ojs
resource_txt_mv	drspiprikievua/54/9ace1572693c952eef671a2c6d02f854.pdf
spelling	drspiprikievua-article-3631302026-06-17T17:50:04Z Direct laser writing technology for microrelief metal structures on thin chromium films Технологія прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому Чегіль, Ю. І. Буток, О. М. Беляк, Є. В. Крючин, А. А. direct laser writing, laser ablation, microrelief structures, thin chromium films, diffraction optical elements, pulsed laser radiation, laser micromachining прямий лазерний запис, лазерна абляція, мікрорельєфні структури, тонкі плівки хрому, дифракційні оптичні елементи, імпульсне лазерне випромінювання, мікрообробка матеріалів Direct laser writing is increasingly considered a promising maskless alternative to conventional photolithography for the fabrication of microrelief structures required in photonics, micro-optics, and information-optical systems. The present study investigates the formation of micro-structured relief on thin chromium films and analyzes the physical mechanisms governing pulsed laser interaction with metallic layers, with particular emphasis on achieving high spatial resolution and reproducibility while preventing thermal damage to the substrate. Chromium films with a thickness of 180–200 nm and optical density of 2,3–2,5 at a wavelength of 1,06 μm were processed using pulsed laser irradiation to selectively remove the metal layer and form functional microstructures. Experimental processing was carried out using a pulsed infrared laser system operating at a scanning speed of 300 mm/s, an average power of 3 W, and a pulse repetition rate of 40 kHz, which ensured stable energy delivery and high-contrast pattern formation. The interaction of pulsed laser radiation with metallic thin films is governed by nonlinear absorption, avalanche ionization, thermal diffusion, melting, evaporation, and plasma shielding processes, whose relative contribution depends on pulse duration, energy density, repetition rate, and scanning conditions. Ultrafast regimes promote localized energy deposition with minimal heat-affected zones, whereas longer pulses enhance thermal diffusion and may cause substrate heating and plasma shielding. The experimental results confirmed that direct laser writing enables controlled formation of microrelief structures with micron-scale precision, sharp contours, uniform ablation depth, and minimal surface roughness under optimized exposure conditions. Exceeding the ablation threshold energy density results in substrate overheating, microcracking, and degradation of structural morphology, highlighting the necessity of precise parameter optimization. Additional experiments using ultraviolet laser irradiation demonstrated selective removal of chromium films with minimal thermal impact on the glass substrate, confirming the feasibility of localized patterning and substrate preservation. It was also established that increasing pulse repetition rate improves productivity but may induce cumulative heating and plasma shielding, influencing ablation efficiency and surface morphology. The obtained results demonstrate stable geometric fidelity and reproducibility of microstructures, confirming the effectiveness of direct laser writing for fabricating both simple geometric elements and complex functional patterns. The proposed approach eliminates photolithographic and chemical processing steps, simplifies the technological cycle, and improves reproducibility, making it suitable for manufacturing diffraction optical elements, coding disks, optical encoders, sensor structures, and microelectromechanical components. The study confirms that optimized pulsed laser processing provides a flexible and efficient technological basis for precision micro-structuring of metallic thin films and supports the integration of direct laser writing into advanced photonic and microfabrication applications. Fig.: 7. Refs: 15 titles. Досліджено технологію прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому як інструмент формування дифракційних та кодових оптичних елементів. Проаналізовано фізичні механізми взаємодії імпульсного лазерного випромінювання з металевими плівками в наносекундному та фемтосекундному діапазонах, зокрема процеси абляції, теплового накопичення та плазмового екранування. Визначено вплив тривалості імпульсу, частоти повторення, щільності енергії і швидкості сканування на морфологію поверхні, глибину мікроструктур і якість сформованого рельєфу. Встановлено режими експонування, що забезпечують формування висококонтрастних структур із мікронною точністю без термічного руйнування скляної підкладки. Показано можливість формування функціональних елементів без використання фотошаблонів і багатостадійних процесів хімічного травлення, що скорочує технологічний цикл виготовлення.&nbsp; Інститут проблем реєстрації інформації НАН України 2026-06-17 Article Article application/pdf https://drsp.ipri.kiev.ua/article/view/363130 10.35681/1560-9189.2026.28.2.363130 Data Recording, Storage & Processing; Vol. 28 No. 2 (2026); 3-19 Регистрация, хранение и обработка данных; Том 28 № 2 (2026); 3-19 Реєстрація, зберігання і обробка даних; Том 28 № 2 (2026); 3-19 1560-9189 uk https://drsp.ipri.kiev.ua/article/view/363130/350523 Авторське право (c) 2026 Реєстрація, зберігання і обробка даних
spellingShingle	direct laser writing laser ablation microrelief structures thin chromium films diffraction optical elements pulsed laser radiation laser micromachining Чегіль, Ю. І. Буток, О. М. Беляк, Є. В. Крючин, А. А. Direct laser writing technology for microrelief metal structures on thin chromium films
title	Direct laser writing technology for microrelief metal structures on thin chromium films
title_alt	Технологія прямого лазерного запису мікрорельєфних металевих структур на тонких плівках хрому
title_full	Direct laser writing technology for microrelief metal structures on thin chromium films
title_fullStr	Direct laser writing technology for microrelief metal structures on thin chromium films
title_full_unstemmed	Direct laser writing technology for microrelief metal structures on thin chromium films
title_short	Direct laser writing technology for microrelief metal structures on thin chromium films
title_sort	direct laser writing technology for microrelief metal structures on thin chromium films
topic	direct laser writing laser ablation microrelief structures thin chromium films diffraction optical elements pulsed laser radiation laser micromachining
topic_facet	direct laser writing laser ablation microrelief structures thin chromium films diffraction optical elements pulsed laser radiation laser micromachining прямий лазерний запис лазерна абляція мікрорельєфні структури тонкі плівки хрому дифракційні оптичні елементи імпульсне лазерне випромінювання мікрообробка матеріалів
url	https://drsp.ipri.kiev.ua/article/view/363130
work_keys_str_mv	AT čegílʹûí directlaserwritingtechnologyformicroreliefmetalstructuresonthinchromiumfilms AT butokom directlaserwritingtechnologyformicroreliefmetalstructuresonthinchromiumfilms AT belâkêv directlaserwritingtechnologyformicroreliefmetalstructuresonthinchromiumfilms AT krûčinaa directlaserwritingtechnologyformicroreliefmetalstructuresonthinchromiumfilms AT čegílʹûí tehnologíâprâmogolazernogozapisumíkrorelʹêfnihmetalevihstrukturnatonkihplívkahhromu AT butokom tehnologíâprâmogolazernogozapisumíkrorelʹêfnihmetalevihstrukturnatonkihplívkahhromu AT belâkêv tehnologíâprâmogolazernogozapisumíkrorelʹêfnihmetalevihstrukturnatonkihplívkahhromu AT krûčinaa tehnologíâprâmogolazernogozapisumíkrorelʹêfnihmetalevihstrukturnatonkihplívkahhromu

Direct laser writing technology for microrelief metal structures on thin chromium films

Institution

Ähnliche Einträge