Лазерный мир

Д. В. Чесноков, В. В. Чесноков // ЖУРНАЛ Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2009

Использование теплового воздействия импульсного лазерного излучения для формирования наноразмерных структур на поверхности подложек имеет хорошие перспективы. В ведущихся по этому вопросу исследованиях можно выделить два направления:

1) применение сфокусированного излучения в качестве обрабатывающего инструмента, при этом минимальные размеры полученных структур прямо или косвенно определяются размером фокального пятна;

2) инициация и использование процессов самоорганизации образующихся внутри области фокального пятна структур.

Среди работ первого направления отметим те, в которых изучаются условия получения структур, меньших фокального пятна. Так, в монографии [1] показано, что силы поверхностного натяжения расплава могут как увеличивать, так и уменьшать размер отверстия, „прокалываемого» в тонкой металлической пленке сфокусированным лазерным лучом, т. е. намечен путь преодоления размерных ограничений, накладываемых использованием видимого света для технологических целей; в работе [2] обосновывается возможность получения лазерно-пиролитическим осаждением (ЬСУО) пленок металла (при наносекундной длительности импульса облучения) с минимальным размером структурного элемента до половины длины волны света за счет нелинейной (экспоненциальной) зависимости скорости пиролитической реакции от температуры; фирма №ио1аЬ [3] предлагает технологию получения кремниевых острий с радиусом закругления вершин 25—500 нм лазерным импульсным локальным облучением поверхности, использующую известный эффект выдавливания материала при остывании поверхностной расплавленной микрозоны, при плотности жидкой фазы, большей плотности твердой.

Ко второму направлению относятся исследования нелинейно-оптических процессов на облучаемой поверхности и образования поверхностных периодических структур [4, 5]; в работе [2] также обсуждаются теплофизические и газодинамические процессы, сопровождающие импульсное облучение поверхностей пленок на подложках в атмосферных условиях, и роль поверхностного натяжения при формообразующих манипуляциях с наноразмерными структурами; в [6] представлены результаты исследований по формированию неупорядоченного массива металлических наноигл наносекундным (20 нс) лазерным облучением хромовой пленки, расположенной вблизи поверхности кремниевой окисленной пластины.

Авторами настоящей статьи ведутся работы в обоих направлениях, но вначале обсудим возможности технологии, использующей для формобразования фокальное пятно как целое.

На рис. 1 схематически показано формирование массивов наноостровков („наноточек») на подложке. Сначала (а) на поверхность кремниевой пластины, покрытой слоем диэлектрика, методом ЬСУО [2] осаждается топологический рисунок из пленки золота в виде матрицы круглых элементов. Метод позволяет получать на подложке при наносекундной длительности импульса облучения металлические островки и линии с минимальным размером, примерно равным 1/2 длины волны света (для азотного лазера — X = 0,334 мкм). Затем (б) посредством лазерного разогрева в инертной среде островки золота расплавляются и под действием сил поверхностного натяжения собираются в сферические капли, диаметр которых зависит от толщины к и диаметра Б островков золота. При к ~ 5 нм диаметр капель составит примерно 80 нм. Далее (в) на структуру напыляют в вакууме защитный слой; после удаления шариков травлением (г) защитный слой на подложке образует маску с отверстиями, через которую на подложку напыляют в вакууме материал островков (д) и стравливают защитный слой (е). На подложке возникает массив островков, которые затем в результате оплавления преобразуются в наношарики (ж). Повторение этапов, представленных на рис. 1, в—е, и затем новое оплавление (вторая итерация) позволяют получить наношарики — капли диаметром порядка 40 нм, после третьей итерации получаются капли диаметром порядка 20 нм и т. д. Полученные шарики могут служить маской при плазмохимическом или ионном вытравливании столбиков в кремниевой подложке

Экспериментальная проверка проведена с использованием шариков диаметром менее 1 мкм, которые получены диспергированием сплошной пленки золота, нанесенной на кремниевую пластину с пленкой нитрида кремния. При нагревании в инертной среде до температуры 700 °С в течение 10 мин пленка золота под действием сил поверхностного натяжения собиралась в капли диметром 0,1—1 мкм; далее структура подвергалась плазмохимическому травлению в плазме фреона, под каплями золота оставались не вытравленными столбики кремния высотой до 3 мкм.

На рис. 2 представлены микрофотографии структур, соответствующие разным стадиям их изготовления: а — наношарики золота диаметром менее 1 мкм, полученные расплавлением сплошной тонкой пленки золота; б — столбики кремния высотой 3 мкм, образованные плаз-мохимическим травлением в атмосфере фреона.

Лазерное облучение позволяет реализовывать также транспортировку нано- и микрообъектов с поверхности одной подложки на другую.

Рассмотрим гидродинамические эффекты, возникающие при наносекундном лазерном облучении многослойных тонкопленочных структур на подложках, приводящие к возможности переноса микрообъекта через зазор, разделяющий подложки. Схема переноса показана на рис. 3.

Длительность температурного импульса примерно в три раза превышает длительность лазерного импульса, и за этот короткий промежуток времени переносимый испаренный материал (объект) не успеет переместиться на заметное расстояние; следовательно, давление пара при оценочных расчетах можно считать постоянным. Для замкнутой системы „пар—объект» и при проведении процесса переноса в вакууме можно записать:

Из данных таблицы следует, что механические напряжения а « рТ при переносе не превышают предела текучести материала переносимого объекта, однако температура объекта может превышать его температуру плавления при принятой в расчетах длительности лазерного импульса.

Учитывая изложенное, можно рассматривать две возможности формирования структур методом лазерного переноса: перенос без изменения формы и перенос с оплавлением и уменьшением поперечника переносимого диска.

На рис. 4 приведена схема получения на подложке упорядоченного массива нанокапель методом переноса с оплавлением. Материал, из которого формируются наночастицы, предварительно нанесен в виде тонкой сплошной пленки 1 на прозрачную подложку поверх защитного слоя 2 и облучается наносекундными импульсами сфокусированного лазерного излучения. Фокальное пятно сканирует по пленке, за каждый импульс от подложки отрывается участок 3 пленки и движется к подложке-акцептору; время движения при величине зазора 1 мкм составляет примерно 0,2 мкс для условий первой строки таблицы. Если отделившийся участок расплавлен, силами поверхностного натяжения за время „полета» он собирается в шарик и в таком виде оседает на поверхность. Время преобразования отделенных от подложки расплавленных участков пленки в шарики можно оценить по частоте „капиллярных колебаний» микрокапель под действием поверхностного натяжения [8].

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/lazernoe-formirovanie-nanorazmernyh-struktur/pdf