Лазерный мир

Чесноков Д.В., Шергин С.Л., Никулин Д.М. // Интерэкспо Гео-Сибирь, 2007

Тонкие металлические пленки в свободном состоянии давно используются в технике вакуумных приборов, например, для создания проводящих отражающих слоев люминесцентных экранов [1], в качестве оптических фильтров [2], для получения вакуумно-плотных окон для пропускания мягкого рентгеновского излучения [3], для изготовления рентгеношаблонов и т. п.

Перспективным представляется получение и использование тонкопленочных мембран с заданным рисунком перфорации, например, для микроэлектромеханических систем, для механической фильтрации газов и жидкостей, в качестве трафаретных масок для вакуумного напыления.

В настоящее время в качестве основы для получения трафаретных масок применяют относительно толстые (до 50 мкм) биметаллические фольги, в которых при помощи фотолитографии травлением формируется сквозной рисунок. Главными недостатками этого метода являются многооперационность и невозможность получения размеров трафаретного рисунка с линиями шириной менее 100 мкм [4].

Задача создания микротрафаретных масок с проектными нормами не хуже 5 мкм может быть разделена на две: изготовление собственно тонкопленочной мембраны и получение в ней сквозных отверстий заданной топологии.

Полупроводниковые или металлические мембраны большой площади и толщиной менее 3-5 мкм изготавливают либо утончением заданной области подложки (например, травлением), либо переносом готовой мембраны с подложки-донора на жесткую рамку.

Последний вариант для рассматриваемой задачи имеет очевидное преимущество — переносимая мембрана первоначально располагается на поверхности подложки-донора и перфорация может быть выполнена на этом этапе, то есть когда непрочность и хрупкость свободной пленки не связывает нас выбором технологии формирования отверстий. В простейшем случае может быть использована фотолитография.

В рамках развития изложенных выше подходов был разработан маршрут изготовления тонкопленочных мембран на основе свободных пленок алюминия, представленный на рис.1.

Подложка-донор была изготовлена из широко распространенного стекла Марк х 40 мм . Поверхность подложки подвергалась стандартным методам подготовки [2], после чего на нее наносилась нитроцеллюлозная пленка (рис. 1, а). Для этого подложку предварительно погружали в сосуд с дистиллированной водой. Затем на поверхность воды наносили каплю не растворяющегося в воде раствора нитроцеллюлозы в бутилацетате. После испарения растворителя на поверхности воды образовывалась твердая пленка нитроцеллюлозы толщиной примерно 0,10-0,25 мкм [1]. Стеклянную подложку медленно вытаскивали из воды, при этом нитроцеллюлозная пленка оказывалась на ее поверхности. Нитроцеллюлозную пленку на стеклянной подложке сушили в термошкафу при температуре 80-100 °С.

Рис. 1. Последовательность операций получения тонкопленочной мембраны из алюминия.

1 — нитроцеллюлозная пленка; 2 — стеклянная подложка; 3 — алюминиевая плёнка (мембрана); 4 — опорное кольцо; 5 — слой эпоксидного клея

Далее на поверхность нитроцеллюлозной пленки производилось напыление пленки алюминия толщиной около 0,1 мкм в вакуумной установке (ВУ-1А), из проволочного вольфрамового испарителя. Алюминий имеет низкую температуру испарения и, следовательно, низкую температуру паров, поэтому рост слоя металла не приводит к разрушению нитроцеллюлозной пленки (рис.1, б). Подложка с нитроцеллюлозной пленкой при напылении дополнительному нагреву не подвергается.

На следующем этапе к поверхности алюминиевой пленки приклеивают опорное кольцо с внутренним диаметром 7 мм. Для этого его торцевую поверхность, заранее смазанную тонким слоем эпоксидного клея, плотно прижимают к поверхности структуры (рис. 1, в).

После высыхания клея объект погружают в сосуд с ацетоном. Растворение тонкого слоя нитроцеллюлозы происходит со скоростью примерно 1 см за 60 минут. После растворения нитроцеллюлозы опорное кольцо с пленкой аккуратно отделяют от стеклянной подложки, чтобы не произошло разрыва металлической пленки. Полученная структура с мембраной показана на рис. 1, г.

На данном этапе исследований количественный анализ оптических и механо-физических характеристик полученной мембраны не производился, однако тщательный осмотр позволил сделать следующие выводы: — в видимом диапазоне спектра мембрана непрозрачна; — пленка имеет складки и выпуклости, мембрана на натянута, видны следы ее деформации.

В общем случае, задача получения сквозных отверстий в металлической пленке имеет несколькими решений — например, фотолитография. Однако, когда речь заходит о свободно подвешенной пленке толщиной 0,1 мкм, стандартные методы оказываются чересчур разрушающими — толщина фоторезиста во много раз превосходит толщину мембраны, а процесс его нанесения может просто уничтожить пленку.

Более привлекательным представляется одностадийный метод лазерной абляции, при котором единственным объектом, контактирующим с металлической мембраной, является сфокусированный лазерный пучок, одиночный импульс которого обладает энергией, достаточной для практически мгновенного испарения участка пленки заданной формы. Технологические основы лазерной обработки тонких пленок на подложках заложены в работе [5], в соответствии с которой оценочное значение плотности мощности светового потока, соответствующее началу разрушения тонкой пленки короткими импульсами (длительность у 10- с), равно рсКГв (1)

Предварительно сформулированным требованиям соответствует несколько типов лазерных излучателей. Для первичной апробации удобно воспользоваться готовым технологическим оборудованием, обладающим набором дополнительных сервисных функций. Так, установка лазерной ретуши ЭМ-551Б оснащена азотным лазером ЛГИ-505 (длина волны 0,334 мкм; длительность одиночного импульса у = 6 нс; плотность мощности в формируемом проекционной системой фокальном пятне до 5 10 Вт/см ), двухкоординатным столиком на аэростатической подвеске, системой подсветки мишени «на просвет» и «на отражение», бинокулярной насадкой с увеличением 300х, позволяющей наблюдать рабочую область непосредственно в процессе обработки.

Оценим по формуле (1) плотность мощности, которую необходимо обеспечить лазеру ЛГИ-505 для испарения участка алюминиевой пленки толщиной 0,1 мкм за один импульс: PD = 2,4810 Вт/м (2,4810 Вт/см ). Очевидно, что указанный лазер подходит для заявленных нами целей.

Для проведения процесса лазерной перфорации свободных пленок алюминия опорное кольцо с алюминиевой мембраной закреплялось на координатном столе лазерной установки, перемещением которого относительно фокального пятна формировался заданный рисунок микротрафарета. В общем случае, размер и форма сквозных отверстий на пленке определяется размером и формой фокального пятна (квадрат со стороной от 2 до 25 мкм), которое формируется проекционной системой лазерной технологической установки.

Первоначально были получены тонкопленочные алюминиевые мембранные микротрафареты, рисунок которых представляет собой чередующиеся параллельные прямолинейные сплошные и сквозные участки различной ширины (рис. 2). Сплошные участки имеют ширину от 4,8 мкм до 32 мкм, щелевые — от 3,2 мкм до 20 мкм.

Рис. 2. Увеличенное изображение микротрафарета (светлые линии — щели в трафарете). Минимальная ширина щели 8 мкм. Максимальная ширина щели 42 мкм

На рис. 3 представлена микрофотография участка алюминиевой мембраны, в которой единичным импульсом выполнено сквозное отверстие квадратной формы. Можно отметить несовершенство самой алюминиевой мембраны — в ней много дефектов типа «прокол», а также искажения, как самой формы отверстия, так и гладкости пленки вблизи углов квадрата -своеобразные «морщины».

Рис. 3. Увеличенное изображение микротрафарета

Разработанный тонкопленочный мембранный трафарет позволяет формировать трафаретные рисунки с проектными нормами до единиц микрометра, так как имеет мембрану толщиной порядка 0,1 мкм. Жесткость и плоскостность такого мембранного трафарета создается опорным кольцом, изготовленным из материала с высоким коэффициентом термического расширения (алюминий). Такие микротрафареты изготавливаются очень просто и могут применяться для разовых напылений тестовых топологических рисунков. Особенностью таких трафаретов является то, что они требуют аккуратного хранения во избежание повреждений.

Исследования в этом направлении будут продолжены с целью получения мембран большего размера, с высокой жесткостью, с трафаретным рисунком точным по форме и размерам. Планируется замена алюминия, как материала тонкопленочного мембранного микротрафарета, на более тугоплавкие металлы с маленьким коэффициентом термического расширения.

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/lazernaya-perforatsiya-tonkoplyonochnyh-membran/pdf