Aplikace zpracování rušení laserem (2) \ t

Struktura monovrstvy a vícevrstvých kovových fólií

[0003] V poslední době byly pro periodické vzorkování tenkých kovových kovových povrchů aplikovány techniky laserové interference. Interferenční technika nabízí velký potenciál pro mikroobrábění a mikronanostrukturaci tenkých vrstev pro aplikace v mikroelektronice a mikromechanice. Byly provedeny rozsáhlé studie interakce laserových interferenčních vzorů s jednovrstvou a vícevrstvou fólií. Různé jevy během takových interakcí zahrnují nehomogenní tání, fázové transformace, intermetalické reakce atd.

Struktura monovrstvových filmů

Když je laserový interferenční obrazec s modulovanou distribucí energie ozářen na povrchu filmu, absorbovaná energie může způsobit prostorové zahřívání, tání a odpařování filmu v závislosti na energetických prahových hodnotách pro různé efekty. Ve většině případů využívají laserové strukturované aplikace pro tenké filmy dostatečně vysoké laserové energie pro vyvolání roztavení fólií. Vzhledem ke špatné vodivosti podkladových substrátů je většina absorbované energie laseru omezena v tenkém filmu, což má za následek podstatně delší dobu trvání tání ve srovnání s dobou pulsu laseru. Delší doba trvání tání vede k fyzikálním procesům, jako je hydrodynamický tok taveniny zodpovědný za fyzikální texturování povrchů. Na obr. 11.15 jsou znázorněny typické periodické struktury získané dvou-paprskovými a čtyř-paprskovými interferenčními vzory ozářenými na jednovrstvých (18nm) zlatých fóliích uložených na skleněných substrátech. Tvorba těchto periodických topografických periodických prvků je způsobena redistribucí roztaveného filmového materiálu v „horkých“ a „chladných“ oblastech na povrchu (Kaganovskii et al. 2006).

Tloušťka filmu hraje důležitou roli při ovlivňování tvorby periodických povrchových struktur během zpracování interferencí. V případě velmi tenkých (tloušťky

Obr. 11.13 TEM obrazy laserem krystalizovaných linií SiGe filmů krystalizovaly při dvou různých teplotách: (a) 25 ° C a (b) 740 ° C. (Reprinted z Eisele et al. 2003. S povolením. Copyright Elsevier.) Kompletní hydrodynamický tok roztaveného filmového materiálu (namísto navlhčování) vede k dobře definované vysoké a úzké periodické struktuře. Kromě toho tloušťka filmu určuje prahovou intenzitu laseru (tj. Hustotu výkonu) potřebnou pro vyvolání morfologických změn a výrobu periodických struktur. Obrázek 11.16 ukazuje, že pro tloušťky filmu v rozmezí 5–15 nm se prahová intenzita snižuje s tloušťkou filmu; vzhledem k tomu, že pro tloušťky filmu nad 15 nm se prahová intenzita zvyšuje s tloušťkou filmu (Kaganovskii et al. 2006).

Obr. 11.14 AFM snímek SiGe filmu krystalizovaný s použitím krystalizace laserového rušení (SLIC). Selektivní plazmové leptání bylo aplikováno pro vizualizaci hranic zrn. (Přetištěno z Eisele et al. 2003. S povolením. Copyright Elsevier.)

Obr. 11.15 Periodické struktury vytvořené na 18 nm silném zlatém filmu pomocí (a) dvou paprskového laserového interferonu a kol. 2006. S povolením. Copyright American Institute of Physics.)

Struktura vícevrstvých kovových filmů

Většinu práce v oblasti laserového rušení vícevrstvých filmů provádí prof. Mücklich a jeho výzkumná skupina v Německu. Pro výrobu dvouvrstvých a trojvrstvých filmů na skleněných substrátech, které byly následně ozářeny laserem, byly použity kombinace různých kovových materiálů.

Obr. 11.16 Změny vypočtené prahové intenzity potřebné k vytvoření morfologických změn a tvorby periodické struktury ve 18 nm zlatém filmu pomocí zpracování laserovou interferencí. Křivky označené 1, 2, 3 a 4 odpovídají periodicitě 2, 3,5, 5 a 10 nm. Experimentální body ukázané na obrázku byly získány pro periodicitu 5 nm. (Reprinted z Kaganovskii et al. 2006. S povolením. Copyright American Institute of Physics.) Interferenční vzory. Na rozdíl od jednovrstvých fólií vykazují vícevrstvé filmy další složitost v důsledku rozdílů v termofyzikálních vlastnostech základních kovů a odpovídajících odezvách na laserové záření.

Pro vícevrstvé fólie s materiálem s vysokou teplotou tání v horní vrstvě byly pozorovány tři odlišné morfologie interferenčních struktur v závislosti na toku energie laseru. Různé systémy studované pro rušení zahrnovaly Fe – Al – sklo, Fe – Ni – sklo, Ti – Al – sklo a Ti – Ni – sklo. Nad určitou intenzitou laseru F absorbovaná energie laseru je dostatečná k tomu, aby způsobila tavení spodní vrstvy, která se skládá z materiálu s nízkou teplotou tání. Tavení spodní vrstvy vytváří tlak na neroztavenou horní vrstvu (složenou z vysoké teploty tání), což má za následek deformaci horní vrstvy. Vnější deformace horní vrstvy vypadají jako periodický vzor na povrchu filmu. Mechanismus je schematicky znázorněn na obr. 11.17, kde A představuje horní vrstvu materiálu s vyšší teplotou tání a B představuje spodní vrstvu materiálu s nižší teplotou tání. Pokud je laserová fluence dále zvýšena nad F, tavení B

Obr. 11.17 Schematické znázornění mechanismů tvorby různých povrchových morfologií při zpracování laserové interference dvouvrstvých fólií s vyšším materiálem bodu tání (A) na horní vrstvě a materiálu nižší teploty tavení (B) ve spodní vrstvě: (a) ozáření povrchu s modulovaným rozložením intenzity v interferenčním vzoru, (b) deformace horní vrstvy vyvolané tavením spodní vrstvy, (c) rozlomením horní vrstvy, (d) periodickým vzorem, když je zahájeno odstraňování materiálu, a (e) periodický vzor při velké hodnotě laserového toku. (Reprinted od Lasagni a Mucklich 2005b. Se svolením. Copyright Elsevier.)

vrstva pokračuje, dokud není dosaženo bodu tání A. Nakonec se vrstva A rozpadne, což má za následek vyhození materiálu. To odpovídá laserovému proudění, které je zahájeno odstraňováním materiálu. Odstranění materiálu na špičce interference má za následek pokles mezi dvěma po sobě následujícími vrcholy v povrchové struktuře filmu. Další zvýšení laserového toku mimo F způsobuje zvýšené odebírání materiálu s rostoucí hloubkou prohloubení na maximu interferencí, což má za následek dobře definovanou periodickou strukturu. Tyto mechanismy byly potvrzeny experimentálním pozorováním povrchových struktur bimetalových fólií ozářených laserovými interferenčními vzory při různých výkyvech. Obrázek 11.18 ukazuje topografie povrchu a boční profily pro systém Fe – Ni – glas, pro které Fand F odpovídá hodnotám 151 a 201 mJ / cm2 (Lasagni a Mucklich 2005a, b).

Rozsáhlé termické modelovací úsilí bylo provedeno pro pochopení chování tavení různých vrstev ve vícevrstvých tenkých vrstvách složených ze dvou odlišných složek kovů. Toto tepelné modelování bylo založeno na rovnicích přenosu tepla podobných Eq. (11.4). Obrázek 11.19 představuje jeden takový výsledek modelování založený na analýze konečných prvků pro vícevrstvý Ni-Al film ozářený laserovým interferenčním vzorem. Tloušťky vrstev jednotlivých vrstev Al a Ni byly 20 a 30,3 nm a film byl ozářen Q-spínaným Nd: YAG laserem s vlnovou délkou 355 nm. Obrázek ukazuje, že značné množství hliníku se taví v horních vrstvách filmu, což způsobuje zkreslení vrstev niklu. Významné tavení odpovídajících vrstev niklu vyžaduje

Obr. 11.18 Různé povrchové topografie a vertikální profily povrchových struktur ve fóliích Fe – Ni – sklo, ozářených laserovými interferenčními vzory.

vyšší laserový tok díky vyšší teplotě tání niklu než je tomu u hliníku. Periodické strukturování vícevrstvých filmů s laserovým interferenčním vzorem je navíc spojeno se změnami v rozložení napětí a struktury v závislosti na tepelných podmínkách převažujících během interakcí laser-materiál (Daniel et al. 2004).