Разработка и исследование наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлектронных структур

• Автор: Чесноков, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 156 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Анализ взаимодействия лазерного излучения с веществом в
процессах микротехнологий
1.1. Преимущества лазерно-пиролитических технологий
1.2. Физические эффекты неразрушающего взаимодействия материалов с наносекундным мощным лазерным пучком
1.2.1. Нагревание поверхности подложки лазерным облучением
1.2.1.1. Металлические подложки
1.2.1.2. Полупроводниковые подложки
1.2.1.3. Слоистые металлические структуры на подложках
1.2.2. Термоупругие напряжения, деформации и разрушения поверхности металла
1.2.3. Лазерная термо десорбция
1.2.4. Температурные изменения оптических и теплофизических свойств металлов при лазерном облучении
1.2.4.1. Обратные связи между тепловыделением на подложке и
лазерным излучением
1.2.4.2. Температурные изменения теплопроводности и теплоемкости
1.2.4.3. Температурная зависимость поглощательной способности
1.2.4.4. Изменения поглощательной способности при плавлении металла
1.2.4.5. Эффект "аномального" поглощения металлов
1.3. Воздействие лазерного излучения, приводящее к разрушению
металлов
1.3.1. Общий обзор моделей процессов
1.3.2. Процессы при мощностях облучения, вызывающих кипение металла ("режим развитого испарения")
1.3.2.1. Энергетические условия реализации режима развитого испарения
1.3.2.2. Вынос материала в виде пара и жидкой фазы
1.3.3. Разрушение пленок на подложках лазерным облучением
1.3.4. Взрывное разрушение пленок на подложках лазерным излучением
1.3.5. Образование приповерхностной лазерной плазмы и взрывное воздействие лазерного импульса на подложки
1.3.5.1. Условия вгазе
1.3.5.2. Условия вблизи поверхности
1.3.5.3. Воздействие на поверхность подложки
1.3.6. Нелинейно-оптические процессы на облучаемой поверхности, формирование поверхностных периодических структур (ППС)
1.3.6.1. Периодический рельеф на поверхности
1.3.6.2. Поглощательная способность резонансных ППС
1.3.6.3. Экспериментальные исследования динамики роста ППС
1.3.6.4. Генерация поверхностного периодического рельефа при лазерно-индуцированных пиролитических реакциях
травления и осаждения
1.4. Лазерное осаждение пленок на подложки
1.5. Перспективы развития лазерно-пиролитических технологий
2. Теоретический анализ эффектов воздействия импульсного наносекундного лазерного излучения на подложку и газовую атмосферу при образовании тонкопленочных осадков
2.1. Теплофизичекие процессы при наносекундном лазерном облучении гладких подложек
2.2. Теплофизические процессы при наносекундном лазерном облучении подложек с учетом влияния морфологии растущих осадков
2.2.1. Влияние центров зародышеобразования растущей пленки на теплораспределение на подложке
2.2.2. Влияние микровыступов на подложке на температурный рельеф поверхности
2.3. Процессы на поверхности подложки при пиролизе
2.3.1. Адсорбция молекул реагентов на поверхности
2.3.2. Оценка влияния шероховатости пленки на кинетику пиролитического процесса
2.4. Процессы в газовой фазе при пиролизе
2.4.1. Состояние газовой атмосферы при действии лазерного импульса на подложку
2.4.2. Химические процессы в газовой фазе
2.4.3. Газодинамические процессы над подложкой
2.5. Частицы в газовой среде
2.5.1. Влияние вязкости газа, силы тяжести; броуновское движение
2.5.2. Выдавливание расплава паром материала осадка
2.5.3. Воздействие фронта взрывной волны на выступы шероховатой поверхности растущей пленки
2.5.4. Испарение осадка металла под действием лазерного излучения
и конденсация пара
2.6. Сравнение влияния различных процессов при НЛПО пленок металлов на стеклянные подложки
2.7. Основные результаты теоретического анализа
3. Методика и результаты экспериментальных исследований
3.1. Задачи этапа экспериментальных исследований
3.2. Основные требования к составу и параметрам экспериментального оборудования
3.2.1. Общие требования к технологической установке
3.2.2. Выбор технологического лазера
3.2.3. Существующие методы формирования оптических микроизображений

3.2.4. Контурно-проекционный метод формирования оптического изображения
3.2.5. Формирование лазерного пучка с повышенной равномерностью освещения подложки
3.2.6. Оптические элементы, обеспечивающие удобство работы
3.2.7. Система подачи реагентов в зону реакции на поверхности положки
3.2.8. Блок регулирования параметров процесса
3.2.9. Датчик толщины растущей пленки по поглощению света
3.2.10. Особенности определения температуры в фокальном пятне на поверхности подложки в ходе лазерного облучения
3.2.11. Проект автоматизации ЭЛТУ и устройство программируемого перемещения образца
3.3. Устройство экспериментальной технологической лазерной установки
3.3.1. Оптико-механичекая схема установки
3.3.2. Основные технические данные экспериментальной технологической лазерной установки
3.4. Методики исследования экспериментальных образцов
3.5. Экспериментальное определение зависимости характеристик осаждаемых структур от параметров технологического процесса
3.6. Разработка ресурсосберегающей технологии
лазерографического формирования тонкопленочных рисунков
на подложках
3.6.1. Цель разработки технологии
3.6.2. Эффективность использования расходуемых материалов и производительность процесса лазерно-пиролитического нанесения пленок на подложку
3.6.2.1. Использование расходуемых материалов
3.6.2.2. Производительность процесса нанесения пленок
3.7. Разработка технологии ретуши шкал, сеток и фотошаблонов для
целей оптического производства
3.8. Обсуждение экспериментальных результатов
4. Пластическое течение металла при ударном воздействии лазерного луча и формование объемных конструкций микромеханики в тонких пленках
5. Физико-химическая модель и технологические принципы использования локального твердофазного термохимического травления поверхностей тугоплавких и химически стойких материалов
5.1. Современные методы профильной обработки тугоплавких и химически стойких материалов
5.2. Теоретические модельные расчеты физико-химических процессов взаимодействия тугоплавких материалов с металлическими пленками, нанесенными на их поверхность

1.3.5.2. Условия вблизи поверхности
При облучении самых различных материалов порог плазмообразования у их поверхности ниже, чем порог пробоя свободного газа [1,4,5]. Наличие поверхности обеспечивает появление заметной концентрации «затравочных» электронов; механизмов их создания может быть много: испарение, термо- и фотоэмиссия, локальное усиление электромагнитного поля за счет генерации поверхностных электромагнитных волн или особенностей микрорельефа поверхности.
В большинстве случаев считается, что для возникновения приповерхностного лазерного пробоя необходимым условием является лазерное нагревание поверхности до температуры кипения. При длительности лазерного импульса т~10‘7 с для этого необходима интенсивность падающего излучения 108-И09 Вт/см2 (если коэффициент поглощения не превышает 10-г15 %) [5]. Однако экспериментально установлено, что для пробоя достаточно интенсивности (2-кЗ)х107 Вт/см2. Предполагаемая причина несогласия с теорией объясняется испарением не самого полубесконечного тела подложки, а отдельных теплоизолированных дефектов, частиц и прочих элементов на поверхности подложки.
Если крупинка постороннего вещества имеет толщину, не превышающую длину тепловой волны у[ах в ее веществе, то нагревание крупинки можно считать равномерным по объему и энергозатраты на ее нагрев составляют:
Р{-Е)г = {рсТжп +Хш)с1, (81)
где с! - толщина крупинки;
)ц |Л - удельная теплота плавления.
Для алюминия данная формула преобразована в выражение:
/ = Ш/Ртд, (82)
где - время (мкс), необходимое для нагревания крупинки до Гисп.
В формуле (82) й выражено в мкм, РПШ - в МВт/см2. В окружающем газе возбуждается ударная волна. Концентрация электронов пс в парах алюминия вычисляется в соответствии с выражением [13]:
П1 /«0 = 8х1014 Т%в ехр (-69400ГПОВ). (83)
Здесь концентрации выражены в см'3; щ - концентрация паров алюминия.
При дальнейшем облучении паров в случае использования длины волны 0,35 мкм становятся важными процессы фотоионизации возбужденных атомов. Результаты расчетов в [13] показывают, что время достижения порога пробоя алюминиевого пара при увеличении интенсивности падающего лазерного излучения с 108 до 7x108 Вт/см2 уменьшается со 100 не до 10 не.