Взаимодействие лазерного излучения с алмазными пленками

• Автор: Пименов, Сергей Максимович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 161 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Газофазный синтез алмазных пленок
1.1. Введение
1.2. Повышение плотности зародышеобразования алмаза на неалмазных подложках.
Осаждение ультратонких алмазных пленок
1.3. Лазерно-индуцированное селективное осаждение алмазных пленок
1.4. Выводы
Глава 2. Лазерная абляция алмазных пленок
2.1. Введение
2.2. Взаимодействие излучения импульсного СО2 лазера с алмазными пленками
2.2.1. Облучение свободных алмазных пленок
2.2.2. Облучение алмазных пленок на подложках
2.3. Лазерная абляция алмазных пленок импульсами эксимерных лазеров
2.3.1. Влияние микроструктуры пленок и условий облучения (длина волны, плотность энергиии, длительность лазерного импульса, окружающая
газовая среда) на пороги абляции и скорости травления
2.3.2. Структура и электронные свойства лазерно-модифицированной
поверхности алмаза
2.4. Выводы
Глава 3. Лазерная полировка алмазных пленок
3.1. Введение
3.2. Лазерная полировка тонких алмазных пленок
3.3. Структура и трибологические свойства лазерно-полированных
алмазных пленок
3.4. Лазерная полировка алмазных пластин
Оптические свойства лазерно-полированных алмазных пластин
3.5. Выводы
Глава 4. Лазерно-индуцированная электронная эмиссия из алмазных пленок
4.1. Введение
4.2. Влияние микроструктуры пленок и параметров облучения
на характер фотоэмиссии
4.3. Влияние нанесения ультратонких металлических слоев
на выход фотоэмиссии
4.4. Выводы
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность работы
С момента первых работ по получению алмаза из газовой фазы при низких давлениях [1] и осаждению поликристаллических алмазных пленок на неалмазных подложках [2,3] достигнут колоссальный прогресс в технологиях газофазного синтеза и создании (в основном за последние десять лет) различного типа плазменных реакторов, позволяющих выращивать алмазные пленки на большой площади (от десятков до сотен кв.см) и толщиной порядка 1-2 мм [4]. Оптические, теплопроводностные и электронные свойства таких алмазных пластин, получаемых при оптимальных режимах осаждения, практически совпадают с характеристиками монокристаллов алмаза типа На [4-6], что открывает большие возможности новых применений газофазного алмаза в передовых технологиях.
Роль лазерных методов применительно к развивающимся алмазным технологиям также постоянно возрастает, и подтверждением этому могут служить материалы Международной конференции по использованию лазеров в синтезе, характеризации и обработке алмазов ("Lasers in Synthesis, Characterization, and Processing of Diamond") [7], состоявшейся в г.Ташкенте (Узбекистан) в октябре 1997 г. Если в недалеком прошлом лазеры применялись в основном для резки и маркировки алмазных монокристаллов, и в значительно меньшей степени для исследования их структуры и электронных свойств (например, методами КР спектроскопии и фотопроводимости), то с появлением алмазных пластин высокого качества появились новые возможности и новые потребности более полного использования лазерных технологий в процессах обработки и исследовании свойств газофазного алмаза. Для алмазных пленок и особенно пластин большого размера и толщиной в сотни микрон очень актуальной является проблема полировки шероховатой ростовой поверхности, а для различных применений в электронике, оптике, оптоэлектронике, микромеханике требуется разработка эффективных методов микроструктурирования и металлизации алмазной поверхности. В этих вопросах как и в других, касающихся синтеза и характеризации газофазного алмаза, лазерные методы находят самое широкое применение. Следует, в частности, отметить некоторые из последних достижений, отражающих тенденцию возрастающего взаимопроникновения лазерных и алмазных технологий, среди которых работы по лазерно-плазменному синтезу алмазных пленок при атмосферном давлении

[8], изготовлению алмазных окон для мощных СОг лазеров [5], созданию элементов алмазной дифракционной оптики для дальнего ИК диапазона методом селективного лазерного травления алмазных пластин [9,10], созданию источника терагерцового излучения на базе алмазного оптоэлектронного ключа [11].
К моменту начала исследований по взаимодействию импульсного лазерного излучения с алмазными пленками (работы в Институте общей физики АН были начаты в 1987 г.) не существовало опубликованных работ других авторов в данной области и лишь небольшое число публикаций было известно по импульсному лазерному воздействию на кристаллы природного алмаза [12-17]. Данный факт отражает, с одной стороны, реальную ситуацию середины 80-х, когда лишь немногие исследовательские группы имели достаточный научный опыт и возможности выращивать алмазные пленки с контролируемыми свойствами. С другой стороны, причины затруднений при экспериментальных исследованиях природных монокристаллов хорошо известны и связаны с их малыми размерами, обычно не превышающими нескольких миллиметров, и высокой стоимостью монокристаллических алмазных подложек, при том что
кристаллы (даже в пределах одного типа по существующей для алмазов
классификации) весьма разнообразны по свойствам. Поэтому появление технологий газофазного синтеза алмазных пленок и особенно прогресс в получении пленок и пластин высокого качества, близких по своим свойствам к природным кристаллам, типа Па, фактически снимает вышеуказанные для монокристаллических подложек проблемы и открывает для экспериментаторов отличные возможности всестороннего и
детального исследования лазерно-стимулированных процессов в алмазе. Накопленный в ИОФАН опыт фундаментальных и прикладных исследований в области
взаимодействия лазерного излучения с веществом, как и параллельное развитие работ по синтезу алмазных пленок и пластин, лежат в основе того, что многие выполненные в ИОФАН экспериментальные работы по лазерному облучению алмазных пленок имеют неоспоримый научный приоритет.
Состояние проблемы
При анализе процессов взаимодействия лазерного излучения как с алмазными пленками так и с природными монокристаллами представляется логичным провести условное разграничение между лазерно-индуцированными эффектами, происходящими

поверхности алмазных частиц. Такая обработка поверхности является широко распространенной при химическом осаждении из газовой фазы и приводит к увеличению плотности центров нуклеации до Ы(1~(2-5)Т08 см'2 [108]. Далее проводилось лазерное облучение с плотностью энергии, большей Епл, но не слишком отличающейся от порога плавления и не превышающей порога испарения кремния.
В результате в зоне облучения наблюдалось значительное уменьшение Ка; так, при действии 1500 импульсов с Е=700 мДж/см2 плотность нуклеации уменьшалась до Н]~106-105 см'2. После лазерного облучения образцы переносились в реактор, где проводилось химическое осаждение в течение 2 часов. Алмазные структуры, полученные после воздействия 3000 лазерных импульсов с Е=710 мДж/см2, приведены на рис. 8(6). Отметим полное подавление роста алмазной пленки в зоне облучения. Увеличение энергии в импульсе сопровождалось уменьшением количества лазерных импульсов, обеспечивавших полное подавление осаждения алмаза на облученных участках. При Е=1.4 Дж/см2 это происходило после действия N=500 импульсов, а в случае достижения порога испарения ~4 Дж/см2 одного импульса было достаточно, чтобы подавить рост алмаза в пятне облучения (при этом однако имел место вынос расплава из пятна облучения, что приводило к сильно неоднородному осаждению пленки на необлученных участках).

Рис. 8. Микроструктуры алмаза, селективно осажденные на кремнии методом лазерной очистки (а) и поверхностного плавления (б) [47].
Анализ причин наблюдаемого эффекта подавления осаждения алмаза при лазерном плавлении более сложен, чем в предыдущем методе лазерной очистки. Это связано, прежде всего, с двойственной природой центров нуклеации, индуцированных на поверхности кремния в процессе ультразвуковой обработки (алмазные