Toepassingen van laserinterferentieverwerking (2)

Structurering van Monolayer en Multilayer Metallic Films

Onlangs zijn laserinterferentietechnieken toegepast voor de langeafstands periodieke patroonvorming van dunne filmmetaaloppervlakken. De interferentietechniek biedt een groot potentieel voor micromachining en micronostructurering van dunne films voor toepassingen in micro-elektronica en micromechanica. Uitgebreide onderzoeken zijn uitgevoerd naar de interactie van laserinterferentiepatronen met monolaag en meerlagige films. Verscheidene verschijnselen tijdens dergelijke interacties omvatten inhomogene smelten, fasetransformaties, intermetallische reacties, enz.

Structurering van Monolayer Films

Wanneer een laserinterferentiepatroon met gemoduleerde energiedistributie op het oppervlak van een film wordt bestraald, kan de geabsorbeerde energie het ruimtelijk verwarmen, smelten en verdampen van de film veroorzaken afhankelijk van de energiedrempels voor verschillende effecten. In de meeste gevallen gebruiken laserstructureringstoepassingen voor dunne films voldoende hoge laserenergieën om het smelten van de films te induceren. Vanwege de slechte geleidbaarheid van de onderliggende substraten is het grootste deel van de geabsorbeerde laserenergie ingesloten in de dunne film, wat resulteert in een aanzienlijk langere smeltduur in vergelijking met de laserpulstijd. De langere tijdsduur van de smelt geeft aanleiding tot fysische processen zoals hydrodynamische smeltstroming die verantwoordelijk is voor fysische texturering van de oppervlakken. Figuur 11.15 presenteert de typische periodieke structuren verkregen door interferentiepatronen met twee en vier stralen bestraald op monolaag (18 nm dikke) gouden films afgezet op glassubstraten. De vorming van dergelijke periodieke topografische periodieke kenmerken is toe te schrijven aan herverdeling van gesmolten filmmateriaal in de "hete" en "koude" gebieden op het oppervlak (Kaganovskii et al. 2006).

De filmdikte speelt een belangrijke rol bij het beïnvloeden van de vorming van periodieke oppervlaktestructuren tijdens interferentiebewerking. Voor het geval van zeer dunne (dikte < 17 nm) goudfilms op glassubstraten, werd waargenomen dat kralen (ontvochtigen) van de gesmolten film plaatsvindt in de hete gebieden gevolgd door de beweging van de kralen naar koude gebieden. Voor dikke films (dikte> 17 nm),

Fig. 11.13 TEM-afbeeldingen van met een laser gekristalliseerde lijnen van SiGe-films kristalliseerden bij twee verschillende temperaturen: (a) 25 ° C en (b) 740 ° C. (Herdrukt door Eisele et al. 2003. Met toestemming Copyright Elsevier.) Volledige hydrodynamische stroming van gesmolten filmmateriaal (in plaats van ontwateren) resulteert in een goed gedefinieerde hoge en smalle periodieke structuur. Verder bepaalt de filmdikte de drempellaserintensiteit (d.w.z. vermogensdichtheid) die vereist is voor het induceren van de morfologische veranderingen en de vervaardiging van periodieke structuren. Figuur 11.16 laat zien dat voor filmdikten in het bereik van 5-15 nm de drempelintensiteit afneemt met de filmdikte; terwijl voor filmdikten van meer dan 15 nm de drempelintensiteit toeneemt met de filmdikte (Kaganovskii et al. 2006).

Fig. 11.14 AFM-afbeelding van SiGe-film gekristalliseerd met behulp van scanning laser interferentie kristallisatie (SLIC). Selectieve plasma-ets werd toegepast om korrelgrenzen te visualiseren. (Overgenomen van Eisele et al. 2003. Met toestemming.) Copyright Elsevier.)

Fig. 11.15 Periodieke structuren geproduceerd op 18 nm dikke goudfilm door (a) laserstraalinterfer met twee stralenbundels. 2006. Met toestemming. Copyright American Institute of Physics.)

Structurering van meerlagige metaalfilms

Het meeste werk op het gebied van laserinterferentieverwerking van meerlagige films wordt uitgevoerd door Prof. Mücklich en zijn onderzoeksgroep in Duitsland. De combinaties van een verscheidenheid aan metalen materialen zijn gebruikt om de dubbellaag en drielagige films op glassubstraten te produceren die vervolgens met de laser zijn bestraald.

Fig. 11.16 Variatie van de berekende drempelintensiteit vereist om morfologische veranderingen en de vorming van periodieke structuur in de 18 nm gouden film te produceren met behulp van laserinterferentieverwerking. De curven met het label 1, 2, 3 en 4 komen overeen met de periodiciteit van respectievelijk 2, 3,5, 5 en 10nm. De in de figuur getoonde experimentele punten werden verkregen voor de periodiciteit van 5 nm. (Overgenomen van Kaganovskii et al. 2006. Met toestemming Copyright American Institute of Physics.) Interferentiepatronen. In tegenstelling tot monolaagfilms vertonen de meerlagige films extra complexiteit vanwege verschil in de thermofysische eigenschappen van de samenstellende metalen en de overeenkomstig verschillende reacties op de laserbestraling.

Voor de meerlagige films met materiaal met hoog smeltpunt in de toplaag werden afhankelijk van de laserenergie-fluentie drie verschillende morfologieën van de interferentiestructuren waargenomen. De verschillende bestudeerde systemen voor interferentie omvatten Fe-Al-glas, Fe-Ni-glas, Ti-Al-glas en Ti-Ni-glas. Boven bepaalde laserfluentie, F, is de geabsorbeerde laserenergie voldoende om het smelten van de onderlaag te veroorzaken die is samengesteld uit het laagsmeltende materiaal. Het smelten van de onderlaag oefent de druk uit op de niet-gesmolten toplaag (samengesteld uit hoog smeltpunt) resulterend in de vervorming van de toplaag. De buitenwaartse vervormingen van de bovenste laag verschijnen als een periodiek patroon op het oppervlak van de film. Het mechanisme is schematisch weergegeven in figuur 11.17, waarbij A de bovenste laag van materiaal met een hoger smeltpunt voorstelt en B de onderste laag van materiaal met een lager smeltpunt voorstelt. Als de laserfluentie verder dan F wordt verhoogd, smelt de B

Fig. 11.17 Schematische voorstelling van de mechanismen voor de vorming van verschillende oppervlaktemorfologieën tijdens laserinterferentiebewerking van tweelagige films met materiaal met een hoger smeltpunt (A) bij de toplaag en materiaal met een lager smeltpunt (B) bij de onderste laag: bestraling van het oppervlak met de gemoduleerde intensiteitsverdeling in interferentiepatroon, (b) vervorming van de bovenste laag geïnduceerd door smelten van de onderste laag, (c) breken van de toplaag, (d) periodiek patroon wanneer materiaalverwijdering wordt geïnitieerd, en (e) periodiek patroon met grote waarde van laserfluentie. (Overgenomen uit Lasagni en Mucklich 2005b.) Met toestemming. Copyright Elsevier.)

laag gaat door tot het smeltpunt van A is bereikt. Uiteindelijk breekt laag A uit, wat resulteert in het uitwerpen van het materiaal. Dit komt overeen met de laserfluentie, waarmee de materiaalverwijdering wordt gestart. Het verwijderen van het materiaal bij de interferentiepiek resulteert in de indrukking tussen twee opeenvolgende pieken in de oppervlaktestructuur van de film. Verdere toename in de laserfluentie voorbij F, veroorzaakt de toegenomen materiaalverwijdering met de toenemende diepte van de verlaging bij de interferentiemaxima resulterend in een goed gedefinieerde periodieke structuur. Deze mechanismen zijn bevestigd door de experimentele observatie van de oppervlaktestructuren van bimetallische films bestraald met laserinterferentiepatronen bij verschillende fluences. Figuur 11.18 toont de oppervlaktetopografieën en laterale profielen voor Fe-Ni-glas-systemen waarvoor Fand F overeenkomt met 151 en 201 mJ / cm2 respectivaal (Lasagni en Mucklich 2005a, b).

Uitgebreide thermische modelleringsinspanningen zijn uitgevoerd om het smeltgedrag van de verschillende lagen in meerlagige dunne films, samengesteld uit twee verschillende samenstellende metalen, te begrijpen. Deze inspanningen voor thermische modellering waren gebaseerd op warmtedoorgangsvergelijkingen vergelijkbaar met Vgl. (11.4). Figuur 11.19 presenteert een dergelijk modelleringsresultaat op basis van eindige-elementenanalyse voor de meerlagige Ni-Al-film bestraald met laserinterferentiepatroon. Laagdikten van individuele Al- en Ni-lagen waren respectievelijk 20 en 30,3 nm en de film werd bestraald met Q-geschakelde Nd: YAG-laser met een golflengte van 355 nm. De figuur geeft aan dat een aanzienlijke hoeveelheid aluminium smelt in de bovenste lagen van de film, waardoor de nikkellaag vervormd wordt. Het significante smelten van overeenkomstige nikkellagen vereist

Fig. 11.18 Verschillende topografieën van het oppervlak en verticale profielen van oppervlaktestructuren in Fe-Ni-glasfilms bestraald met laserinterferentiepatronen.

hogere laserfluentie vanwege een hoger smeltpunt van nikkel dan dat van aluminium. Verder is periodieke structurering van meerlagige films met het laserinterferentiepatroon geassocieerd met de veranderingen in de spanning en textuurverdeling afhankelijk van de thermische omstandigheden die heersen tijdens laser-materiaalinteracties (Daniel et al. 2004).