Метод формирования элементов дифракционной оптики с повышенной разрешающей способностью на основе тонких пленок хрома, термически окисленных локальным воздействием лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

Агафонов Андрей Николаевич

Метод формирования элементов дифракционной оптики с повышенной разрешающей способностью на основе тонких пленок хрома, термически окисленных локальным воздействием лазерного излучения

Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 СЕН 2011

Самара-2011

4855075

Работа выполнена на кафедре наноинженерии в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королёва» (СГАУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Волков Алексей Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Комов Александр Николаевич доктор технических наук, профессор Сёмкин Николай Данилович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН

Защита состоится 7 октября 2011 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.215.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королёва» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке СГАУ. Автореферат разослан 6 сентября 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета к.т.н., профессор

Шахов В.Г.

Актуальность. В настоящее время существует потребность в изготовлении микро - и нано - структур различного функционального назначения. Одним их базовых технологических процессов их изготовления является фотолитография. Существует ряд приложений, специфика которых не позволяет считать традиционные технологии получения фотошаблонов экономически целесообразными. Такая ситуация складывается в случае, когда требуется изготовить широкую номенклатуру элементов при штучном или мелкосерийном производстве, например при изготовлении уникальных дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Можно заключить, что в производственной практике возникают ситуации, когда использование традиционных для микроэлектроники технологий, таких как электронная или ионная литография не является целесообразным.

Известен ряд методов формирования топологического изображения непосредственно в слое рабочего материала, без использования фоторезистов. Они основаны на локальной обработке материала лазерным излучением (ЛИ), что позволяет снизить себестоимость изготовления микроструктур произвольной конфигурации. Их можно разделить на термофизические (рекристаллизация или прямое испарение вещества) и термохимические (окисление) методы. С точки зрения возможности увеличения разрешающей способности более предпочтителен метод локального термохимического окисления. Этот метод формирования микроструктур основан на локальном окислении тонких пленок хрома под действием лазерного излучения. Последующее жидкостное травление образца приводит к формированию микрорельефа. За счет существенного различия скоростей травления хрома и его окисных форм.

Ключевой вклад в теоретическое и экспериментальное обоснование метода локального химического окисления пленок хрома внесли Либенсон М.Н., Вейко В.П. (Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики»), Полещук А.Г. и др. (учреждение Российской академии наук институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН).

Использование перспективных, с точки зрения повышения разрешающей способности, тонких пленок (<50 нм), вызывает необходимость более подробного исследования процессов окисления хрома, в частности, учета влияния структуры пленки хрома и роли растворенного кислорода.

Известные теоретические подходы к анализу кинетики термохимического окисления хорошо описывают процессы в относительно толстых (>150 нм) пленках и базируются на следующих общих основных предположениях:

1. Материал пленки хрома и оксидной пленки считается однородным.

2. Основным фактором, лимитирующим окисление, является диффузия

атмосферного кислорода в пленку хрома.

В связи с этим, актуальным явятся решение комплекса научно-технических задач, направленных на повышение предельной разрешающей способности технологии локального термохимического окисления тонких пленок хрома, под действием лазерного излучения.

Целью диссертационной работы является разработка метода повышения разрешающей способности локального термохимического окисления тонких пленок хрома на основе теоретического и экспериментального исследования влияния параметров микроструктуры пленок хрома и растворенного в них кислорода. Для достижения поставленной в работе цели были поставлены следующие задачи:

1) Провести сравнительный анализ традиционных методов и метода локального термохимического окисления пленок хрома для изготовления бинарных металлизированных шаблонов.

2) Разработать физико-математическую модель процесса термохимического окисления пленки хрома, стимулированного лазерным излучением, учитывающую параметры микроструктуры и влияние растворенного кислорода и провести численное моделирование процессов в зоне нагрева.

3) Провести натурные эксперименты с целью установления влияния параметров пленки хрома (толщины и характерного размера кристаллитов) и режимов лазерной записи на разрешающую способность метода термохимического окисления.

4) Разработать и обосновать рекомендации по выбору параметров пленок хрома и режимов лазерной записи для изготовления металлизированных шаблонов

доэ.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач в работе были использованы экспериментальные методы атомно-силовой микроскопии, электронной растровой микроскопии, электронной микроскопии высокого разрешения, спектрометрии и теоретические положения физической химии, термодинамики, молекулярной физики. Научная новизна работы:

1) Разработана модель процесса термохимического окисления пленок хрома под воздействием лазерного излучения, учитывающая негомогенность (кристалличность) пленки, что позволило смоделировать процессы в тонких (<100 нм) пленках. Установлено, что окисление материала тонких пленок преимущественно вдет по границам кристаллитов, кислородом, растворенным в материале пленки, от границы хром-подложка.

2) Экспериментально получены количественные данные о параметрах микроструктуры пленок хрома (характерный размер кристаллитов, соотношение аморфной и кристаллической фаз) и их влиянии на разрешающую способность метода локального термохимического окисления. Показано, что аморфные пленки обладают лучшей чувствительностью на рабочей длине волны (488нм) и обеспечивают лучшую разрешающую способность.

3) Обоснованы требования к параметрам пленок хрома, используемых при лазерной записи. Экспериментально показано, что при использовании аморфных пленок толщиной 30-50 нм, на установке СЬ\УБ 2008 (ИСОИ РАН, г. Самара) достижимо разрешение 0,5 мкм.

Практическая ценность работы:

1) Разработана методика, позволяющая расчетным путем определить разрешающую способность метода термохимического окисления при изготовлении металлизированных шаблонов по известным параметрам пленки хрома и режимах лазерной записи.

2) Разработаны рекомендации по выбору параметров пленок хрома, используемых при лазерной записи. Показано, что для получения структур с минимальными размерами необходимо использовать аморфные пленки хрома минимальной толщины, обеспечивающей сплошность и однородность пленки.

3) Результаты, полученные в диссертационной работе, позволяют уменьшить минимальную ширину записываемого трека (на станции С1ЛУ8 2008) с 0,8 до 0,5 мкм.

На защиту выносятся:

1) Физико-математическая модель метода термохимического окисления тонких пленок хрома под действием лазерного излучения, учитывающая негомогенность пленки и базирующаяся на следующих основных положениях: окисление преимущественно идет по границам кристаллитов, кислородом, растворенным в пленке хрома, от границы хром-подложка.

2) Метод определения разрешающей способности технологии термохимического окисления пленок хрома по экспериментально полученным параметрам микроструктуры пленки и параметрам лазерного излучения.

3) Результаты экспериментальных исследований зависимости разрешающей способности технологии термохимического окисления пленок хрома под действием лазерного излучения от характерного размера кристаллитов и соотношения кристаллической и аморфной фаз.

Достоверность полученных и представленных в работе результатов подтверждается использованием апробированных и обоснованных методов, теоретических представлений, согласием экспериментальных результатов, полученных независимыми методами исследований, работоспособностью используемых установок и разработанных методик, а также общим согласием с результатами других исследователей. Апробация работы. Основные результаты докладывались на всероссийских и международных конференциях и семинарах, в том числе: на четвёртой международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики-2006", Санкт - Петербург; Харьковская нанотехнологическая ассамблея - 2007; конференции «Лазеры. Измерения. Оптика». СПб, политехнический университет, 2007; конференции «МеталлДеформ 2009», Самара; семинарах в лаборатории дифракционной оптики ИАиЭ СО РАН (2008, 2009, 201 Огт) и на каф. лазерных технологий ИТМО (2010 г.), ИОФ РАН им. Прохорова (2010 г.), международной конференции АРСОМ 2011. Публикации по теме диссертации:

Всего по результатам диссертации опубликовано 20 работ, из них 4 статьи в изданиях, определенных ВАК России и 16 публикаций в материалах конференций. Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 80 наименований. Работа изложена на 118 листах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность исследования технологии прямой лазерной записи. Представлены основные особенности технологии локального термохимического окисления тонких (<50 нм) пленок хрома, на основании чего обоснована актуальность темы и определена цель исследований.

В первой главе представлен обзор технологий изготовления фотошаблонов, современного состояния исследований в области взаимодействия лазерного излучения с металлами, а также известных подходов к описанию процессов термохимического окисления металлических пленок, на основании которого формируется вывод о перспективности использования технологии локального термохимического окисления в производстве фотошаблонов.

Сравнение различных технологий изготовления фотошаблонов показало, что основными преимуществами термохимической технологии лазерной записи является значительное снижение стоимости изделия при штучном и мелкосерийном производстве. К достоинствам технологии относятся возможность изготовления изделий

5

произвольной формы, высокая абсолютная точность позиционирования элементов на всей площади фотошаблона, возможность проведения ТП в воздухе. К недостаткам традиционной технологии термохимической записи можно отнести сравнительно низкую разрешающую способность.

На рис. 1. показаны физико-химические процессы, характерные для технологии локального термохимического окисления и их взаимосвязь.

ГЧпаап&ние мзтериапа

т~

Испарение материала

Рис. 1. Типичные физико-химические процессы при реализации технологии термохимического окисления и их взаимовлияние

Анализ известных подходов к описанию процессов термохимического окисления металлических пленок, стимулированного лазерным излучением, позволяет сделать вывод, что они не учитывают влияния микроструктуры пленки хрома на кинетику окисления. Основньм фактором, лимитирующим скорость окисления, считается транспорт атмосферного кислорода к границе оксид-хром.

Обзор публикаций по теме работы позволяет сделать вывод о том, что в основном в них освещаются вопросы термохимического окисления для случая относительно толстых металлических пленок (>150 нм), без учета параметров их микроструктуры.

На основании приведенного в главе анализа имеющихся литературных данных сформулирована основная проблематика исследования процессов термохимического окисления тонких металлических пленок под действием лазерного излучения, определены цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке физико-математической модели термохимического окисления тонких пленок хрома, стимулированного лазерным излучением. Глава состоит из семи разделов.

Первый раздел главы посвящен формализации моделируемой системы и выбору основных допущений при разработке физико-математической модели. На основании имеющихся данных о структуре пленок хрома показано, что при разработке модели необходимо учитывать следующие факторы, являющиеся критическими для пленок хрома толщиной менее 50 нм:

1. Влияние структуры пленки хрома на кинетику окисления.

2. Окисление хрома кислородом, растворенным в пленке.

Нчпрготрмив .- дрижн«. JP лааерноги ' луча

После проведения анализа имеющихся данных об экспонирующем излучении и физико-химических процессах в пленке хрома, были приняты следующие допущения:

1. Электронная и ионная температуры пленки в процессе лазерного нагрева

остаются равными.

2. Мощность излучения недостаточна для образования плазменного экрана.

3. Влияние адсорбированного слоя воды пренебрежимо мало.

Второй раздел посвящен выбору оптимальной геометрии модели. Проведен сравнительный анализ моделей с различной геометрией (трехмерные модели, различные вариации двумерных).

Показано, что для детального исследования термохимического окисления тонких (<50 нм) пленок хрома наиболее перспективной является модель вертикального сечения пленки хрома, через который проходит лазерный луч (рис. 2,тип 2).

.■ 'у " Г.«У ЩША В третьем разделе разработана

' структура физико-математической модели

'—- - J ' и обоснован выбор методов

Рис. 2. Геометрия моделей моделирования.

термохимического окисления

При моделировании процессов термохимического окисления под действием лазерного излучения, традиционно выделяют три основных подзадачи моделирования: поглощение излучения подложкой, тепловая задача и моделирование физико-химических процессов на поверхности и в объеме подложки. Показано, что если для решения подзадач поглощения и теплопереноса рационально использовать известные подходы, основанные на численном решении дифференциальных уравнений, то для моделирования физико-химических процессов более эффективно использование метода вероятностного клеточного автомата (BKA), обоснованы его преимущества при решении поставленной задачи.

Показано, что задача моделирования процесса термохимического окисления, с учетом взаимовлияния процессов, является некорректной, сформулирован общий алгоритм ее решения.

Н'атеистическая модель термохимического окисления

Рис. 3. Структура разработанной физико-математической модели

Четвертый раздел главы посвящен разработке методов расчета поглощения лазерного излучения в пленке хрома. Для теоретического расчета взаимодействия лазерного излучения использована известная модель, которая позволяет рассчитать отражение и поглощение от структуры воздух - металл -диэлектрическая подложка (рис. 4)

и= ¡1 I а ~

\ e-co-i-(l + o)-T-i) где - проводимость пленки хрома ® - частота излучения

Р

-диэлектрическая проницаемость пленки хрома

Приведены результаты расчетов, показывающие, что в толстых (>150 нм) пленках наличие поверхностного оксида Для расчета коэффициента приводит увеличению поглощения преломления пленки использовалось известное выражение:

за счет уменьшения коэффициента отражения, что неоднократно описывалось в литературе. Однако, в тонких (<50 нм) пленках, увеличение количества оксида приводит к обратному эффекту, за счет того, что увеличивается доля излучения проходящего пленку насквозь (рис. 5а,б). Расчеты проводились для рабочей длины волны 488 нм.

Использовано известное выражение для распределения тепловой энергии в пространстве модели при нормальном распределении энергии внутри пучка лазерного излучения:

-г1

Q(r, z, 0 = А- I(z) ■ ехр(——) • v(t)

го

где Q - источник тепла, А - поглоздательная способность, q0 - интенсивность излучения, Г0 - радиус светового пучка, $(/) - временная огибающая лазерного импульса.

Полученные в результате параметры переменного источника тепла являются исходными данными при моделировании процессов теплопереноса.

Пятый раздел главы посвящен моделированию процессов теплопереноса. Для описания этих процессов использовано известное уравнение:

р ■ С(Т) ~ + V. ( - к{Т) • V Г ) = ß(r, А, /) dt

где Т - температура, р - плотность, С - теплоемкость, к - коэффициент

теплопроводности, Q - источник тепла

Выбран ряд граничных условий: на нижнюю и боковые границы модели наложено условие постоянства температуры, а на верхнюю границу условие отсутствия теплового потока (теплоизоляция).

Показано, что при достаточно высоких температурах изменением теплофизических параметров пленки хрома можно пренебречь. Приведены результаты численных экспериментов по моделированию нагрева тонких пленок хрома лазерным излучением с нормальным распределением интенсивности.

Результаты, полученные при решении задачи теплопереноса используются на этапе моделирования физико-химических процессов в качестве исходных данных по распределению тепловой энергии в системе.

Шестой раздел посвящен разработке методики моделирования методом (BKA) диффузионных и химических процессов при термохимическом окислении пленок хрома.

8

Диэлектрик

ПраВабние//У,

Диэлектрик

Рис. 4. Схема взаимодействия лазерного излучения с металлической пленкой с учетом воздуха и диэлектрической подложки

Показана ограниченность возможности применения методов равновесной термодинамики при рассмотрении процессов на границах кристаллитов. Рассмотрены основные особенности методов клеточных автоматов, показана их адекватность для случая моделирования процессов в заданном пространственном, временном и энергетическом диапазоне и обоснован выбор конкретного типа клеточного автомата.

В седьмом разделе приведены методики получения исходных данных для моделирования физико-химических процессов методом BKA. Необходимость использования физико-химических параметров, относящиеся к процессам, протекающим на атомно-молекулярном уровне, не позволяет непосредственно использовать широкий спектр имеющихся справочных данных. Однако, используя известные зависимости между макроскопическими параметрами системы (коэффициенты диффузии, константы скоростей реакции и т.д.) и микроскопическими (энергии активации процессов) можно, в первом приближении, получить исходные данные для моделирования физико-химических процессов методом BKA.

Для оценки энергии активации элементарного акта окисления использована известная связь между константами скорости химической реакции и энергией активации этого процесса:

*Г,Г2 In Д) к,

где Е - энергия активации, Т{,Т2- температура, кх,к2 - константы скорости реакции

Для оценки энергии активации диффузии можно воспользоваться температурной зависимостью коэффициента диффузии, аналогично использованной ранее зависимости между энергией активации химического процесса и константой скорости реакции.

Оценка периода молекулярных колебаний может быть проведена по известному коэффициенту диффузии.

0 20 Ч кт )

где Т() - период колебаний, ЕДиф - энергия активации диффузии, О -

коэффициент диффузии.

Значения основных параметров, вычисленных по описанным выше методам, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Расчетные значения параметров модели.

№ Обозначение Название Значение

1 Энергия активации процесса окисления хрома =2эВ

2 Wan Энергия активации процесса взаимодействия хрома с азотом =ЗэВ

3 WdiffCr Энергия активации процесса диффузии кислорода в хроме =0,5-1эВ

4 WdiSCrO Энергия активации процесса диффузии хрома в оксиде хрома =2-4эВ

5 X Временной шаг системы ~10"и с

1 - кислород Ш - хром 0 - азот Ш - оксид хрома Ö - вакансия

я# - материал подложки Рис. 7. Пример результатов моделирования окисления границ кристаллита методом BKA.

Результатами моделирования

методом BKA являются пространственные распределения молекул различных типов в области лазерного нагрева. Пример результатов моделирования методом BKA приведен на рис. 7.

Таким образом, во второй главе рассмотрена специфика моделирования технологического процесса лазерной записи скрытого изображения элементов в пленке металла; разработана структура физико-математической модели процесса термохимического окисления пленок хрома под действием лазерного излучения; обоснован выбор методов моделирования различных этапов технологического процесса; рассмотрены методы моделирования различных этапов процесса термохимического окисления, разработана методика моделирования процесса термохимического окисления пленки хрома под действием лазерного излучения; рассмотрены взаимосвязи между подзадачами моделирования; найдены значения энергий активации физико-химических процессов, необходимых для моделирования методом BKA.

Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований. В первом разделе сформированы цели экспериментов. Они продиктованы необходимостью экспериментальной проверки представленных в главе 2 теоретических результатов и определения значений параметров пленки, являющихся исходными данными для разработанных методик моделирования.

Во втором разделе приведены результаты исследования физико-химических свойств пленок хрома, используемых при лазерной записи. Для исследования микроструктуры пленок хрома были использованы методы рентгеновской дифрактометрии, измерения проводились на дифрактометре Broker D8 методами скользящего падающего луча и на отражение (рис. 8) и методы просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, на электронном микроскопе JEM-2010 (рис. 9).

8 МАО \1000 1 т

0 800

1 700 § 600 g 500

^ 400 300 200 р* 100 о

пах, соответствующий кристашту -23 им

А

" 42 50 60 70 2в, грай

Рис. 8. Дифрактограмма образца с использованием техники скользящего

падающего луча, величина угла скольжения - 5.1°. Дифракционные максимумы от подложки (20 = 40 90°) отсутствуют.

Рис. 9. Результаты ПЭМВР. Выделены области с регулярной кристаллической решеткой (кристаллиты). Видна дифракция электронов на кристаллической решетке.

keV

Рис. 10 Элементный состав пленки хрома.

Полученные результаты позволили определить характерный размер кристаллита в пленках, используемых для записи, с точностью до единиц нанометров.

Локальный анализ элементного состава образцов проводили с использованием энерго-дисперсионного EDAX спектрометра «Phoenix» с Si(Li) детектором и разрешением по энергии не более 130 эВ. Результаты, полученные для одного из типов пленок, приведены на рис. 10.

Для различных образцов количество кислорода составило величину от 6% до 20%. Однако, данный эксперимент не позволил получить сведения о том, какая доля кислорода находится в связанном состоянии (в оксидах хрома).

Приведены результаты

исследования скорости химического травления водным раствором K,Fe(CM)6 +

NaOH ох характерного размера кристаллита пленки хрома до лазерной обработки (рис. 11). Показано, что скорость травления существенно зависит от характерного 6.00 оаз 1.60 2.40 320 4.00 4.80 5.60 6.40 7.20 8.С размера кристаллита. Полученное

соотношение скоростей травления объясняется автором тем, что основное сопротивление травлению оказывают границы кристаллитов, а не их объем.

В третьем разделе приведены результаты оптических исследований пленок хрома. Приведены спектры пропускания и поглощения пленок с различной микроструктурой. Выдвинуто предположение, что отличия в оптических свойствах вызваны влиянием характерного размера кристаллитов на электрические свойства пленки.

В разделе четыре приведены результаты экспериментальных

исследований зависимости параметров микрорельефа от микроструктуры пленки хрома, по которой проводилась запись и проведено сравнение с результатами численного моделирования методом BKA.

Определены параметры

микрорельефа как до химического травления, так и после него (рис. 12). Измерения проводились на СЗМ Solver Pro в режиме атомно-силовой микроскопии.

Рис. 11. Зависимость коэффициента пропускания от времени химического травления. Верхняя кривая -квазиаморфная пленка, нижняя -кристаллическая пленка

б)

Рис. 12. Результаты СЗМ исследования поверхностей пленок хрома после нанесения тестовой структуры и химического травления а) квазиаморфная пленка б) пленка с размером кристаллита 23 нм.

Отличия в результатах лазерной обработки квазиаморфной пленки и пленки с наибольшим характерным размером кристаллитов, можно объяснить тем, что при лазерной обработке окисляются только границы кристаллитов на глубину в единицы нанометров.

Результаты СЗМ полученные после химического травления объяснены тем, что в результате химического травления кристаллиты с частично окисленными границами полностью стравливаются. Тогда при большом размере кристаллитов (1-2 кристаллита на толщине пленки), должна будет наблюдаться резкая граница между зоной слияния колец и их разделения, высота колец будет определятся размером кристаллита и оставаться постоянной, что и наблюдается в эксперименте.

На рис. 13. Приведены результаты численного моделирования высоты профиля и результаты экспериментов.

а) б)

Рис. 13. Расчетные и экспериментальные высоты рельефа для случая пленки с характерным размером кристаллита 25 нм (а) и аморфной пленки (б). Штриховой линией показан разброс результатов численных экспериментов, сплошной - результат единичного численного эксперимента. Получено хорошее совпадение теоретических и экспериментальных результатов (расхождения по высоте профиля не более 5 нм)

Показано, что структуры с наименьшим размером могут быть записаны при использовании

квазиаморфных пленок с толщиной не более 50 нм. Экспериментальные результаты, полученные при записи тестовых структур подтверждают этот вывод: при диаметре пятна лазерного излучения (1—0,8 мкм, на квазиаморфной пленке был записан трек шириной -'0,5 мкм (рис. 10).

Вследствие термохимического механизма окисления пленки принципиально возможна запись структур с размерами меньшими диаметра пучка экспонирующего излучения.

В результате проведенных исследований были получены экспериментальные данные о параметрах микроструктуры пленок хрома, используемых при лазерной записи. Предложен и экспериментально подтвержден новый механизм термохимического окисления пленок хрома толщиной 20-100 нм под действием лазерного излучения. На основании проведенных экспериментов установлено влияние микроструктуры пленки хрома на разрешающую способность локального термохимического окисления. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования свойств микроструктуры пленок хрома для

Рис. 14. Тестовая структура с размером меньше диаметра пучка экспонирующего излучения ((1=0,8 мкм).

управления процессом формирования микроструктур, в т.ч. для записи структур с характерным размером меньше диаметра пучка экспонирующего излучения.

В четвертой главе рассмотрены возможные практические приложения результатов, полученных предыдущих главах диссертационной работы.

Выделены основные направления, по которым может проводиться оптимизация параметров пленки хрома. Применение полученных в работе результатов рассмотрено на примере амплитудной и фазовой дифракционных решеток. Показано, что в процесс изготовления необходимо внести ряд изменений, связанных с измерениями характерного размер кристаллита и толщины пленки хрома перед процессом лазерной записи. Выбраны методы измерений, рассмотрены вопросы, связанные с реализацией необходимых измерений. Определен эффект от модификации процесса изготовления с учетом характерного размера кристаллитов пленки хрома и ее толщины.

В настоящее время результаты диссертационной работы используются при изготовлении микроструктур на установке 2005 (ИСОИ РАН, г. Самара).

Показан профиль единичного трека.

Из приведенных примеров видно, что результаты, полученные в диссертационной работе, позволяют существенно повысить характеристики конечных изделий в большинстве приложений термохимической технологии, независимо от вариантов ее реализации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В работе решена важная научно-техническая проблема увеличения разрешающей способности процесса локального термохимического окисления пленок хрома, стимулированного лазерным излучением за счег учета влияния структуры пленок хрома и растворенного кислорода на процесс термохимического окисления.

1. Разработана физико-математическая модель, учитывающая негомогенность пленок хрома, что позволило смоделировать процессы в тонких (30-100 им) пленках. Проведено численное моделирование, которое показало, что окисление материала тонких пленок идет преимущественно по границам кристаллитов, кислородом, растворенным в материале пленки, от границы хром-подложка.

2. Экспериментально получены количественные данные о размере кристаллитов, соотношении аморфной и кристаллической фаз, элементном составе тонких (30-100 нм) пленок хрома, полученных термовакуумным напылением. Исследование проводилось методами просвечивающей электронной

микроскопии высокого разрешения, атомно-силовой микроскопии, реитгеноструктурного анализа, EDAX спектроскопии.

3. Экспериментально получены данные о влиянии характерного размера кристаллитов на разрешающую способность метода локального термохимического окисления. В результате проведенных исследований показано, что аморфные пленки обладают лучшей чувствительностью на рабочей длине волны (488нм) и обеспечивают более высокую разрешающую способность.

4. Разработаны рекомендации по выбору параметров микроструктуры пленок хрома, используемых при записи металлизированных шаблонов. В соответствии с разработанными рекомендациями (использование аморфных пленок хрома минимальной толщины, обеспечивающей сплошность и однородность пленки), на установке CLWS 200S получены структуры с размерами до 0,5 мкм.

Результаты исследований могут быть использованы при реализации различных

вариантов технологии термохимической записи, используемых при создании элементов

микроэлектроники и микрооптики.

Основные научные результаты диссертации изложены в следующих публикациях.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Агафонов, А.Н. Разработка физических принципов и алгоритмов компьютерного моделирования методами вероятностного клеточного автомата базовых процессов формирования микроструктур [Текст]/ А.Н. Агафонов, A.B. Волков, А.Г. Саноян, С.Б. Коныгин //Вестник Самарского государственного технического университета. Серия технические науки. - 2007. - №1. - С. 99- 107.

2. Агафонов, А.Н., Моисеев О.Ю., Корлюков A.A. Анализ зависимости разрешающей способности технологии локального термохимического окисления от параметров структуры светочувствительной пленки хрома [Текст]/ А.Н. Агафонов, О.Ю. Моисеев, A.A. Корлюков// Компьютерная оптика. - Т.34. - № 1. - 2010. - С.101-108.

3. Агафонов, А.Н., Варфоломеева В.В., Еремина И.Н., Саноян А.Г. Определение параметров деградации объектов при комплексном воздействии возмущающих факторов среды эксплуатации [Текст]/ А.Н. Агафонов, В.В. Варфоломеева, И.Н. Еремина, А.Г. Саноян // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. - N 9/2(59). - 2007. - С. 55-62.

4. Агафонов, А.Н. Исследование параметров микроструктуры пленок хрома и их влияния на результаты локального термохимического окисления под действием лазерного излучения [Текст]/А.Н. Агафонов// Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. - № 5 (69) - 2010. - С. 17-21.

Публикации в других изданиях:

5. Агафонов, А.Н., Володкин. Б.О. Моделирование процессов формирования тонкослойных оптических элементов методом термохимического окисления тонких металлических пленок, стимулированного лазерным излучением [Текст]/ А.Н. Агафонов, Б.О. Володкин. // Сборник трудов IV Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» ФПО-2006. Санкт - Петербург. -Т1,- 2006 , -С.232-233.

6. Агафонов, А.Н. Моделирование процесса термохимического окисления тонких пленок хрома, стимулированного лазерным излучением [Текст]/ А.Н. Агафонов// Харьковская нанотехнологическая ассамблея - 2007. Харьков: ННЦ «ХФТИ», ИПП «Контраст», -2007. - С. 262-273.

г

7. Агафонов, А.Н. Разработка модели технологического процесса изготовления тонкопленочных дифракционных оптических элементов (ДОЭ), основанного на термохимическом окислении тонких пленок хрома, стимулированного лазерным излучением [Текст]/А.Н. Агафонов// Сборник СПб АИН, С-Пб, -ТЗ,- 2007, -С399-214.

8. Агафонов, А.Н. Исследование локального термохимического окисления тонких пленок хрома под действием лазерного излучения [Текст]/ А.Н. Агафонов //Труды международной научно-технической конференции «Металлдеформ-2009», СГАУ-Самара: Издательство учебной литературы -Т1, -2009, -С.186-190.

9. Агафонов, А.Н. Разработка модели технологического процесса изготовления дифракционных оптических элементов (ДОЭ), основанного на термохимическом окислении тонких пленок хрома, стимулированного лазерным излучением [Текст] /А.Н. Агафонов // Тезисы докладов конференции «Лазеры. Измерения. Информация». СПб, изд. политехнического университета, -2007, - С. 110-111.

10. Агафонов, А.Н. Влияние микроструктуры тонких пленок хрома на разрешающую способность локального термохимического окисления, стимулированного лазерным излучением [Текст] /А.Н. Агафонов // Сборник тезисов VII всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. -С-Пб, -Выпуск 2 (Оптотехника и оптические материалы), -2010, -С.3-4.

11. Агафонов, А.Н. Компьютерное моделирование динамических систем методом вероятностного клеточного автомата [Текст]/А.Н. Агафонов, С.Б. Коныгин/ЛГезисы докладов Международной молодежной научной конференции XXVII Гагаринские чтения. -М„ 2002,-Т5, - С. 87-88

Подписано в печать 24.06.11 г. Формат 60x84 1/16 Тираж 100экз. Отпечатано с готового оригинал-макета г. Самара, СГАУ. Московское шоссе, 34

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА ЛОКАЛЬНОГО ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ ПЛЕНОК ХРОМА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

1.1. Цели и задачи анализа.

1.2. Методы создания шаблонов ДОЭ.

1.3. Физические основы термохимического окисления пленок хрома, , стимулированного лазерным излучением.

1.3.1. Анализ процессов в пленке хрома при ее окислении под действием лазерного излучения.

1.3.2. Режимы лазерного нагрева^еталлов.

1.3.3. Термохимическое действие лазерного излучения на металлы.

1.3.4. Влияние окисления на оптические свойства металлов при лазерном воздействии1.

1.3.5. Нагрев окисляющихся'металлов лазерным излучением.

1.3.6. Ограничения существующих моделей термохимического окисления.

1.4. Постановка задачи исследования.

Дифракционный оптический элемент (ДОЭ) представляет собой пропускающую или отражающую пластинку с амплитудным или фазовым пропусканием. Первыми представителями этого класса плоских оптических элементов являются дифракционные решетки Релея-Сорэ и зонные пластинки Френеля, разработанные более 200 лет назад.

Компьютерное проектирование дифракционного микрорельефа позволило-практически реализовать задачу создания элементов плоской оптики со сложным профилем зон, благодаря^ чему класс ДОЭ1 существенно расширился: появились такие элементы как корректоры волновых фронтов, фокусаторы, моданы и т.д. Один из наиболее интересных классов ДОЭ' образуют фокусаторы лазерного I излучения, предложенные и впервые исследованные в нашей стране в 1981 году (М.А. Голуб, C.B. Карпеев, A.M. Прохоров, И.Н. Сисакян, В.А. Сойфер).

Представляется эффективным применение ДОЭ в установках микроэлектроники, оптических приборах, системах оптической обработки информации и управления, устройствах визуализации фазовых объектов и преобразования изображений, что вызывает потребность-в, изготовлении ДОЭ различного функционального назначения с повышенной разрешающей способностью.

Одним их базовых технологических процессов изготовления ДОЭ является фотолитография [1]. Существует ряд- случаев, специфика которых- не позволяет считать традиционные способы получения фотошаблонов экономически целесообразными [2,3]. Такая ситуация складывается, когда требуется изготовить широкую номенклатуру элементов при* штучном или. мелкосерийном производстве, например при'изготовлении уникальных ДОЭ.

Существуют методы формирования топологического изображения непосредственно в слое рабочего материала, без использования фоторезистов, базирующиеся на локальной обработке материала лазерным излучением (ЛИ), позволяющие снизить себестоимость изготовления микроструктур произвольной конфигурации. Их можно разделить на термофизические (рекристаллизация или прямое испарение вещества) и термохимические (окисление) методы. С точки зрения возможности увеличения разрешающей способности более предпочтителен метод локального термохимического окисления. Этот метод формирования микроструктур основан на локальном окислении тонких пленок хрома под действием лазерного излучения. Последующее жидкостное травление образца приводит к формированию микрорельефа, за счет существенного различия скоростей травления хрома и его окисных форм [4].

Наибольший' вклад в теоретическое обоснование метода локального термохимического* окисления был внесен Вейко в:п., Либенсоном (ИТМО), а также Иолещуком А.Г., Корольковым В.П. и др.(ИАиЭ СО РАН), которыми была разработана установка круговой лазерной записи, для создания шаблонов г на поверхности различных материалов.

Использование перспективных, с точки зрения повышения разрешающей способности, тонких пленок (.<50 нм), вызывает необходимость более подробного исследования процессов окисления хрома, в частности, учета влияния! структуры пленки хрома, и роли растворенного в ней кислорода. Следует отметить, что известные теоретические подходы к анализу кинетики термохимического окисления хорошо описывают процессы в относительно толстых (>150 нм) пленках и базируются'на следующих общих основных предположениях [5,6]:

1. Материал пленки хрома и оксидной пленки считается однородным.

2. Основным фактором, лимитирующим окисление, является диффузия! атмосферного кислорода в пленку хрома.

В связи с этим, актуальным явятся решение комплекса научно-технических задач, направленных на повышение предельной разрешающей способности технологии локального термохимического окисления тонких пленок хрома, под действием лазерного излучения.

Таким образом, цель диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: разработка метода повышения разрешающей способности локального термохимического окисления тонких пленок хрома на основе 8 теоретического и экспериментального исследования влияния параметров микроструктуры пленок хрома и растворенного в них кислорода.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий круг задач:

1) Провести сравнительный анализ традиционных методов и метода локального термохимического окисления пленок хрома для изготовления бинарных металлизированных шаблонов.

2) Разработать физико-математическую модель процесса термохимического окисления пленки хрома, стимулированного лазерным излучением, учитывающую параметры микроструктуры и влияние растворенного кислорода и провести численное моделирование процессов в зоне нагрева.

3) Провести натурные эксперименты с целью установления влияния параметров пленки хрома (толщины и характерного размера кристаллитов) и режимов лазерной записи на разрешающую способность метода термохимического окисления.

4) Разработать и обосновать рекомендации-по выбору параметров пленок хрома и режимов лазерной записи для изготовления металлизированных шаблонов ДОЭ.

Решение указанного комплекса теоретических и экспериментальных задач позволит повысить качество получаемых элементов дифракционной оптики с повышенной разрешающей способностью на основе тонких пленок хрома термически, окисленных локальным воздействием лазерного излучения и значительно уменьшить количество тестовых экспериментов за счет выбора пленок хрома с наиболее удовлетворительными параметрами структуры.

Диссертация является результатом исследований, проведенных автором' на» кафедре наноинженерии Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева.

1. Волков, А.В; Создание и исследование бинарных фокусаторов для мощного ND-YAG лазера Текст. /A.B. Волков, Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский; ГЛЗ. Успленьев, А. Занелли//Компьютерная оптика. -М.: МЦНТИ, 2000., -Вып-20: -С.84-90.

2. Вейко, B.nj Взаимодействие лазерного излучения с; веществом Текст. /В.П. Вейко, М:Н: Либенсон, Г.Г.Червяков,. Е.Б. Яковлев //Силовая оптика; — Nit: ФИЗМАТЛИТ, 2008 -312 с. ;

3. Либенсон, M.IL Лазерно-индуцированные оптические и термические процессы, в конденсированных средах и их* взаимовлияние Текст./ М-Н'. Либенсон//- С.-Пб.: I Гаука, 2007. 423 с. • ' :

4. Валиев^ К! Av Физические основьг субмикронной {фотолитографии-: Текст./К-А. Валиев//-М.: Наука, 1990. ■•.:,'■

5. Волков, A.B. Методы и экспериментальные установки формирования микрорельефа» дифракционных оптических элементов видимого и инфракрасного диапазонов волн Текст. / Волков A.B., диссертация на соискание степени доктора технических наук — Самара, 2002. .

6. Бурмистров, А. В. О скорости поверхностного окисления металлов, нагреваемых лазерным излучением Текст./ А. В. Бурмистров, В. И. Конов // Физика и химия обработки материалов. 1982. № 3. С. 3 — 7.

7. Бузыкин, О. Г. Влияние температурных градиентов в окисном покрытии на кинетику поверхностного окисления металла, нагреваемого излучением Текст./ О. Г. Бузыкин, А. В. Бурмистров, М. Н. Коган // Поверхность. Физика, химия механика. 1982. № 9. С. 91 100.

8. Бузыкин, О. Г. Кинетика неизотермического окисления металлов с учетом термодиффузии и электропереноса Текст./ О.' Г. Бузыкин, А. В: Бурмистров// Поверхность. Физика, химия, механика. 1983. № 10i С. 91 — 97.

9. Акимов, А. Г. Исследование состава? окисной пленки, образующейся-после импульсного нагрева металла Текст./ А. Г. Акимов, А. П. Гагарин, В. Г. Дагуров, В. С. Макин, С. Д. Пудков // ЖТФ. 1980i Т. 50, вып. 11. С. 2461 -2463.

10. Бункин, Ф. В.Интерференционные явления при лазерном нагреве металлов в окислительной среде Текст./ Ф. В. Бункин, Н. А. Кириченко, В. И. Конов, Б.С. Лукьянчук // Квантовая электроника. 1980. Т. 7, № 7. С. 1548 1556.

11. Либенсон М. .-]. Термохимическая неустойчивость конденсированных сред при нагревании светом Текст]/ М. Н. Либенсон //Письма в ЖТФ. 1978. Т. 4, вып. 15. С. 917-921.

12. Бобырев В. А. Автоколебательные режимы лазерного горения металлов Текст./ В. А. Бобырев, Ф. В. Бункин, Н. А. Кириченко, Б. С. Лукьянчук, А. В. Симакин //Квантовая электроника. 1983. Т. 10, № 7. С. 1373 1380.

13. Розинберг, Г. В. Оптика тонкослойных покрытий Текст./ Г. В. Розинберг // М.: Физматгиз, 1958. С. 570

14. Борн, Ф.Основы оптики Текст./ Ф. Борн, Э.! Вольф// М.: Наука, 1973. С. 721

15. Кофстад, П. Отклонение от стехиометрии; диффузия, электропроводность в простых окислах металлов*Текст./ П. Кофстад // М.: Мир, 1975.- С.336

16. Длугунович; В: А. Отражение излучения материалами в процессе их нагревания С02-лазером Текст./ В. А. Длугунович, В. А«. Ждановский, В. Н. Снопков // Препринт ИФ АН БССР. № 230. Минск, 1980. 44 с.

17. Полещук, А.Г. Дифракционные оптические элементы: методы синтеза и применение Текст./ А.Г. Полещук// диссертация на соискание степени доктора технических наук Новосибирск, 2003.

18. Лунин, Б.С. Влияние сорбции атмосферных газов и паров на внутреннее трение в тонких пленках, хрома Текст./ E.G. Лунин, С.Н. Торбин // Вестник Моск. Ун-та. GEPï.2'] ХИМИЯ'.,2004. Т. 45. № 5( С. 297-299

19. Аметистов, Е.В: Тепло- и массообмеш Теплотехнический эксперимент: Справочник Текст./Е.В Аметистов; В.А. Григорьеву Б.Т. Емцев и. др.; под общей редакцией В.А. Григорьева и В.М. Зорина// М.: Энергоиздат, 1982 —' G.512. ^ ,.' ■ .-г. .у : у • ■ ■ '•' : ;

20. Chopard, В. Cellular Automata Modeling of Physical Systems /В. Chopard, M. Droz//Cambridge University Press, Collection Al'ea, 1998.-341 pp.

21. Карпов, IO.F. Теория автоматов Текст./Карітов; IO:F.// СПб, 2003,-С. 224. '

22. Смитлз, К. Дж. Металлы Текст./ К. Смитлз// пер. с англ. - М.: Металлургия,1980.-С.447 , ;

23. Чопра, К.Л. Электрические явления? в тонких- пленках Текст./ KJ1: Чопра //—'М. Мир, 1972.-С.432 ' V

24. Абрамова, Г.М: Электрические свойства пленок хрома; Текст./ Г.М. Абрамова, II.И. Киселев,. Г.С. Пагрин, Г.А. Петраковский //Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 3, С. 380-382

25. Калашников, С. Г. Электричество Текст./ С. Г. Калашников//— 6-е изд., стереот. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.— 624 с

26. Абрикосов, А.А., Основы теории металлов Текст./А.А. Абрикосов // М.: Наука, 198761 .Кацнельсон А.А. Введение в физику твердого тела Текст./ А.А. Кацнельсон //-М.:МГУ, 1984.

27. Румер, Ю.Б. Термодинамика статическая физика и кинетика Текст./ Ю.Б. Румер, М.Ш. Рыбкин //М: Наука, 1972, 401' с.

28. Рейф, Ф. Берклеевский курс физики Текст./ Ф. Рейф// — Издание 3-е, исправленное. —М.: Наука, 1986. — Т. V. Статистическая физика. — С. 137138. —336 с.

29. Ландау, Л.Д. Теоретическая физика. Статистическая физика Текст./ Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц//- М.: Физматлит, 2003. Т 8. -585 с.

30. Лоскутов, А.Ю! Введение в синергетику Текст./ А.Ю. Лоскутов, А.С. Михайлов // М:Наука, 1990, 272 с.

31. Chopard, В. On the role of fluctuations for in homogeneous reaction-difusiom phenomena/ B. Chopard, S. Cornell, M. Droz // HPA 65; 119-120 (1992).

32. Alfons G. Hoekstra Simulating Complex Systems by Cellular Automata/ Alfons G. Hoekstra, Jiri Kroc, Peter Mi A.// Springer, 2010

33. Штиллер, В. Уравнение Аррениуса и неравновесная кинетика Текст./ В. Штиллер//Мир, 2000г., 176с.

34. Никольский, Б.П. Справочник химика Текст./ Б.П. Никольский [и др.]// — М.: Химия, 1966. Т. 3. - 1004fc.

35. Регель, В. Р. Кинетическая природа прочности твердых тел Текст./ В. Р. Регель, А. И. Слуцкер, Э. Е. Томашевский // М., 1974;

36. Зельдович Я. Б. Элементы математической физики Текст./ Я. Б. Зельдович, А. Д: Мышкис//Наука, 1973, 351с

37. Боуэн, Д:К. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография Текст./ Д:К. Боуэн, Б.К. Таннер*//- С.-Пб.: Наука, 2002. 2741с.