Разработка и исследование наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлектронных структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

УДК 621.382.002

На правах рукописи

РГВ од

Чесноков Дмитрий Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ МИКРОТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУР

01.04.05-"Оптика"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск-2000

Работа выполнена в Сибирской государственной геодезической академии

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Москвин В.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Аверков Е.И.

кандидат технических наук, профессор Тымкул В.М.

Ведущая организация Институт лазерной физики СО РАН

Защита состоится "3û" 2000г. в /4 час. На заседании

диссертационного совета Д 064.14.02 в Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, г.Новосибирск-108, ул.Плахотного, 10, СГГА, ауд.403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан "2ST ^^mrJb 2000г.

Ученый секретарь -

диссертационного совета хТ- V Верхотуров О.П.

186 №. У- /с, О + J /Я -Обо, Je. О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В мире достигнуты большие успехи в области создания устройств различного назначения, отличающихся как миниатюрными размерами, так и большим набором функций, высокой производительностью, малыми энерго- и ресурсопотреблением. Особенно это относится к микроэлектронике, которая, благодаря унификации технологических процессов и функциональной универсализации компонентов микросхем, превратилась в ведущую отрасль промышленности развитых стран и позволила совершить глубокий прорыв в сфере анализа, обработки и передачи больших информационных потоков. В меньшей степени указанные тенденции коснулись оптики и оптоэлектроники, а для микромеханики эти тенденции пока находится в стадии становления.

К основным технологическим процессам, обеспечивающим формообразование микроструктур в условиях массового производства, относятся различные типы напыления, осаждения и эпитаксиального выращивания тонких пленок, химическое/плазменное травление и фотолитография, которые для достижения конкретного результата многократно повторяются, дополняясь множеством вспомогательных процессов. В целом такое производство отличается высокими энергоресурсопотреблением, трудоемкостью и затратами на природоохранные мероприятия, необходимостью поддержания в производственных помещениях особых чистоты и климатического режима и, как следствие, высокой себестоимостью продукции.

Параллельно с развитием интегральных методов массового производства для целей микроэлектронной промышленности в последние десятилетия появились и находят все большее применение способы локального и одностадийного нанесения на различные подложки слоев металлов, диэлектриков и полупроводников. Самым перспективным в этой области является применение инициируемых лазерным излучением процессов выращивания пленочного рисунка в результате локализованных в фокальном пятне фотолитических, пиролитиче-ских и иных радиационно-стимулированных реакций разложения элементоор-ганических соединений (ЭОС). Множество подобных технологических приемов объединяются единым термином "лазерография". Сюда же можно отнести и способы локального удаления или модификации (например, окисления) сплошных пленок.

До последнего времени основой успешного применения технологий лазе-рографии было использование излучения непрерывного лазера, что имеет, однако, существенные недостатки:

- при пиролизе, вследствие высокой плотности мощности излучения в фокальном пятне на подложке, происходит нефункциональный перегрев областей поверхности, непосредственно прилегающих к облучаемой зоне, и возникновение неконтролируемых пиролитических процессов, ведущих к искажению края топологического рисунка;

- температура реакционной зоны на подложке является достаточной для пиролиза ЭОС, но слишком мала для эффективной десорбции атомов кислорода и углерода, загрязняющих растущую пленку. Поэтому процесс осаждения проводят в условиях пониженного давления в специальных камерах, что позволяет контролировать чистоту поверхности роста;

- использование реакционной камеры с комплексом средств получения и контроля высокого вакуума приводит не только к малоэффективному расходованию дорогостоящих реагентов, но и в целом повышает себестоимость технологического процесса.

От перечисленных выше недостатков во многом свободен пиролитический процесс, возбуждаемый излучением импульсного лазера. Особенностью импульсной ВЧ лазерной технологии является локализация энергии лазерного излучения на поверхности обрабатываемой подложки в течение времени порядка наносекунд, в результате реакционная зона самоизолируется от окружающей среды, в зоне создаются управляемые условия для локального проведения сверхвысокотемпературных поверхностных и твердофазных химических реакций. При сканировании луча зона может безынерционно перемещаться по обрабатываемой поверхности. Условия в зоне характеризуются максимальными температурами до 3000-^5000 К, действующими в течение 10"8^10"7 с, тогда как остальной объем, кроме поверхностного слоя подложки толщиной около 1 мкм, остается холодным. Указанные условия благоприятны также для физико-химических воздействий на тугоплавкие и сверхтвердые материалы типа алмаза.;

Цель работы

Выявить и исследовать закономерности инициированных воздействием лазерного наносекундного излучения термохимических, в том числе пиролитиче-ских, процессов формообразования функциональных микроструктур на поверхностях подложек, предложить методы управления этими процессами при их использовании в микротехнологии. Реализация цели достигается путем решения следующих задач:

1. Проведением теоретического анализа процессов пиролитического осаждения пленок на подложки при указанном лазерном облучении с выявлением теплофизических и оптических факторов самоорганизации процесса осаждения.

2. Разработкой основных положений теории термомеханических процессов, протекающих в системе "атмосфера-пленка-подложка" при локальном воздействии наносекундного лазерного излучения.

3. Разработкой исследовательской установки лазерографического выращивания пленок и проведением экспериментальных исследований процессов нанесения пленочных металлических рисунков.

4. Разработкой основ безреакторной технологии формирования на подложках тонкопленочных рисунков из тугоплавких металлов, базирующейся на ис-

пользовании высокочастотного наносекундного лазерно-пиролитического осаждения (НЛПО) в условиях открытой атмосферы.

5. Разработкой технологических принципов использования термомеханических эффектов, возникающих под воздействием лазерного пучка, для кинетического и деформационного формообразования объемных микроструктур на подложках.

6. Исследованием физико-химических процессов твердотельного формообразующего травления поверхностей тугоплавких материалов.

Научная новизна диссертационной работы

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке и исследовании наносекундной лазерной микротехнологии формирования опто-электронных структур в условиях открытой атмосферы. При этом впервые:

1. Проведены теоретический анализ и экспериментальные исследования микротехнологии формирования структур напосекундным ла-зерно-пиролитическим осаждением (НЛПО); пленок в условиях открытой атмосферы, что позволило выявить ряд особенностей процесса, в том числе:

- показана применимость термодинамического подхода при анализе пи-ролитических процессов наносекундной длительности и выявлены условия прохождения пиролиза либо только в адсорбированном слое на подложке, либо также и в газовой фазе;

- исследованы процессы самоорганизации образования шероховатых рельефов при наносекундных лазерных воздействиях и их влияние на пиролитический рост пленок, выявлена роль оптических факторов при формировании морфологии растущих пленок;

- показано, что во время действия лазерного импульса в атмосфере у поверхности подложки возникает ударная волна;

- показаны возможные причины, приводящие к появлению изолированных микрочастиц в газовой фазе и на поверхности подложки в ходе пи-ролитического выращивания пленочных рисунков;

- выявлены причины наступающего в определенных условиях пиролити-ческого осаждения самоограничения роста пленочных осадков.

2. Разработана теоретическая модель процессов НЛПО тонких пленок, позволяющая производить оценочный расчет параметров, обеспечивающих заданные технологические характеристики, в том числе разрешение, производительность и т.п.

3. Создана исследовательская лазерографическая установка микротехнологии формирования оптоэлектронных структур, обеспечивающая проведение и исследование высокочастотного НЛПО пленочных рисунков в условиях открытой атмосферы и приповерхностной инертной среды.

4. Для разработанной микротехнологии предложены методы, обеспечивающие поглощение энергии лазерного ^импульсного излучения не на поверхности, а в глубине многослойной структуры , на подложке, и теоретически и экспериментально исследованы возникающие при этом термомеханические

эффекты. Обнаружено пластическое течение и деформация металлических слоев при указанных условиях, предложены области применения механоформую-щего эффекта.

5. Предложены и исследованы принципы лазерного механического передвижения (переноса) микродеталей, что позволило разработать методику кинетического формообразования объемных микроструктур на подложках.

6. Предложены и исследованы принципы локального твердофазного термохимического травления поверхностей тугоплавких и химически стойких материалов, таких как алмаз или сапфир, с возможностью их размерной обработки и микропрофилирования при изготовлении различных инструментов, в том числе и для целей микроэлектроники.

Практическая значимость работы

Полученные в ходе исследований результаты позволили разработать:

1. Исследовательскую установку наносекундной лазерографической микротехнологии формирования оптоэлёкгронных структур, которая обеспечивает проведение и отработку технологических режимов получения элементов микроприборов в условиях открытой атмосферы и приповерхностной инертной среды.

, 2. Лазерографическую микротехнологию нанесения пленок из редких и драгоценных металлов на различные подложки в условиях открытой атмосферы (без использования реакционной камеры), обладающую эффективностью использования исходных реагентов на уровне 99 %.

3. Методы пластически-деформационного формообразования микроструктур на подложках в результате протекающих при наносекундном лазерном воздействии термомеханических процессов.

4. Лабораторные способы наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлёкгронных структур локальным твердотельным термохимическим травлением поверхностей тугоплавких и химически стойких материале^.

Результаты научных исследований были использованы:

- при выполнении госбюджетных НИОКР "Исследование процессов ла-зерно-пиролитического формирования на подложках пленочных структур" (№ госрегистрации 0193.0005781) и "Ресурсосберегающая технология лазерного нанесения защитных, проводящих и декоративных покрытий из драгоценных и редких металлов с эффективностью использования расходных материалов 99%" (№ госрегистрации 0196.0005781);

- при разработке и изготовлении малой серии установок лазерной ретуши дефектов (проколов) пленочных рисунков, которые были внедрены на предприятии "ПОНовосибирский приборостроительный завод".

Основные положения, выносимые на защиту

1. Теоретический анализ физико-технических основ наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлёкгронных структур на поверхно-

сти подложки в условиях открытой атмосферы, в том числе и в защитном слое инертного газа.

2. Теоретическая физическая модель наносекундного лазерно-пиролитического осаждения (НЛПО) пленок металлов на подложки, позволяющая оценочно рассчитывать основные параметры технологических процессов и осаждаемых структур.

3. Физико-технические и технологические основы лазерографической микротехнологии нанесения пленок из редких и драгоценных металлов на различные подложки в условиях открытой атмосферы (без использования реакционной камеры), а также в слое инертного газа, обладающей эффективностью использования исходных реагентов на уровне 99%.

4. Теоретическая модель термомеханических процессов, протекающих в системе тонкая пленка/подложка при наносекундиом лазерном воздействии и технологические основы пластически-деформационного формообразования микроструктур на подложках, позволяющие создавать функциональные элементы изделий микромеханики и растровой микрооптики.

5. Теоретическая модель и технологические принципы использования локального твердофазного термохимического травления поверхностей тугоплавких и химически стойких материалов, таких как алмаз или сапфир, обеспечивающие возможность их размерной обработки и микропрофилирования при изготовлении различных инструментов, в том числе и для целей микроэлектроники.

6. Для наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлек-тронных структур в условиях открытой атмосферы разработана исследовательская лазерографическая установка, позволяющая проводить отработку технологических режимов воздействия лазерного излучения на различные материалы в системе "атмосфера-пленка-подложка".

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- ежегодных научно-технических конференциях НИИГАиК/СГГА, Новосибирск, 1994-1999г.г.;

- международной конференции "Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация применения оптико-электронных приборов в машиностроении", Россия, Новосибирск, 1995г.;

- международной конференции "Прикладная оптика-96", Россия, Санкт-Петербург, 1996г.;

- 11-й Российской конференции по использованию синхротронного излучения "СИ-96", Новосибирск, 1996г.;

- научно-техническом совете КТИМ СО РАН;

- третьем сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике, посвященном памяти С.Л.Соболева (1908-1989), Россия, Новосибирск, 1998г.;

- «Восток-Сибирь-Запад». Всероссийский экономический форум. «Сибирь: Экспорт-Импорт». Международная промышленная выставка, 1999г., Россия, Новосибирск.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе: тезисы докладов на 3-х международных конференциях, 2 заявки на изобретение, 4 зарегистрированных научно-технических отчета по НИР, в которых автор был ответственным исполнителем. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложения, изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 60 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и практическая ценность. Приведены результаты апробации работы и публикации по ее теме. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Дано краткое содержание диссертации по главам.

В первом разделе проведен обзор известных исследований процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом в микротехнологии при получении тонкопленочных покрытий на подложках. Рассматриваются преимущества применения лазерного излучения над другими технологическими приемами, особенно заметные при использовании лазерного импульсного высокочастотного облучения при длительности импульсов порядка наносекунд. Изложен современный взгляд на физические эффекты взаимодействия материалов с наносекундным мощным лазерным пучком без их разрушения, рассмотрены особенности лазерного нагрева поверхностей металлических и полупроводниковых подложек и, более подробно,Ьлоистых металлических структур на подложках. Сделан акцент на рассмотрение таких физических эффектов, как термоупругие напряжения, деформации и разрушения поверхности металла, лазерная термодесорбция, температурные изменения оптических и теплофизиче-ских свойств металлов при лазерном облучении.

Рассмотрены такие режимы воздействия лазерного излучения, при которых происходит разрушение металлов и проанализированы современные физические модели протекания этого процесса. Отдельно представлена модель разрушения тонких металлических пленок на подложках; учитывающая взрывной характер процесса и образование приповерхностной лазерной плазмы. Заостре-

но внимание также на нелинейно-оптических процессах на облучаемой поверхности и формировании поверхностных периодических структур (ППС).

Представлен обзор современных методов лазерного осаждения пленок на подложки, в том числе фотолитических и лазерно-пиролитических.

В заключение дано обоснование задач диссертационной работы.

Во втором разделе приведен выполненный впервые теоретический анализ эффектов воздействия импульсного наносекундного лазерного излучения на подложку и газовую атмосферу при образовании тонкопленочных осадков в результате пиролиза и представлена физическая модель наносекундного лазер-но-пиролитического осаждения (НЛПО) пленок.

С использованием известного решения задачи локального нагрева подложки (Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов.- Л.: Машиностроение, 1986) рассмотрены теплофизические процессы при наносекундном лазерном облучении гладких подложек, происходящем по следующей схеме: лазерный пучок локально воздействует на подложку при длительности лазерного импульса 6 не, частоте следования импульсов до 1000 Гц, длине волны излучения А=0,337 мкм. Подложка находится при атмосферных условиях и обдувается струей смеси инертного газа-носителя и паров разлагающегося под действием высокой температуры ЭОС. Плотность импульсной мощности в луче на подложке до 101 '^1012Вт/м2.

За время лазерного импульса температура подложки в центре лазерного пятна изменяется на ДТ. Ее расчет производится согласно формуле (1), которая справедлива для коротких лазерных импульсов (длительность т менее 10"7с), когда можно пренебречь потерями тепла за счет теплопроводности подложки:

где Л - коэффициент отражения света; Ро - плотность мощности падающего излучения; к, р, с - коэффициент теплопроводности, плотность, удельная тепло-

Так, для подложек из стекла, необходимые для пиролиза температуры 1000-И 200 К достигаются при плотности мощности излучения (3-И)- Г01 Вт/м2. При этом длина тепловой волны равна 0,054 мкм. Длина тепловой волны характеризует собой расстояние, на которое прогревается подложка в глубину и по поверхности, т.е. разрешающую способность наносекундной технологии. Рассматриваются условия, создаваемые при лазерном нагревании подложек с тонкими пленками на их поверхности. Показано также, что при нанесении пленок на подложки с малой температуропроводностью рост толщины пленки приводит, в связи с увеличением их теплоемкости, к уменьшению импульсной температуры поверхности до значения, при котором прекращается пиролиз (например, в случае стеклянной или полимерной подложки температура, при неизменной импульсной мощности лазерного излучения, уменьшается в 4 или 20

_(1т-Д)Р0Т*

(1)

емкость вещества подложки.

раз, соответственно, при выращивании пленки рения с толщины 0,01 до 0,5 мкм).

Далее подробно рассмотрены теплофизические процессы при наносекунд-ном лазерном облучении подложек с учетом влияния морфологии растущих осадков. При этом предложены объяснения известных экспериментальных эффектов, наблюдаемых в ряде случаев при наносекундном лазерном пиролити-ческом осаждении пленок, таких как: - самоограничение толщины растущей пленки; - накопление мелкодисперсных частиц в областях подложки, непосредственно прилегающих к облучаемому участку; - увеличение параметра шероховатости поверхности растущей пленки.

Согласно проведенным исследованиям, влияние центров зародышеобразо-вания растущей пленки на теплораспределение по поверхности подложки очень велико. Атомы металла, полученные при пиролитическом разложении десорби-рованной на поверхности подложки молекулы МОС, образуют двумерный поверхностный слой, обладающий высокой подвижностью и аналогичный во многих чертах жидкой фазе. Группы атомов принимают почти сферическую форму и стремятся слиться вместе, образуя зародыши. Предлагаемая физическая модель учитывает изменение температуры изолированного островка пленки, образующегося со временем из зародыша. Получено выражение для превышения температуры островка над температурой подложки при обычных для НЛПО условиях:

„ с 1ш3Рт

ЛГ = 7'5'^—¡Г» Л,ср/

где а — радиус сферического зародыша: Р, т,. и X - плотность мощности,длительность и длина волны лазерного излучения; 1, с и р - длина тепловой волны, теплоемкость й плотность подложки.

В результате конкуренции в скорости роста размера только некоторые из всех зародившихся островков разрастаются до смыкания с соседями; при образовании сплошной пленки могут существовать условия, при которых температура растущей пленки достигает точки плавления и кипения, и происходит вынос материала за пределы реакционной зоны. Особенностью лазерно-пиролитического процесса является также рост зерен, имеющих сферическую форму, вследствие чего ухудшаются тепловой и адгезионный контакты полученной сплошной пленки с подложкой. После образования сплошной пленки ее шероховатость приводит к неравномерности в распределении температуры по поверхности.

Представлены результаты исследования теоретической модели, учитывающей наличие температурного рельефа на подложке, вызванного оптическими эффектами когерентного взаимодействия падающего излучения с поверхностной электромагнитной волной, нагреванием выступов рельефа поверхности некогерентно рассеянным самой поверхностью падающим излучением;,; а также „избыточным нагревом прямым падающим на подложку лазерным излучением

выступов поверхности, имеющих вследствие своей сферической формы затрудненный теплоотвод в подложку.

Первый из перечисленных эффектов может приводить при пиролизе к росту периодического рельефа с шагом, равным длине волны А, лазерного излучения (при нормальном падении излучения на подложку). Причиной, инициирующей появление поверхностной электромагнитной волны, могут быть случайные микровыступы высотой до 0,0 IX., всегда имеющиеся даже на гладкой подложке. Рост периодического рельефа может привести к значительному уменьшению коэффициента отражения Я падающего излучения, к импульсному перегреву растущего осадка до неприемлемых значений. В наибольшей степени это опасно при рельефе высотой менее 0,01-Н),1 мкм. При большей высоте рельефа необходимо учитывать другие из указанных эффектов.

Для случая сферических выступов на поверхности, имеющих затрудненный теплоотвод в подложку полученной от лазерного излучения энергии, получено выражение для температурного контраста К таких образований:

где Т - температура; 51 и И - площадь сечения и высота мениска, соединяющего сферу радиусом с подложкой; х - длительность лазерного импульса; X - коэффициент теплопроводности; р - плотность; с - удельная теплоемкость; тш -масса выступа. Обозначения с индексами "ш" относятся к шарику, а с индексами "„" - к подложке.

Выражение (3) показывает, что тепловой контраст при обозначенных выше упрощениях не зависит от уровня лазерной мощности. В случае одинаковых материалов подложки и шариков (золото) получим при Л0=Ю"5см: К~0,075. Для золотых шариков с меньшим 0,5 мкм экспоненциальным членом можно пренебречь. Температурный контраст пропорционален радиусу частицы.

Учитывая экспоненциальную зависимость скорости пиролитического роста осадков на подложках от температуры подложки, можно сделать вывод, что наличие на поверхности подложки случайных выступов с высотой порядка 0,1 мкм вызывает на их гранях ускоренный рост вещества и должно приводить к повышению шероховатости пленки. В связи с тем, что вся поверхность малого выступа имеет одинаковую температуру и покрыта адсорбированным из газовой фазы слоем молекул реагента одинаковой толщины, по мере роста форма выступа становится шарообразной. С увеличением количества нарастающего вещества, которое оседает на малых выступах, радиус частиц-выступов растет, при этом тепловой контраст К вначале увеличивается линейно, затем замедляет свой рост и, наконец, уменьшается.

Таким образом, при лазерном пиролитическом росте пленок существуют причины, приводящие к увеличению их шероховатости в результате образования теплового рельефа на их поверхности: интерференция падающего излучения и поверхностной электромагнитной волны; нагрев выступов прямым и рас-

(3)

сеянным подложкой компонентами излучения; затрудненный теплоотвод в под- ^ ', ложку в силу специфической формы выступов.

Далее проведен анализ физико-химических процессов, происходящих на '' поверхности подложки при лазерном наносекундном пиролизе из паров ЭОС.

Осаждение пленок при наносекундном облучении существенно отличается от получения пленок с использованием непрерывного облучения или облучения длительными импульсами. Экспериментально обнаружено, что необходимым условием наносекундного пиролитического процесса выращивания пленок является высокая мощность облучения подложки - порядка (1+5)х107 Вт/см2, что на 2-И порядка превышает мощность при непрерывном процессе. При этом температура в центре пятна кратковременно достигает 1000-^2000 К при использовании хорошо отводящих тепло подложек или будет в несколько раз больше при использовании полимерных подложек.

В указанных условиях могут одновременно протекать несколько активируемых нагретой поверхностью подложки процессов: десорбция адсорбированных на поверхности молекул, терморазложение молекул, хемисорбция на поверхности..,

Расчеты с учетом форм лазерного и температурного импульсов на подложке и числа ударяющихся о подложку газовых молекул показали, что облучение подложки лазерным импульсом приводит, кроме получения слоя металла, к хемисорбции на нем активных газов (кислорода), десорбции физически адсорбированных молекул и атомов; слой металла образуется или в течение температурного импульса за счет терморазложения молекул элементоорганического соединения (ЭОС), ударяющихся в это время о подложку, или за счет разложения адсорбированных за время между импульсами молекул ЭОС. В последнем случае скорость осаждения больше.

Каждый последующий лазерный импульс при достаточной мощности де-сорбирует хемисорбированные молекулы активных газов, что приводит к очистке растущей пленки металла от загрязнений окислами даже в условиях окислительной атмосферы.

Таким образом, при импульсном наносекундном пиролитическом процессе, кроме стадий реакции, типичных для непрерывного облучения (диффузия к поверхности, адсорбция, химические превращения, десорбция и диффузия продуктов реакции от поверхности), необходимо учитывать вторую стадию десорбции, вынуждаемую последующим лазерным импульсом.

Рассмотрены процессы, происходящие в газовой фазе при НЛПО тонких пленок. Показано, что состояние термодинамической системы, включающей молекулы газа, адсорбированные на поверхности подложки и приповерхностный слой атмосферы, можно в период действия значительной части лазерного импульса оценивать как равновесное. Такое приближение позволило определить условия, в частности, давление и температуру газа, при которых пиролиз происходит либо только на поверхности растущей пленки, или и в газовой фазе также. При атмосферном давлении в среде инертного газа температура прохождения пиролиза в газовой фазе при осаждении рения не меньше, чем 1300 К.

10 6

2 0

55 ¡4 м/с 800

с.

- \ \с Гг 3—.2- 600 400

1- 200

• ' . . 1__ ----

3 а)

4 5 I (не)

Рисунок 1 - Характеристики газа на фронте ударной волны в зависимости от: а) времени распространения; б) координаты фронта /*2- Здесь: с - скорость ударной волны; р, V, Р - плотность, скорость и давление газа, соответственно (1 - перед ударной волной, 2 -после).

Показано, что за время лазерного импульса у поверхности в газовой фазе образуется ударная волна с перепадом давления порядка десяти атмосфер, скоростью 103 м/с, затухающая на расстоянии от места возникновения 5-^15 мкм. На рисунке 1 приведены основные параметры ударной волны.

В работе отражены результаты изучения образования и поведения частиц в газовой фазе при НЛПО.

Проведено сравнение влияния на характеристики выращиваемого осадка различных процессов, сопровождающих осаждение пленок металлов на стеклянные подложки методом НЛПО.

Пар карбонила Ме поступает к подложке, находящейся в условиях открытой атмосферы, в потоке буферного инертного газа. На поверхности подложки образуется адсорбированный слой реагента, толщина которого (количество монослоев молекул карбонила) зависит от соотношения между температурой подложки и концентрацией молекул реагента в непосредственной близи к поверхности в соответствии с теорией БЭТ. При этом хемисорбированными могут быть только молекулы ближайшего к поверхности монослоя, для остальных монослоев наблюдается физическая адсорбция.

Согласно литературным источникам, молекулы карбонилов находятся на поверхности подложки в хемисорг бированном состоянии. Однако при

ВЧ лазерно-пиролитическом процессе время, отведенное на образование адсорбированного слоя, ограничено периодом следования импульсов и имеет порядок 1,00-Ю,05 мс. За это время хемисорбция молекулы (как конечная стадия адсорбции) может не произойти. Кроме того, в силу проведения процесса в условиях открытой атмосферы, имеет место конкуренция между молекулами различных компонентов атмосферы за центры адсорбции на поверхности подложки. Поэтому можно предположить, что в условиях реального процесса ВЧ ла-

зерного пиролиза роль хемисорбции уменьшается, а имеет место главным образом физсорбция молекул карбонйла на поверхности подножки. В этом случае количество монослоев реагента на подложке зависит линейно от парциального давления реагента в атмосфере.

При попадании лазерного излучения (Х=0,337 мкм) на стеклянную подложку температура ее поверхности останется близкой к начальной вследствие слабого поглощения световой энергии стеклом. Поэтому пиролиз не может происходить, пока на поверхности не появится слой молекул Ме, образовавшихся из молекул карбонйла при фотолизе или ином процессе. Если осаждаются тугоплавкие, способные окисляться металлы (Ие, \У, Мо, Та), то каждый атом, попадая при фотолизе на подложку, становится центром зародышеобра-зования. В этом случае размер критического зародыша равен размеру атома.

Если осаждаются благородные металлы (Аи, Ag, РО, то их атомы могут мигрировать по поверхности, возможно, даже при невысокой температуре, образуя двумерный газ; при столкновениях атомов образуются зародыши. При достаточном числе атомов в зародыше он приобретает куполообразную форму и является центром роста пленки.

По мере увеличения толщины пленки тугоплавкого Ме увеличивается поглощение пленкой лазерного излучения и температура подложки с пленкой растет. Поглощение и температура станут максимальными к моменту, когда пленка станет непрозрачной. При этом ее толщина все еще много меньше длины тепловой волны в ней, и температура пленки определяется ее способностью передавать тепло подложке (тепловым и адгезионным контактом пленки с подложкой) и теплоемкостью нагревающегося за время лазерного импульса слоя подложки.

Дальнейшее зависит от уровня мощности излучения и импульсных температур подложки и пленки. При температуре пленки, близкой к температуре плавления металла или менее, слой растет некоторое время как сплошной гладкий. По мере увеличения толщины и теплоемкости слоя его температура во время лазерного импульса уменьшается с каждым импульсом; и может наступить момент, когда пиролитический процесс и рост пленки прекратятся. Если температура пленки выше температуры кипения, то давлением паров самого осаждаемого вещества оно сразу выдавливается за пределы облученной лазером области подложки; рост пленки не происходит. Если температура пленки меньше температуры кипения, но выше температуры плавления, слой Ме может расплавиться, образуя множество микрокапель, каждая из которых будет центром роста пленки. Концентрация таких центров, видимо, не будет изменяться дальше и рост пленки будет происходить за счет роста микрокапель.

Показано, что по мере роста размера капли-зародыша при неизменной лазерной мощности их температура увеличивается (так как увеличивается их сечение поглощения излучения, а отвод тепла' в подложку определяется длиной тепловой волны в ней, то есть в первом приближении тепловое сопротивление отводу энергии не меняется). Растущая пленка образуется из совокупности выступов и становится шероховатой. Как отмечалось ранее, выступы имеют температуру выше, чем остальная пленка, вследствие перераспределения падаю-

щей на пленку световой энергии по ее поверхности и преимущественному нагреву выступов.

Говоря другими словами, образуются каналы оптической положительной обратной связи; в результате действия этих каналов температура выступов увеличивается с течением времени при неизменной плотности мощности облучения подложки. С учетом (3), коэффициент положительной обратной связи определяется коэффициентом температурного контраста выступов:

К0=1 + К. (4)

Существуют и другие каналы положительной обратной связи, приводящей к избыточному увеличению температуры выступов, например, поглощательная способность растет с температурой, а теплопроводность выступов при этом уменьшается. Указанные причины приводят к усилению температурного контраста на поверхности подложки. При этом процессы пиролиза, роста выступов, роста температуры выступов самоускоряются, становятся неустойчивыми. Температура выступов может достигать температуры плавления или кипения. В последнем случае осажденный металл испаряется, что приводит к замедлению роста пленки или даже его прекращению.

Наличие градиента давления у поверхности и движущихся ударных волн в газе может приводить к выбросу как капель, так и пара расплавленных и кипящих выступов за пределы нагретой лазерным импульсом зоны подложки, что и наблюдается экспериментально в виде ореола из микрогранул вблизи зоны осаждения. Таким образом, выброс материала пленки в парообразной (если интенсивности ударной волны недостаточно для выброса капель) и жидкой форме ограничивает рост пленки. Роль этого эффекта возрастает с увеличением плотности мощности лазерного излучения.

Рассмотренные явления, ограничивающие рост пленки, могут происходить только при условии, когда скорость осаждения материала пленки растет с увеличением ее температуры.

В соответствии с уравнением Аррениуса, скорость химической реакции экспоненциально зависит от температуры, и не все адсорбированные молекулы успевают за время нагрева подложки лазерным импульсом разложиться с образованием атомов Ме. В областях подложки, имеющих большую температуру, разложению подвергнется большая доля адсорбата. Уравнять в средней количество атомов Ме, осаждающихся в разных местах подложки, можно, ограничив скорость подвода реагентов, то есть, уменьшив парциальное давление кар-бонила в газовой атмосфере и сделав это ограничение определяющим скорость образования плетши. При этом температура пленки должна быть настолько высокой, чтобы время полураспада адсорбата' было существенно меньше длительности лазерного импульса. ' ,

Расчет времени полураспада адсорбата, выполненный с использованием значений энергии активации пиролйтического осаждения металла в условиях вакуума, показал, что для полного терморазложения всех молекул монослоя необходима повышенная температура процесса — до 1300 К и более (если энергия

активации терморазложения составляет порядка 1 эВ). При существенно меньших температурах ход терморазложения будет замедлен в атмосферных условиях в сравнении с условиями в вакууме вследствие меньшей скорости отвода продуктов реакции - молекул СО - от поверхности подложки, что приведет к увеличению кажущегося значения энергии активации пиролиза в атмосфере в сравнении с вакуумом. Расчеты показывают, что парциальное давление СО может составлять во время лазерного импульса несколько атмосфер в приповерхностном слое газа толщиной 0,5 мкм.

Можно сделать вывод, что при пиролитическом выращивании металлических пленок на подложках наличие атмосферы, даже инертной, оказывает негативное влияние на ход процесса.

Оценим влияние парциального давления реагента (паров карбонила) в случае осаждения пленок рения. Это влияние зависит от температуры подложки во время лазерного импульса. Экспериментально установлено, что при температуре меньше 1000 К с ростом парциального давления сверх значения, соответствующего образованию монослоя молекул карбонила за время между импульсами, скорость образования осадка увеличивается, но не превышает расчетного значения, соответствующего случаю полного разложения монослоя адсорбированных молекул карбонила рения за один лазерный импульс.

Предполагаемой причиной такого положения вещей может быть увеличение концентрации хемисорбированных молекул карбонила в этом монослое по мере увеличения парциального давления пара карбонила в атмосфере у поверхности подложки. Так как по мере заполнения поверхности хемисорбированны-ми молекулами число активных центров уменьшается, то скорость роста пленки перестает увеличиваться, начиная с некоторой величины парциального давления.

При температуре поверхности подоюжки больше 1300 К отравляющее действие продуктов реакции пиролиза, как следует из термодинамики процесса, уменьшается, при этом растет вероятность терморазложения молекул карбонила в газовой фазе вблизи подложки. Поэтому в данных условиях повышение парциального давления пара карбонила увеличивает как число монослоев адсорбированных на подложке молекул, так и количество образовавшихся атомов металла, то есть увеличивается скорость образования осадка. Однако возникает и отрицательный эффект - образование "ореола" с внешней стороны края пленочного осадка. ■ ;

В третьем разделе подробно представлены методика экспериментальных исследований и анализ результатов.

Для проведения экспериментальных исследований НЛПО была специально разработана и изготовлена лазерная технологическая установка. Установка содержит азотный лазер ЛГИ-505 с длительностью импульса 6 не, частотой следования импульсов до 1000 Гц, длиной волны излучения Х=0,337 мкм; объектив формирует на подложке изображение маски, имеющее форму квадрата со стороной от 2 до 25 мкм; при формировании рисунка подложка перемещается под объективом с помощью столика с аэростатической подвеской и обдувается парогазовой смесью, состоящей из ЭОС и газа-носителя; используется контурно-

703 К

проекционная оптическая схема. Положением столика, а следовательно и подложки, можно управлять с помощью ПК.

За один лазерный импульс на подложке вырастает островок пленки в виде квадрата и толщиной 0,5^-1,0 А. Для получения дорожки подложка перемещается с равномерной скоростью, причем соседние квадраты осадка частично перекрываются со степенью перекрытия . 0,999. Установка позволяет получать рисунки с высокой степенью равномерности толщины осадка, неровностью края рисунка не хуже 0,2 мкм, хорошей адгезией к подложке. Равномерность облучения в пятне обеспечена помещением маски в фокальную плоскость объектива осветителя и - дополнитель-300 500 700 900 К но ~ сканированием лазерным пучком Рисунок 2 - График зависимости ско- по отверстию маски с помощью дефлек-рости осаждения пленок рения от тора.

температуры процесса. Низкое парциальное давление реа-

гента — карбонила металла — позволило предусмотреть его сбор и повторное использование; эффективность использования реагента может достигать 99 %.

При разработке микротехнологии было исследовано нанесение на подложки из стекла, кремния, плавленого кварца, металлизированного хромом стекла, полиимида пленок рения и соединений кремния при разложении паров соответствующих ЭОС. Все соединения имеют порошкообразную консистенцию, обладают давлением насыщенного пара 0,1+10 Па при температурах 310+370 К.

Для получения струи парогазовой смеси, содержащей реагент, поток азота пропускался через ампулу с карбонилом и направлялся локально на облучаемую область подложки. Температуры ампулы и подложки, а также расход буферного газа поддерживались в заданном режиме автоматически блоком регулирования параметров процесса (РПП).

Регулирование соотношения температур ампулы с ЭОС и подложки, а также скорости газа-носителя, позволяет управляемо создавать на поверхности подложки слой адсорбированных молекул ЭОС необходимой толщины, обычно несколько мономолекулярных слоев.

Плотность мощности падающего на подложку излучения была порядка (1-5)х10п Вт/м2 и контролировалась фотоэлектрическим датчиком.

Оптимальные режимы получения покрытий подбирались экспериментально, достигнуты следующие результаты. Пленки рения получались толщиной до 0,7 мкм; движением столика относительно неподвижного лазерного луча полу-

чены дорожки из металлического рения шириной 10 мкм, толщиной до 0,1 мкм при скорости "рисования" примерно 30 мкм/с. Четкость краев линий до 0,1 мкм, неравномерность толщины настолько мала, что не могла быть измерена. График зависимости скорости осаждения пленок рения от температуры процесса приведен на рисунке 2.

Полученные экспериментальные результаты подтверждают, в основном, теоретические положения, а проведенный их анализ показал нижеследующие положительные эффекты разработанной микротехнологии.

Процесс может проводиться при атмосферном давлении, не требует реакционной камеры и по своей природе имеет локальный характер; процесс одностадийный, то есть не требуются какие-либо вспомогательные процедуры, кроме собственно процесса выращивания покрытия. Несмотря на атмосферные условия при нанесении покрытий, покрытия не загрязняются продуктами взаимодействия с атмосферными газами, например, окислами, что сообщает покрытиям особые свойства, важные при использовании метода в приборостроении.

Разрешающая способность метода при выполнении микрорисунков близка к предельной для оптических технологий и может составлять единицы - десятые доли мкм.

Производительность процесса растет как с увеличением частоты следования лазерных импульсов, так и с увеличением их мощности. При использовании в технологии, например, лазера на алюмоиттриевом гранате с частотой до 100 кГц и импульсной мощностью порядка 101 Вт/см2, производительность может быть увеличена на три порядка. Расчет показывает, что НЛПО пленок металлов по производительности в перспективе может быть сопоставим с традиционным вакуумным напылением.

Металлизация производится безреакторным методом, что позволяет проводить технологический процесс с эффективностью использования ЭОС драгоценных и редких металлов до 99%. Такой результат не достижим в других технологиях нанесения покрытий.

По совокупности параметров исследуемая технология находится на одном из первых мест по экономии ресурсов при нанесении покрытий; вред, наносимый окружающей среде, практически исключается, так как не используются ни кислоты, ни щелочи или растворы солей металлов, ни биологически опасные газы-реагенты; нет, практически, и тепловыделений или электромагнитных излучений в окружающую среду.

Четвертый раздел посвящен анализу разработанной физической модели термомеханических процессов, протекающих в системе тонкая пленка/подложка при наносекундном лазерном воздействии, и рассмотрению технологических основ пластически-деформационного формообразования микроструктур на подложках.

Представляет большой интерес изучение эффектов механического воздействия лазерного излучения на мишени с размерами, характерными для микроэлектроники, микрооптики и микромеханики. Известны предложения использовать реактивный импульс отдачи при облучении подложек микросхем мощным лазерным пучком для очистки их поверхностей от посторонних частиц.

>) у> у/ у> # # # # У <0 '' / > 1 ^ у * 1 > ц> у/ ¡» у,

' р 1» у/ ?> ц> у> у/ у/ р у/ у> у

//////ЖЖХЖЖХ ' * * * * * * * 1

Длительность лазерного импульса выбирается такой, чтобы испарялась лишь часть удаляемой частицы.

На основе этого подхода были предложены принципы лазерного монтажа микродеталей на примере использования реактивного импульса отдачи для перемещения золотых площадок размером 1x5x5 мкм. Площадки размещались на прозрачной подложке-доноре через композитную прослойку, испарение материала которой и приводило к возникновению избыточного давления газа и отстрелу площадки на рабочую подложку.

При проведении процесса по указанной схеме переносимая деталь может нагреваться лазерным лучом или горячими парами прослойки до высоких температур, что приводит к повреждению детали. Поэтому необходимо выполнять прослойку состоящей из двух слоев различных материалов: первый по ходу луча слой поглощает лазерное излучение и испаряется (взрывается), второй обладает малой температуропроводностью и, желательно, высокой летучестью паров.

Рассматривался также вариант, когда многослойная структура нанесена по всей поверхности прозрачной подложки, а лазерное воздействие имеет локальный характер, как показано на рисунке 3.

Луч проходит сквозь подложку 1 и попадает на прилегающий к подложке поглощающий излучение слой 2 структуры (рисунок 3,а). При плотности мощности лазерного излучения 107-Н0 Вт/см2 слой 2 и, частично или полностью, слой 3 испаряются. Пары оказываются в замкнутом пространстве; давление пара способно создать импульсное взрывное воздействие на металлическую пленку 4, деформируя ее, как показано на рисунке 3,6, или даже разрывая. Слой 3 может служить при этом тепловым демпфером, предотвращающим испарение пленки 4.

Так как избыточное давление газа действует с равной силой на всю внутреннюю поверхность золотой пленки, последняя в результате пластической деформации будет стремиться приобрести сферическую форму. Величину давления пара Р, необходимую для формирования из тонкой пленки толщиной с1 тонкостенного сферического купола, можно вычислить по формуле:

Рисунок 3 - Схема ме-ханофизического воздействия наносекунд-ного лазерного излучения на многослойную структуру.

2

Я ~

(5)

где о - механическое напряжение в стенке купола, Я - его радиус.

Эксперименты проводились на лазерной установке, описанной ранее в разделе 3. Использовались стеклянные подложки; материалом формуемой пленки было золото, толщина пленки 1 мкм. Промежуточные слои выбирались

из сравнительно легко испаряющихся материалов, имеющих малую температуропроводность, - титана и никеля (при общей толщине 0,3 мкм) или хрома и полиметилметакрилата (0,07 мкм + 0,5 мкм). Процесс является безреакторньш и проводится в условиях открытой атмосферы.

Экспериментально были получены как одиночные выступы-купола высотой до 1 мкм и диаметром основания около 10 мкм, так и прямолинейные, непрерывные герметичные полости-микроканалы (при заданном маршруте перемещения столика с подложкой).

При этом со стороны золотой пленки появляются прямолинейные выступы, отформованные в виде валиков.

В целом полученные результаты согласуются с теорией и позволяют создать контролируемый процесс.

Таким образом, использование пластического течения металла при ударном воздействии лазерного луча позволяет применить этот эффект для формирования объемных конструкций микромеханики в тонких пленках с целью создания устройств типа микрохолодильников, миниатюрных газовых и жидкостных хроматографов, микролинзовой матричной оптики.

В пятом разделе изложены физико-химическая модель и технологические принципы использования локального твердотельного термохимического травления поверхностей тугоплавких и химически стойких материалов. Описаны современные методы профильной обработки тугоплавких и химически стойких материалов, в том числе промышленный способ термохимической обработки алмаза, основанный на широко известном эффекте растворения углерода в переходных металлах (железо, никель и т.п.). Обладая рядом достоинств, этот метод имеет и существенные недостатки, на преодоление которых и были направлены исследования..

Представлены теоретические модельные расчеты физико-химических процессов взаимодействия тугоплавких материалов с металлическими пленками, нанесенными на их поверхность.

Для лучшего понимания модели высокотемпературного взаимодействия тугоплавких материалов с металлическими пленками, нанесенными на их поверхность, был исследован термохимический процесс обработки алмаза, в котором применено термическое воздействие на алмаз в сочетании с локальным НЛПО тонкой пленки переходного металла, являющегося катализатором травления алмаза, или нанесения пленок других веществ, химически реагирующих с алмазом при температурах выше 1000 К.

На примере обработки алмаза рассмотрим механизм травления и оценим достижимую скорость травления для случая, когда необходимой стадией механизма травления поверхности алмаза является диффузия атомов углерода в пленку металла или другого вещества, образовавшуюся на поверхности в лазерном пиролитическом процессе. Будем считать, что эта стадия и ограничивает максимальное значение скорости травления; влиянием быстроты протекания остальных стадий процесса - нанесения пленки, лазерного удаления пленки -пренебрегаем.

Для одномерного случая диффузии с поверхности постоянной концентрации внутрь полубесконечного тела справедливо выражение для количества £> вещества, поступившего в твердое тело за время t через единицу поверхности:

где N0 - объемная концентрация диффундирующего вещества на поверхности; ¿3 - коэффициент диффузии.

Коэффициент диффузии О зависит от температуры Г проведения процесса в соответствии с уравнением Аррениуса:

где Ле - энергия активации; £>0 - кажущаяся величина коэффициента диффузии £> при бесконечно большой температуре ("предэкспоненциальный множитель").

Выражение (6) не выполняется точно в нашем случае, так как велика концентрация Щ диффундирующего вещества, однако для качественной оценки им' можно воспользоваться.

Количество алмаза, содержащегося в участке слоя толщиной с/ и единичной поверхностью, равно Q=Nod.

Учитывая (6), запишем:

В этом выражении под ? следует понимать длительность температурного импульса на поверхности алмаза, индуцированного лазерным импульсом; тогда с1 - толщина слоя алмаза, продиффундировавшего в пленку за период облучения.

Времена температурного и лазерного импульсов не равны вследствие тепловой инерционности облучаемой поверхности. Для оценок возьмем /=5/0, где ?0 -длительность лазерного импульса.

Расчет показал достижимость средней скорости травления алмаза в НЛПО процессе до 2 мкм/с при осаждении железа, до 0,14 мкм/с при осаждении кремния, до 1 мкм/с при осаждении рения. При этом необходимы температуры подложки в диапазоне 1000+2000 К.

Для способа травления с использованием нанесенных заранее пленок переходных металлов, облучаемых в окислительно-восстановительной среде, расчет также основан на оценке скорости диффузии углерода сквозь пленку металла, и расчетной формулой является выражение (8). Расчет дает подобные приведенным выше результаты.

Таким образом, описанный выше метод обеспечивает достижение приемлемой на практике производительности процесса.

д=2

(6)

(7):

(8)

Далее описана методика экспериментальных исследований локального твердофазного термохимического травления поверхностей тугоплавких и химически стойких материалов и проведен анализ полученных при этом результаты.

Для травления алмаза предлагается использовать элементоорганические соединения железа, никеля, рения, других переходных металлов (например, карбонилы Же(СО)5, М(СО)4, йе2(СО) 10). Железо и никель могут и растворять углерод, и химически с ним взаимодействовать с образованием карбидов. Можно применять также элементоорганические соединения и неметаллов: положительные результаты получены с соединением кремния (ООДБШ.

В экспериментах использовалась лабораторная установка, описанная в разделе 3, которая позволяет с визуальным контролем под микроскопом сфокусировать на поверхность монокристалла алмаза пучок излучения азотного лазера (длина волны 0,337 мкм) с длительностью лазерного импульса 6 не. Сфокусированное пятно имеет форму квадрата со стороной 10-^20 мкм. К пятну подавался реагент в виде парогазовой струи (пары трифенилсилана в азоте).

Алмаз находился при температуре, близкой к комнатной. Плотность мощности в лазерном пятне достигала 5-107 Вт/см2. На поверхности алмаза высаживалась пленка, как предполагается, кремния или карбида кремния (ее коричневый цвет соответствует цвету этих веществ в тонких слоях). При повышении лазерной мощности пленка испарялась, оставляя после себя углубление в алмазе. Скорость травления алмаза была равна 1 мкм/мин и при оптимизации процесса, несомненно, может быть увеличена. Основные этапы данного эксперимента отражены на рисунке 4.

Предлагаемый способ может найти промышленное применение как способ гравирования рисунков на поверхности твердых химически стойких материалов, в частности, алмаза; при профилировании алмазных или полученных из тугоплавких и химически стойких материалов пленок и подложек (получение микрорельефов в микроэлектронном производстве).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации разработаны и исследованы основы наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлектронных структур в условиях открытой атмосферы и получены следующие основные результаты:

1. Проведен теоретический анализ физико-технических основ наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлектронных структур в пиролитическом процессе на поверхности подложки, в условиях открытой атмосферы, в том числе в защитном слое инертного газа. Впервые выявлен ряд

Рисунок 4 — Схема процесса твердофазного травления монокристалла алмаза.

особенностей пиролитического формирования структур микроприборов (зависимость механизма пиролиза от температуры подложки, возможность возникновения ударной волны в газе при пиролизе, влияние оптических обратных связей, возникающих при выращивании пленок, на структуру пленок, связь механизмов самоограничения роста пленок с наличием атмосферы, и др.).

2. Разработана теоретическая физическая модель наносекундного лазер-но-пиролитического осаждения (НЛПО) пленок металлов на подложки, позволяющая оценочно рассчитывать основные параметры технологических процессов и осаждаемых структур: лазерной мощности, состава газовой среды, температуры в лазерном пятне и т.п., а также расчет производительности осаждения пленок, разрешающей способности воспроизведения лазерографических рисунков.

3. Разработаны физико-технические и технологические основы лазерогра-фической микротехнологии нанесения пленок из редких и драгоценных металлов на различные подложки, в том числе полимерные, в условиях открытой атмосферы (без использования реакционной камеры), а также в слое инертного газа, обладающей эффективностью использования исходных реагентов на уровне 99 %;

4. Создана теоретическая модель термомеханических процессов, протекающих в системе тонкая пленка/подложка при наносекундном лазерном воздействии и разработаны технологические основы пластически-деформационного формообразования микроструктур на подложках, позволяющие создавать функциональные элементы изделий микромеханики и растровой микрооптики. В том числе:

- впервые исследованы термомеханические эффекты, инициированные поглощением лазерного наносекундного излучения в глубине многослойной тонкопленочной структуры на подложке;

- впервые использован механо-формующий эффект лазерного облучения для одностадийного образования тонкопленочных выпуклых герметичных куполов на подложках и герметичных микроканалов в области между пленкой и подложкой.

5. Разработаны теоретическая модель и технологические принципы использования локального твердофазного термохимического травления поверхностей тугоплавких и химически стойких материалов, таких как алмаз или сапфир, обеспечивающие возможность их размерной обработки и микропрофилирования при изготовлении различных инструментов, а также для целей микроэлектроники.

6. Создана исследовательская установка наносекундной лазерографиче-ской микротехнологии формирования оптоэлектронных структур в условиях открытой атмосферы, позволяющая проводить отработку технологических режимов воздействия лазерного излучения на различные материалы в системе "атмосфера-пленка-подложка".

Разработан ряд основных узлов установки залечивания (ретуши) дефектов тонкопленочных рисунков на основе микротехнологии НЛПО. Изготовлена и передана в эксплуатацию малая серия установок ретуши.

7. Проведенные исследования и полученные результаты позволили создать теоретические и технологические предпосылки получения на более эффективной основе элементов опто- и микроэлектронных приборов и устройств.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Черков Г.А. Лазерное манипулирование деталями микромеханических устройств // Междунар. конф. "Авангард, технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация пр. оптико-электрон. приборов в машиностроении", (10-11 окт. 1995г., Россия, Новосибирск): Тез. докл., Ч.1.- Новосибирск: CITA, 1995.- с.76-78.

2. Чесноков В.В., Чесноков Д.В. Манипулирование и монтаж микродеталей лазерным пучком // Междунар. конф. "Прикладная оптика-96" (17-20 сент. 1996г., Россия, Санкт-Петербург): Тез. докл.- СПб.: ГОИ, 1996.- с.267.

3. Чесноков Д.В. Экспериментальное исследование лазерного мани; нулирования микродеталями // XLVI научно-техническая конференция

преподавателей СГТА, посвященная 30-летию оптического факультета (Института оптики и оптических технологий) (15-18 апреля 1996г., Новосибирск): Тез. докл., Ч.1.- Новосибирск: СГГА, 1996,- с.80-81.

4. Чесноков В.В., Чесноков Д.В. Лазерное наносекундное наплавление тонких пленок // XLVI научно-техническая конференция преподавателей СГГА, посвященная 30-летию оптического факультета (Института оптики и оптических технологий) (15-18 апреля 1996г., Новосибирск): Тез. докл., Ч.1.-Новосибирск: СГГА, 1996.-с.82.

5. Чесноков В.В., Чесноков Д.В. Моделирование процессов, происходящих в газовой фазе при наносекундном воздействии лазерного луча на подложку // Третий сибирский конгресс по прикладной и индустриальной математике, посвященный памяти С.Л.Соболева (1908-1989) (Россия, Новосибирск, 23-25 июня 1998г.): Тез. докл., 4.III.- Новосибирск: ИМ РАН, 1998.-с.124.

6. Чесноков В.В., Чесноков Д.В. Разработка основ лазерографических ресурсосберегающих технологий // «Восток-Сибирь-Запад». Всероссийский экономический форум. «Сибирь: Экспорт-Импорт». Международная промышленная выставка. (26-29.ноября 1999г., Россия, г.Новосибирск): Тез. докл.-Новосибирск: СГТА, 1999.-с.60.

7. Исследование процессов лазерно-пиролитического формирования на подложках пленочных структур: Отчет о НИР (промежуг.) / CITA; Руководитель Чесноков В.В., ответственный исполнитель Чесноков Д.В.- ГР 0193.0005781; Инв. № 0294.0000838.- Новосибирск, 1993.- 26с.

8. Ресурсосберегающая технология лазерного нанесения защитных, проводящих и декоративных покрытий из драгоценных и редких металлов с эффективностью использования расходных материалов 99%: Отчет о НИР

, (промежут.) / CITA; Руководитель Чесноков В.В., ответственный исполнитель Чесноков Д.В.- IT 0196.0005781; Инв. № 0596.0000838.- Новосибирск, 1995.- 19с.

9. Исследование процессов лазерно-пиролитического формирования на подложках пленочных структур: Отчет о НИР (промежут.)/ СГГА; Руководитель Чесноков В.В., ответственный исполнитель Чесноков Д.В.- ГР 0193.0005781; Инв. № 0297.0002756,- Новосибирск, 1995,- 27с.

10. Ресурсосберегающая технология лазерного нанесения защитных, проводящих и декоративных покрытий из драгоценных и редких металлов с эффективностью использования расходных материалов 99%: Отчет о НИР (заключ.) / СГГА; Руководитель Чесноков В.В., ответственный исполнитель Чесноков Д.В.- ГР 0196.0005781; Инв. № 0297.0003280,- Новосибирск, 1996.- 63с.

11. Заявка №94025301, Россия. Устройство сканирования сфокусированным световым лучом./ Чесноков В.В., Чесноков Д.В.- Приоритет от 21.07.94.

12. Заявка №2000102840, Россия. Способ профилирования тугоплавких и химически стойких материалов. / Чесноков Д.В.- Приоритет от 14.02.2000.

13. Чесноков Д.В. Пластическое течение металла при ударном воздействии лазерного луча и формование объемных конструкций микромеханики в тонких пленках // Вестник СГГА,- 2000,- Вып. 5,- С.117-122.

Изд. лиц. № ЛР 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 26.05.2000. Формат 60x84 1/16 Печать цифровая Усл. печ. л. 1,51. Уч.-изд.л. 1,62. Тираж 100 Заказ S3.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 8.

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 термодесорбция.

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 в газе.

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 (1111С).

1.3.6.1. Периодический рельеф на поверхности.

1.3.6.2. Поглощательная способность резонансных 1111С.

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.

5.3. Методика экспериментальных исследований локального твердофазного термохимического травления поверхностей тугоплавких и химически стойких материалов и полученные результаты.

Актуальность темы

В мире достигнуты большие успехи в области создания устройств различного назначения, отличающихся как миниатюрными размерами, так и большим набором функций, высокой производительностью, малыми энерго- и ресурсопотреблением. Особенно это относится к микроэлектронике, которая, благодаря унификации технологических процессов и функциональной универсализации компонентов микросхем, превратилась в ведущую отрасль промышленности развитых стран и позволила совершить глубокий прорыв в сфере анализа, обработки и передачи больших информационных потоков. В меньшей степени указанные тенденции коснулись оптики и оптоэлектроники, а для микромеханики эти тенденции пока находится в стадии становления.

К основным технологическим процессам, обеспечивающим формообразование микроструктур в условиях массового производства, относятся различные типы напыления, осаждения и эпитаксиального выращивания тонких пленок, химическое/плазменное травление и фотолитография, которые для достижения конкретного результата многократно повторяются, дополняясь множеством вспомогательных процессов. В целом такое производство отличается высокими энергоресурсопотреблением, трудоемкостью и затратами на природоохранные мероприятия, необходимостью поддержания в производственных помещениях особых чистоты и климатического режима и, как следствие, высокой себестоимостью продукции.

Параллельно с развитием интегральных методов массового производства для целей микроэлектронной промышленности в последние десятилетия появились и находят все большее применение способы локального и одностадийного нанесения на различные подложки слоев металлов, диэлектриков и полупроводников. Самым перспективным в этой области является применение инициируемых лазерным излучением процессов выращивания пленочного рисунка в результате локализованных в фокальном пятне фотолитических, пиролитиче-ских и иных радиационно-стимулированных реакций разложения элементоор-ганических соединений (ЭОС). Множество подобных технологических приемов объединяются единым термином "лазерография". Сюда же можно отнести и способы локального удаления или модификации (например, окисления) сплошных пленок.

До последнего времени основой успешного применения технологий лазе-рографии было использование излучения непрерывного лазера, что имеет, однако, существенные недостатки:

- при пиролизе, вследствие высокой плотности мощности излучения в фокальном пятне на подложке, происходит нефункциональный перегрев областей поверхности, непосредственно прилегающих к облучаемой зоне, и возникновение неконтролируемых пиролитических процессов, ведущих к искажению края топологического рисунка;

- температура реакционной зоны на подложке является достаточной для пиролиза ЭОС, но слишком мала для эффективной десорбции атомов кислорода и углерода, загрязняющих растущую пленку. Поэтому процесс осаждения проводят в условиях пониженного давления в специальных камерах, что позволяет контролировать чистоту поверхности роста;

- использование реакционной камеры с комплексом средств получения и контроля высокого вакуума приводит не только к малоэффективному расходованию дорогостоящих реагентов, но и в целом повышает себестоимость технологического процесса.

От перечисленных выше недостатков во многом свободен пиролитический процесс, возбуждаемый излучением импульсного лазера. Особенностью импульсной ВЧ лазерной технологии является локализация энергии лазерного излучения на поверхности обрабатываемой подложки в течение времени порядка наносекунд, в результате реакционная зона самоизолируется от окружающей среды, в зоне создаются управляемые условия для локального проведения сверхвысокотемпературных поверхностных и твердофазных химических реакций. При сканировании луча зона может безынерционно перемещаться по обрабатываемой поверхности. Условия в зоне характеризуются максимальными температурами до 3000-^5000 К, действующими в течение 10"8-Ч0"7 с, тогда как остальной объем, кроме поверхностного слоя подложки толщиной около 1 мкм, остается холодным. Указанные условия благоприятны также для физико-химических воздействий на тугоплавкие и сверхтвердые материалы типа алмаза.

Цель работы

Выявить и исследовать закономерности инициированных воздействием лазерного наносекундного излучения термохимических, в том числе пиролитиче-ских, процессов формообразования функциональных микроструктур на поверхностях подложек, предложить методы управления этими процессами при их использовании в микротехнологии. Реализация цели достигается путем решения следующих задач:

1. Проведением теоретического анализа процессов пиролитического осаждения пленок на подложки при указанном лазерном облучении с выявлением теплофизических и оптических факторов самоорганизации процесса осаждения.

2. Разработкой основных положений теории термомеханических процессов, протекающих в системе "атмосфера-пленка-подложка" при локальном воздействии наносекундного лазерного излучения.

3. Разработкой исследовательской установки лазерографического выращивания пленок и проведением экспериментальных исследований процессов нанесения пленочных металлических рисунков.

4. Разработкой основ безреакторной технологии формирования на подложках тонкопленочных рисунков из тугоплавких металлов, базирующейся на использовании высокочастотного наносекундного лазерно-пиролитического осаждения (НЛПО) в условиях открытой атмосферы.

5. Разработкой технологических принципов использования термомеханических эффектов, возникающих под воздействием лазерного пучка, для кинетического и деформационного формообразования объемных микроструктур на подложках.

6. Исследованием физико-химических процессов твердотельного формообразующего травления поверхностей тугоплавких материалов.

Научная новизна диссертационной работы

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке и исследовании наносекундной лазерной микротехнологии формирования опто-электронных структур в условиях открытой атмосферы. При этом впервые:

1. Проведены теоретический анализ и экспериментальные исследования микротехнологии формирования структур наносекундным ла-зерно-пиролитическим осаждением (НЛПО) пленок в условиях открытой атмосферы, что позволило выявить ряд особенностей процесса, в том числе:

- показана применимость термодинамического подхода при анализе пи-ролитических процессов наносекундной длительности и выявлены условия прохождения пиролиза либо только в адсорбированном слое на подложке, либо также и в газовой фазе;

- исследованы процессы самоорганизации образования шероховатых рельефов при наносекундных лазерных воздействиях и их влияние на пиролитический рост пленок, выявлена роль оптических факторов при формировании морфологии растущих пленок;

- показано, что во время действия лазерного импульса в атмосфере у поверхности подложки возникает ударная волна;

- показаны возможные причины, приводящие к появлению изолированных микрочастиц в газовой фазе и на поверхности подложки в ходе пи-ролитического выращивания пленочных рисунков;

- выявлены причины наступающего в определенных условиях пиролити-ческого осаждения самоограничения роста пленочных осадков.

2. Разработана теоретическая модель процессов НЛПО тонких пленок, позволяющая производить оценочный расчет параметров, обеспечивающих заданные технологические характеристики, в том числе разрешение, производительность и т.п.

3. Создана исследовательская лазерографическая установка микротехнологии формирования оптоэлектронных структур, обеспечивающая проведение и исследование высокочастотного НЛПО пленочных рисунков в условиях открытой атмосферы и приповерхностной инертной среды.

4. Для разработанной микротехнологии предложены методы, обеспечивающие поглощение энергии лазерного импульсного излучения не на поверхности, а в глубине многослойной структуры на подложке, и теоретически и экспериментально исследованы возникающие при этом термомеханические эффекты. Обнаружено пластическое течение и деформация металлических слоев при указанных условиях, предложены области применения механоформую-щего эффекта.

5. Предложены и исследованы принципы лазерного механического передвижения (переноса) микродеталей, что позволило разработать методику кинетического формообразования объемных микроструктур на подложках.

6. Предложены и исследованы принципы локального твердофазного термохимического травления поверхностей тугоплавких и химически стойких материалов, таких как алмаз или сапфир, с возможностью их размерной обработки и микропрофилирования при изготовлении различных инструментов, в том числе и для целей микроэлектроники.

Практическая значимость работы

Полученные в ходе исследований результаты позволили разработать:

1. Исследовательскую установку наносекундной лазерографической микротехнологии формирования оптоэлектронных структур, которая обеспечивает проведение и отработку технологических режимов получения элементов микроприборов в условиях открытой атмосферы и приповерхностной инертной среды.

2. Лазерографическую микротехнологию нанесения пленок из редких и драгоценных металлов на различные подложки в условиях открытой атмосферы (без использования реакционной камеры), обладающую эффективностью использования исходных реагентов на уровне 99 %.

3. Методы пластически-деформационного формообразования микроструктур на подложках в результате протекающих при наносекундном лазерном воздействии термомеханических процессов.

4. Лабораторные способы наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлектронных структур локальным твердотельным термохимическим травлением поверхностей тугоплавких и химически стойких материалов.

Результаты научных исследований были использованы:

- при выполнении госбюджетных НИОКР "Исследование процессов ла-зерно-пиролитического формирования на подложках пленочных структур" (№ госрегистрации 0193.0005781) и "Ресурсосберегающая технология лазерного нанесения защитных, проводящих и декоративных покрытий из драгоценных и редких металлов с эффективностью использования расходных материалов 99%" (№ госрегистрации 0196.0005781);

- при разработке и изготовлении малой серии установок лазерной ретуши дефектов (проколов) пленочных рисунков, которые были внедрены на предприятии "ПО Новосибирский приборостроительный завод".

Основные положения. выносимые на защиту

1. Теоретический анализ физико-технических основ наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлектронных структур на поверхно

10 сти подложки в условиях открытой атмосферы, в том числе и в защитном слое инертного газа.

2. Теоретическая физическая модель наносекундного лазерно-пиролитического осаждения (НЛПО) пленок металлов на подложки, позволяющая оценочно рассчитывать основные параметры технологических процессов и осаждаемых структур.

3. Физико-технические и технологические основы лазерографической микротехнологии нанесения пленок из редких и драгоценных металлов на различные подложки в условиях открытой атмосферы (без использования реакционной камеры), а также в слое инертного газа, обладающей эффективностью использования исходных реагентов на уровне 99 %.

4. Теоретическая модель термомеханических процессов, протекающих в системе тонкая пленка/подложка при наносекундном лазерном воздействии и технологические основы пластически-деформационного формообразования микроструктур на подложках, позволяющие создавать функциональные элементы изделий микромеханики и растровой микрооптики.

5. Теоретическая модель и технологические принципы использования локального твердофазного термохимического травления поверхностей тугоплавких и химически стойких материалов, таких как алмаз или сапфир, обеспечивающие возможность их размерной обработки и микропрофилирования при изготовлении различных инструментов, в том числе и для целей микроэлектроники.

6. Для наносекундной лазерной микротехнологии формирования опто-электронных структур в условиях открытой атмосферы разработана исследовательская лазерографическая установка, позволяющая проводить отработку технологических режимов воздействия лазерного излучения на различные материалы в системе "атмосфера-пленка-подложка".

Заключение

В диссертации разработаны и исследованы основы наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлектронных структур в условиях открытой атмосферы и получены следующие основные результаты:

1. Проведен теоретический анализ физико-технических основ наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлектронных структур в пиролитическом процессе на поверхности подложки, в условиях открытой атмосферы, в том числе в защитном слое инертного газа. Впервые выявлен ряд особенностей пиролитического формирования структур микроприборов (зависимость механизма пиролиза от температуры подложки, возможность возникновения ударной волны в газе при пиролизе, влияние оптических обратных связей, возникающих при выращивании пленок, на структуру пленок, связь механизмов самоограничения роста пленок с наличием атмосферы, и др.).

2. Разработана теоретическая физическая модель наносекундного лазер-но-пиролитического осаждения (НЛПО) пленок металлов на подложки, позволяющая оценочно рассчитывать основные параметры технологических процессов и осаждаемых структур: лазерной мощности, состава газовой среды, температуры в лазерном пятне и т.п., а также расчет производительности осаждения пленок, разрешающей способности воспроизведения лазерографических рисунков.

3. Разработаны физико-технические и технологические основы лазерогра-фической микротехнологии нанесения пленок из редких и драгоценных металлов на различные подложки, в том числе полимерные, в условиях открытой атмосферы (без использования реакционной камеры), а также в слое инертного газа, обладающей эффективностью использования исходных реагентов на уровне 99 %;

4. Создана теоретическая модель термомеханических процессов, протекающих в системе тонкая пленка/подложка при наносекундном лазерном воздействии и разработаны технологические основы пластически-деформационного формообразования микроструктур на подложках, позволяющие создавать функциональные элементы изделий микромеханики и растровой микрооптики. В том числе:

- впервые исследованы термомеханические эффекты, инициированные поглощением лазерного наносекундного излучения в глубине многослойной тонкопленочной структуры на подложке;

- впервые использован механо-формующий эффект лазерного облучения для одностадийного образования тонкопленочных выпуклых герметичных куполов на подложках и герметичных микроканалов в области между пленкой и подложкой.

5. Разработаны теоретическая модель и технологические принципы использования локального твердофазного термохимического травления поверхностей тугоплавких и химически стойких материалов, таких как алмаз или сапфир, обеспечивающие возможность их размерной обработки и микропрофили

152 рования при изготовлении различных инструментов, а также для целей микроэлектроники.

6. Создана исследовательская установка наносекундной лазерографиче-ской микротехнологии формирования оптоэлектронных структур в условиях открытой атмосферы, позволяющая проводить отработку технологических режимов воздействия лазерного излучения на различные материалы в системе "атмосфера-пленка-подложка".

Разработан ряд основных узлов установки залечивания (ретуши) дефектов тонкопленочных рисунков на основе микротехнологии НЛПО. Изготовлена и передана в эксплуатацию малая серия установок ретуши.

7. Проведенные исследования и полученные результаты позволили создать теоретические и технологические предпосылки получения на более эффективной основе элементов опто- и микроэлектронных приборов и устройств.

1. Прохоров A.M., Конов В.И., Урсу И., Михэнлеску И.Н. Взаимодействие лазерного излучения с металлами.-М.: Наука, 1988.

2. Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов.- Л.: Машиностроение, 1986.

3. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы.- М.: Наука, 1970.

4. Воздействие лазерного излучения на материалы / Р.В. Арутюнян, В.Ю. Баранов, Л.А. Болыпов и др.- М.: Наука, 1989.

5. Лазнева Э.Ф. Лазерная десорбция.- Л.: Издательство Ленинградского университета, 1990.

6. Найт Ч.Дж. Теоретическое моделирование быстрого поверхностного испарения при наличии противодавления // Ракетная техника и космонавтика.-1979,- Т.17, №5.- С.81-86.

7. Вейко В.П., Кайданов А.И., Яковлев Е.Б. Двухфазная модель разрушения поглощающих пленок мощными световыми импульсами // Квантовая электрон.-1980.-Т.7, №1.-С.34-41.

8. Вейко В.П., Яковлев Е.Б. О некоторых особенностях разрушения тонких пленок под действием лазерного излучения // Физика и химия обраб. материалов.- 1979.- №2.- С.33-36.

9. Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов.- М.: Наука, 1974.

10. Уэйл Дж., Пирри А., Рут Ф. Формирование плазмы при воздействии лазерного излучения на алюминиевую поверхность // Ракетная техника и космонавтика." 1981.- Т. 19, №6.- С.53-66.

11. Garrido С., van den Berg H. Temperature Effect on Photolitic Deposition of Platinum Ohmic Contacts and Schottky Diodes // Appl. Phys. A.- 1991.- V.53.-P.265-272.

12. Inoue K., Michimori M., Okuyama M., Hamakawa Y. Low Temperature Growth of Si02 Thin Film by Double-Excitation Photo-CVD // Jap. J. Appl. Phys.- 1987.- V.26, №6.- P.805-811.

13. Gupta A., West G.A., Beeson K.W. Excimer laser-induced chemical vapor deposition of titanium silicide // J. Appl. Phys.- 1985.- V.58, №9.- P.3573-3582.

14. Whitehead J.C., Mitlitsky F., Ashkenas D.J., Bernhardt A.F., Farmwald S.E., Kaschmitter J.L., Mc Williams B.C. Laser Fabrication of Interconnect Structures on CMOS Gate Arrays // SPIE Proc.- 1986.- V.621.- P.62-70.

15. Irvine S.J.C., Giess J., Mullin J.B., Blackmore G.W., Dosser O.D. Photo-metal organic vapor phase epitaxy: A low temperature method for the growth of CdjHgi.jtTe // J. Vac. Sci. Technol. В.- 1985.- V.3, №5.- P. 1450-1455.

16. Nonaka H., Arai K., Fujino Y., Ichimura S. Photochemical vapor deposition of amorphous silica films using disilane and perflurosilanes: Defect structures and deposition mechanism // J. Appl. Phys.- 1988.- V.64, №8.- P:4168-4174.

17. High J. Mechanism of metallo-organic vapor phase epitaxy and routes to a ultraviolet-assisted process //J. Vac. Sci. Technol. В.- 1985.- V.3, №5.- P. 14561459.

18. Tabuchi Т., Yamagishi K., Tarui Y. Low-Temperature Growth of Transparent and Conducting Tin Oxide Film by Photo-Chemical Vapor Deposition // Jap. J. Appl. Phys.- 1987.- V.26, №3.- P.L186-L189.

19. Gross M.E., Appelbaum A., Gallagher P.K. Laser direct-write metallization in thin palladium acetate films // J. Appl. Phys.- 1987.- V.61, №4.- P. 1628-1632.

20. Armstrong J.V., Burk A.A. Jr., Coey J.M.D., Moorjani K. Wavelength control of iron/ nickel composition in laser induced chemical vapor deposited films // Appl. Phys. Lett.- 1987.-V.50, №18.-P. 1231-1233.

21. Higashi G.S., Rothberg L.J. Surface photochemical phenomena in laser chemical vapor deposition // J. Vac. Sci. Technol. В.- 1985.- V.3, №5.- P.1460-1463.

22. Ushida Т., Higashiyama K., Hirabayashi I., Tanaka S. Excimer Laser-Assisted Chemical Vapor Deposition of Metal-Oxide Thin Film from /J-Diketone Complexes // Jap. J. Appl. Phys.- 1991.- V.30, №1A.- P.L35-L38.

23. Blonder G.E., Higashi G.S„ Fleming C.G. Laser projection patterned aluminum metallization for integrated circuit applications // Appl. Phys. Lett.- 1987.- V.50, №12.- P.766-768.

24. Чесноков B.B., Земсков C.B., Игуменов И.Г. Лазерно-химическое осаждение пленок металлов // 5 отрасл. научно-техн. конф. "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем": Тез. докл.-Нальчик, 1983.

25. Патент РФ 1331369, МКИ Н 01 L 21/312, G 03 F 1/00. Способ локального нанесения покрытия на подложку / В.В. Чесноков, С.В. Земсков, И.К. Игуменов (СССР).- . №3936434; Заяв. 6.06.85; Опубл. 15.08.87, Бюл. №30.- С.260.

26. Чесноков В.В., Резникова Е.Ф. Прямое осаждение на подложку металлических пленочных рисунков с использованием азотного лазера // Междунар. конф. "Laser Optics 93" (21-25 июня 1993г., Россия, г.Санкт-Петербург): Тез. докл.-СПб.: ГОИ, 1993.-С.539.

27. Morishige Y., Kishida S. Thick gold-film deposition by high-repetition visible pulsed-laser chemical vapor deposition // Appl. Phys. A.- 1994.- V.59.- P.395-399.

28. Allen S.D., Trigubo A.B., Liu Y.-C. Laser chemical vapor deposition using continuous wave and pulsed lasers // Opt. Engineering.- 1984.- V.23, №4.- P.470-474.

29. Gilgen H.H., Cacouris Т., Shaw P.S., Krchnavek R.R., Osgood R.M. Direct Writing of Metal Conductors with Near-UV Light // Appl. Phys. В.- 1987.-V.42.- P.55-66.

30. Reznikova E.F., Chesnokov V.V., Zharcova G.I., Igumenov I.K. Direct deposition of metal film patterns using nitrogen laser // J. de Physique IV.- 1995.- C5.-C5-687-694.

31. Reznikova E.F., Chesnokov V.V., Zharcova G.I., Igumenov I.K., Makarov O.A., Naz'mov V.P. The investigation of the contrast of X-ray masks repaired by laser-induced CVD // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A.- 1995.- V.359.-P.400-403.

32. Реди Дж. Действие мощного лазерного излучения.- М.: Мир, 1974.

33. Де Бур Я. Динамический характер адсорбции.- М:, 1962.

34. Турн Р.Э. Структура тонких пленок. В сб. "Физика тонких пленок", т.1.-М.: Мир, 1967.

35. Борн М., Вольф Э. Основы оптики.- М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1970.

36. Коротеев Н.И., Шумай И.Л. Физика мощного лазерного излучения.- М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991.

37. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.- М.: Энергия, 1973.

38. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники.- М.: Мир,. 1964.

39. Сыркин В.Г. Карбонилы металлов.- М.: Химия, 1983.

40. Дэниэльс Ф., Альберти Р. Физическая химия,- М.: Высшая школа, 1967.

41. Разуваев Г.А., Грибов Б.Г., Домрачев Г.А., Саламатин Б.А. Металлоорга-нические соединения в электронике.- М.: Наука, 1972.

42. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике.- М.: Наука, 1981.

43. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред.- М.: Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1953.

44. Чесноков В.В. Лазерная очистка поверхностей от посторонних частиц.// Изв. вузов. Сер. "Приборостроение".- 1993.- N3.-C81-83.

45. Физические величины. Справочник 7 Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова.-М.: Энергоатомиздат, 1991.

46. Взаимодействие алмаза с переходными металлами: Сб. науч. тр./ АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т геологии и геофизики; Редкол.: чл.-корр. АН СССР Н.В.Соболев (отв. ред) й др..- Новосибирск, 1989.- 73 с.

47. Заявка №2000102840, Россия. Способ профилирования тугоплавких и химически стойких материалов. / Чесноков Д.В.- Приоритет от 14.02.2000.

48. Краткая химическая энциклопедия.- М.: Советская энциклопедия, 1967.

49. Лямшев A.M. Лазерное термооптическое возбуждение звука.- М.: Наука, 1989.

50. Пат. 1217185 России, МКИ Н 01 L 21/268. Способ очистки поверхности полупроводниковых структур / В.В.Чесноков (СССР).- №3609828;3аявле-но 27.06.83; Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 25.10.93.

51. Чесноков В.В., Чесноков Д.В. Манипулирование и монтаж микродеталей лазерным пучком // Междунар. конф. "Прикладная оптика-96" (17-20 сент. 1996г., Россия, Санкт-Петербург): Тез. докл.- СПб.: ГОИ, 1996.- с.267.

52. Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г.С. и др.; Отв. ред. Писаренко Г.С.- Киев: Наукова думка, 1988.