Лазерное формирование наноразмерных структур Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР И ЭЛЕМЕНТОВ

ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 535.211:66.088

Д. В. Чесноков, В. В. Чесноков ЛАЗЕРНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР

Рассмотрены перспективные методы получения упорядоченных массивов наноструктур при использовании относительно недорогой лазерной техники с нано-секундной длительностью импульса.

Ключевые слова: лазерный пиролиз, плазмохимическое травление, лазерный перенос, массив наноструктур.

Использование теплового воздействия импульсного лазерного излучения для формирования наноразмерных структур на поверхности подложек имеет хорошие перспективы. В ведущихся по этому вопросу исследованиях можно выделить два направления:

1) применение сфокусированного излучения в качестве обрабатывающего инструмента, при этом минимальные размеры полученных структур прямо или косвенно определяются размером фокального пятна;

2) инициация и использование процессов самоорганизации образующихся внутри области фокального пятна структур.

Среди работ первого направления отметим те, в которых изучаются условия получения структур, меньших фокального пятна. Так, в монографии [1] показано, что силы поверхностного натяжения расплава могут как увеличивать, так и уменьшать размер отверстия, „прокалываемого" в тонкой металлической пленке сфокусированным лазерным лучом, т. е. намечен путь преодоления размерных ограничений, накладываемых использованием видимого света для технологических целей; в работе [2] обосновывается возможность получения лазерно-пиролитическим осаждением (ЬСУО) пленок металла (при наносекундной длительности импульса облучения) с минимальным размером структурного элемента до половины длины волны света за счет нелинейной (экспоненциальной) зависимости скорости пиролитической реакции от температуры; фирма №ио1аЬ [3] предлагает технологию получения кремниевых острий с радиусом закругления вершин 25—500 нм лазерным импульсным локальным облучением поверхности, использующую известный эффект выдавливания материала при остывании поверхностной расплавленной микрозоны, при плотности жидкой фазы, большей плотности твердой.

Ко второму направлению относятся исследования нелинейно-оптических процессов на облучаемой поверхности и образования поверхностных периодических структур [4, 5]; в работе [2] также обсуждаются теплофизические и газодинамические процессы, сопровождающие импульсное облучение поверхностей пленок на подложках в атмосферных условиях, и роль поверхностного натяжения при формообразующих манипуляциях с наноразмерными

структурами; в [6] представлены результаты исследований по формированию неупорядоченного массива металлических наноигл наносекундным (20 нс) лазерным облучением хромовой пленки, расположенной вблизи поверхности кремниевой окисленной пластины.

Авторами настоящей статьи ведутся работы в обоих направлениях, но вначале обсудим возможности технологии, использующей для формобразования фокальное пятно как целое.

На рис. 1 схематически показано формирование массивов наноостровков („наноточек") на подложке. Сначала (а) на поверхность кремниевой пластины, покрытой слоем диэлектрика, методом ЬСУО [2] осаждается топологический рисунок из пленки золота в виде матрицы круглых элементов. Метод позволяет получать на подложке при наносекундной длительности импульса облучения металлические островки и линии с минимальным размером, примерно равным 1/2 длины волны света (для азотного лазера — X = 0,334 мкм). Затем (б) посредством лазерного разогрева в инертной среде островки золота расплавляются и под действием сил поверхностного натяжения собираются в сферические капли, диаметр которых зависит от толщины к и диаметра Б островков золота. При к ~ 5 нм диаметр капель составит примерно 80 нм. Далее (в) на структуру напыляют в вакууме защитный слой; после удаления шариков травлением (г) защитный слой на подложке образует маску с отверстиями, через которую на подложку напыляют в вакууме материал островков (д) и стравливают защитный слой (е). На подложке возникает массив островков, которые затем в результате оплавления преобразуются в наношарики (ж). Повторение этапов, представленных на рис. 1, в—е, и затем новое оплавление (вторая итерация) позволяют получить наношарики — капли диаметром порядка 40 нм, после третьей итерации получаются капли диаметром порядка 20 нм и т. д. Полученные шарики могут служить маской при плазмохимическом или ионном вытравливании столбиков в кремниевой подложке (з).

а)

0Б

б)

в)

г)

к - -С:-

ШШУЖ ■■(Шт.

д)

е)

ж)

0^

->■ —

з) Пучок

ионов

V ф ф V

АЖ

Рис. 1

Экспериментальная проверка проведена с использованием шариков диаметром менее 1 мкм, которые получены диспергированием сплошной пленки золота, нанесенной на кремниевую пластину с пленкой нитрида кремния. При нагревании в инертной среде до температуры 700 °С в течение 10 мин пленка золота под действием сил поверхностного натяжения собиралась в капли диметром 0,1—1 мкм; далее структура подвергалась плазмохимическому травлению в плазме фреона, под каплями золота оставались не вытравленными столбики кремния высотой до 3 мкм.

На рис. 2 представлены микрофотографии структур, соответствующие разным стадиям их изготовления: а — наношарики золота диаметром менее 1 мкм, полученные расплавлением сплошной тонкой пленки золота; б — столбики кремния высотой 3 мкм, образованные плаз-мохимическим травлением в атмосфере фреона.

Лазерное облучение позволяет реализовывать также транспортировку нано- и микрообъектов с поверхности одной подложки на другую.

Рассмотрим гидродинамические эффекты, возникающие при наносекундном лазерном облучении многослойных тонкопленочных структур на подложках, приводящие к возможности переноса микрообъекта через зазор, разделяющий подложки. Схема переноса показана на рис. 3.

а)

б)

Рис. 2

Рис. 3

Переносимый микрообъект 1 закреплен на подложке 2 с помощью защитного слоя 3. Сквозь прозрачную подложку 2 на защитный слой направляется излучение, которое поглощается поверхностью слоя и за время импульса испаряет слой. Давление образующегося пара приводит в движение переносимый объект. Процессы нагревания и испарения после окончания лазерного импульса происходят без теплообмена с окружающей средой, адиабатически; при температуре Т выше температуры кипения при нормальных условиях и ниже критической для определения давления пара рТ можно использовать уравнение адиабаты [6]:

Т

Рт = Ро—ехР

Т0

о

ьм Г1_ТоЛ

т ,

ЯТ0

здесь р0 — давление насыщенного пара при температуре Т0, Ь — удельная теплота испарения защитного слоя, М — молярная масса вещества слоя, Я — универсальная газовая постоянная.

Длительность температурного импульса примерно в три раза превышает длительность лазерного импульса, и за этот короткий промежуток времени переносимый испаренный материал (объект) не успеет переместиться на заметное расстояние; следовательно, давление пара при оценочных расчетах можно считать постоянным. Для замкнутой системы „пар—объект" и при проведении процесса переноса в вакууме можно записать:

Рт* = Рт^,

где * — длительность температурного импульса, рт — плотность объекта, И — его толщина, V — скорость объекта.

На состояние объекта при его отделении от подложки и при движении влияют следующие факторы:

— температура соприкасающейся с паром поверхности объекта в течение температурного импульса близка к температуре пара, теплоотвод затруднен, поэтому объект при отделении нагревается;

— пар защитного слоя выходит из зазора между подложкой и объектом, поэтому по поверхности объекта существует градиент давления. Если объект имеет форму плоского диска, то касательные тангенциальные и радиальные силы стремятся растянуть его в радиальном направлении.

Будем считать, что диаметр диска меньше длины упругой волны, возникшей в диске в момент лазерного воздействия, а его толщина — меньше длины тепловой волны, что позволит не учитывать инерционные эффекты. Давление пара максимально в средней области диска и близко к нулю на периметре зазора; для упрощения оценок заменим при расчетах диск шайбой с центральным отверстием, заполненным паром защитного слоя, что позволит использовать в упругой стадии деформаций модель в виде толстостенного цилиндра с внутренним давлением [7]. В такой модели максимальные напряжения возникают на внутренней поверхности цилиндра, они равны

1 - к2

^ =-Рт ; се =—"ГРт, 1 + к

где ог и ое — радиальное и тангенциальное механическое напряжение, к = г1/г2, г1 и г2 — радиус внутренней и внешней поверхностей цилиндра. Приняв значение к = 0,5, получим ое ~ 1,67рт. Таким образом, напряжение в диске близко к значению давления пара.

Энергия падающего излучения Q = Р0т (Р0 — плотность мощности падающего излучения, т — длительность лазерного импульса) расходуется на нагревание переносимого объекта и прилегающей к поверхности области подложки, а также на испарение защитного слоя. Для плотности мощности падающего излучения, нагревающего защитный слой на значение ЛТ, справедливо выражение

Ро Т(1 Дзтр ) ~ с1р1^1ЛТ + с3р313ЛТ + р2^2¿исп .

Здесь с1, с3, р1, р2, рз, й1, ё2 — удельные теплоемкость, плотность, а также толщина слоев переносимого материала (индекс 1), защитного слоя (индекс 2) и подложки (индекс 3); 13 — толщина нагревающейся за время импульса области подложки; Ьисп — удельная теплота испарения защитного слоя; Яотр — коэффициент отражения защитного слоя.

Для иллюстрации значений физических эффектов в таблице приведены расчетные величины температуры и давления в адиабатических условиях пара йода и магния (материалов защитного слоя толщиной 0,2 мкм) при длительности лазерного импульса т = 10 нс, различных значений энергии и плотности лазерной мощности, температуры переносимого диска из золота ДТд при его толщине 0,1 мкм, скорости движения при переносе. При вычислениях уч-

тены потери тепла на нагревание поверхностного слоя подложки и потери на отражение излучения.

Защитный слой Т, К ДТд, К а 103 Дж/м2 Р, 108 Вт/см2 Рт , Па V, м/с

12 515 242 1,53 0,15 106 4,60

Мм 1700 1427 5,74 0,57 106 0,46

Из данных таблицы следует, что механические напряжения а « рТ при переносе не превышают предела текучести материала переносимого объекта, однако температура объекта может превышать его температуру плавления при принятой в расчетах длительности лазерного импульса.

Учитывая изложенное, можно рассматривать две возможности формирования структур методом лазерного переноса: перенос без изменения формы и перенос с оплавлением и уменьшением поперечника переносимого диска.

На рис. 4 приведена схема получения на подложке упорядоченного массива нанокапель методом переноса с оплавлением. Материал, из которого формируются наночастицы, предварительно нанесен в виде тонкой сплошной пленки 1 на прозрачную подложку поверх защитного слоя 2 и облучается наносекундными импульсами сфокусированного лазерного излучения. Фокальное пятно сканирует по пленке, за каждый импульс от подложки отрывается участок 3 пленки и движется к подложке-акцептору; время движения при величине зазора 1 мкм составляет примерно 0,2 мкс для условий первой строки таблицы. Если отделившийся участок расплавлен, силами поверхностного натяжения за время „полета" он собирается в шарик и в таком виде оседает на поверхность. Время преобразования отделенных от подложки расплавленных участков пленки в шарики можно оценить по частоте „капиллярных колебаний" микрокапель под действием поверхностного натяжения [8]. Период таких колебаний равен

Ч = 2п

РтГ

8а

где г — радиус микрокапли. Для золотых микрокапель диаметром 100 нм период составляет около 10 с, т. е. много меньше времени движения в зазоре.

т Сканирующий лазерный пучок

У ¥

■'у//у//у///уу/у/у'//у//. 1 ■

ХЧ\\ЧЧ\ХЧЧ\ЧЧ\ЧЧЧ\ЧЧЧ^

'У у р>У р1У уу уу у у у у уу у уу уу у у у у у у у у у

Рис. 4

На подложке формируется упорядоченный массив наночастиц, размер которых определяется толщиной пленки и диаметром испаренной зоны защитного слоя, аналогично рассмотренному на рис. 1.

Таким образом, показано, что существуют перспективные методы получения упорядоченных массивов наноструктур при использовании относительно недорогой техники, применяющей лазерное излучение с наносекундной длительностью импульса.

2

4

74

В. И. Донин

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вейко В. П. Лазерная обработка пленочных элементов. Л.: Машиностроение, 1986. 248 с.

2. Чесноков В. В., Резникова Е. Ф., Чесноков Д. В. Лазерные наносекундные микротехнологии / Под общ. ред. Д. В. Чеснокова. Новосибирск: СГГА, 2003. 300 с.

3. [Электронный ресурс]: <www.nanolab.com>.

4. Емельянов В. И., Семиногов В. Н. Лазерно-индуцированные неустойчивости рельефа поверхности и изменение отражательной и поглощательной способности конденсированных сред // Итоги науки и техники. Сер. Физ. основы лазер. и пучковой технологии. М.: ВИНИТИ, 1989. Т. 3. С. 57—91.

5. Панченко В. Я., Семиногов В. Н., Соколов В. И. Роль дифракции света на модуляциях поверхностного рельефа в процессах лазерной микротехнологии // Итоги науки и техники. Сер. Физ. основы лазер. и пучковой технологии. М.: ВИНИТИ, 1989. T. 3. С. 92—161.

6. Анисимов С. И., Имас Я. А., Романов Г. С., Ходыко Ю. В. Действие излучения большой мощности на металлы. М.: Наука, 1970. 272 с.

7. Справочник по сопротивлению материалов / Отв. ред. Г. С. Писаренко. Киев: Наукова думка, 1988. 736 с.

8. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 6. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.

Сведения об авторах

Дмитрий Владимирович Чесноков — канд. техн. наук, доцент; Сибирская государственная геодезическая

академия, кафедра физики, Новосибирск; E-mail: garlic@yandex.ru

Владимир Владимирович Чесноков — д-р техн. наук, профессор; Сибирская государственная геодезическая академия, кафедра физики, Новосибирск; E-mail: garlic@ngs.ru

Поступила в редакцию 12.01.09 г.

УДК 681.7.069.225:537.53

В. И. Донин

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ИСТОЧНИК НЕПРЕРЫВНОГО ДАЛЬНЕГО ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Представлен новый дуговой источник мощного непрерывного дальнего вакуумного ультрафиолетового излучения, созданный на основе сильноточной плазмы пониженного давления, которая ранее использовалась в качестве активной среды ионных аргоновых лазеров со сроком службы порядка 1000 ч.

Ключевые слова: ВУФ-излучение, дуговой разряд, возбуждение ионных уровней.

В настоящее время коротковолновые источники излучения являются объектом интенсивных исследований для специалистов многих стран. Более того, для разработки технологии изготовления изделий микро- и наноэлектроники (проекционной литографии), а также свето-эррозионных, радиационных технологий обработки материалов (в том числе с созданием регулярной нанометровой структуры) и др. требуются коротковолновые источники, способные работать в близких к промышленным условиях.

Традиционно для генерации непрерывного дальнего вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения используется синхротронное излучение и газоразрядные источники с камерами дифференциальной откачки для вывода излучения [1, 2], которые не получили широкого