Физико-технологические основы лазерной обработки систем пленка-подложка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, доктор технических наук Шахно, Елена Аркадьевна

• Шахно, Елена Аркадьевна
• доктор технических наук
• 2002

Оглавление диссертации доктор технических наук Шахно, Елена Аркадьевна

Введение.

Глава 1. Формирование топологии пленочных элементов.

1.1. Термические искажения пленочной топологии.

1.1.1. Термические искажения размеров и формы изображения.

1.1.2. Термические искажения элементов малых размеров.

1.1.3. Уменьшение термических искажений изображения перераспределением интенсивности излучения на поверхности пленки.

1.1.3.1. Уменьшение термических искажений формы изображения.

1.1.3.2. Уменьшение термических искажений размеров изображения.

1.2. Влияние особенностей процессов регистрации изображения на точность формирования пленочной топологии.

1.2.1. Влияние энергетических затрат на активацию физико-химических процессов в пленке на точность формирования пленочной топологии.

1.2.2. Влияние температурных зависимостей скоростей активируемых в пленке физико-химических процессов на точность формирования пленочной топологии.

1.3. Гидродинамические искажения изображения на пленке.

1.3.1. Движение расплава пленки под действием сил поверхностного натяжения

1.3.2. Затвердевание расплава пленки.

1.3.3. Вытеснение расплава за пределы облученной области.

1.4. Разрешающая способность лазерной обработки пленок.

1.4.1. Разрешающая способность неразрушающих методов лазерной обработки пленок.

1.4.2. Разрешающая способность лазерной обработки при локальном удалении вещества пленки.

-31.5. Толщина прогретого слоя подложки.

1.6. Выводы.

Глава 2. Локальный лазерный перенос пленок.

2.1. Доиспарительное удаление пленки с донорной подложки.

2.1.1. Анализ физических механизмов доиспарительного отрыва пленки.

2.1.2. Отрыв пленки при газификации донорной подложки.

2.2. Прямой локальный лазерный перенос пленки в режиме мягкого испарения

2.2.1. Физическая модель процесса и основные закономерности.

2.2.2. Гидродинамические явления, сопровождающие процесс локального лазерного переноса пленок.

2.2.3. Газодинамические явления, сопровождающие процесс локального лазерного переноса пленок.

2.2.4. Влияние шероховатости поверхности донорной подложки на качество лазерного осаждения.

2.3. Обратный перенос пленок и его особенности.

2.4. Комбинированный перенос пленок.

2.5. Применения локального лазерного переноса пленок.

2.5.1. Подгонка электрических параметров пленочных элементов.

2.5.2. Корректировка фотошаблонов и восстановление пленочных микросхем.

2.5.3. Формирование топологии элементов микросхем.

2.5.4. Нанесение декоративных рисунков.

2.5.5. Оптическая запись информации.

2.6. Выводы.

Глава 3. Лазерная очистка поверхности подложки.

3.1. Сухая лазерная очистка.

-43.1.1. Силы, вызывающие отрыв частицы от поверхности.

3.1.2. Условие очистки поверхности.

3.1.2.1. Очистка поверхности при расширении поглощающей частицы и/или поглощающей подложки.

3.1.2.2. Очистка поверхности при расширении прозрачной частицы.

3.1.3. Сухая очистка поверхности в многоимпульсном режиме.

3.2. Влажная лазерная очистка.

3.2.1. Поглощающие частицы на прозрачной подложке.

3.2.2. Прозрачные частицы на поглощающей подложке.

3.2.2.1. Температурное поле жидкой пленки.

3.2.2.2. Максимальный и минимальный размеры устойчивого пузырька.

3.2.2.3. Пороговое значение температуры поверхности подложки.

3.2.3. Поглощающие частицы на поглощающей подложке.

3.3. Очистка твердой поверхности от пленок.

3.3.1. Удаление пленки с поверхности подложки при ее радиальном тепловом расширении.

3.3.1.1. Абляция пленки в отсутствие влияния плавления.

3.3.1.2. Движение плавящейся пленки под действием сжимающих напряжений

3.3.1.3. Абляция твердой пленки в многоимпульсном режиме.

3.3.2. Определение преобладающего физического механизма удаления пленки

3.4. Выводы.

Глава 4. Управление шероховатостью поверхности.

4.1. Неравномерность фронта разрушения поверхности пленки при ее лазерной обработке.

4.1.1. Температурное поле пленки, формирующееся при действии лазерного излучения с неравномерным распределением энергии по сечению пучка.

-54.1.2. Развитие неравномерного фронта разрушения пленки.

4.1.2.1. Механизмы образования неравномерного фронта разрушения пленки.

4.1.2.2. Закономерности развития неравномерного фронта разрушения пленки при действии испарительного механизма.

4.1.2.3. Закономерности развития неравномерного фронта разрушения пленки при действии гидродинамического механизма.

4.1.3. Изменение микрорельефа поверхности пленки после окончания импульса излучения.

4.2. Изменение микрорельефа поверхности стекла под действием лазерного излучения.

4.2.1. Сглаживание шероховатой поверхности стекла под действием лазерного излучения.

4.2.2. Анализ процесса образования волнистости поверхности стекла при действии сканирующего лазерного излучения.

4.2.2.1. Условия режима стационарного течения.

4.2.2.2. Облученная область термически малого размера.

4.2.2.3. Облученная область больших размеров.

4.2.3. Режимы лазерной полировки без образования волнистости.

4.3. Управление крупномасштабной шероховатостью поверхности.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-технологические основы лазерной обработки систем пленка-подложка»

Пленочные системы широко используются в электронном и оптическом приборостроении, в микроэлектронике, в информационных системах, в системах управления и средствах автоматизации и во многих других областях науки и техники. Сфера применения пленочных систем постоянно расширяется. Одновременно повышаются требования к их точности и качеству.

Изготовление пленочных систем включает в себя ряд ключевых процессов: полировка или создание заданного микрорельефа поверхности подложки, ее очистка, нанесение пленочного слоя и формирование пленочной топологии. Реализация этих процессов осуществляется комплексом множества технологических операций: химико-механическая полировка, плазменная очистка, вакуумное напыление, фотолитография и т.д. Несмотря на высокий уровень развития этих технологий в настоящее время выявились их недостатки, которые замедляют, а в некоторых случаях и препятствуют совершенствованию параметров пленочных систем и процесса их производства. В частности, увеличение степени интеграции микросхем требует повышения разрешающей способности литографических процессов до значений порядка 0.1 мкм, что невозможно без применения лазеров. Автоматизация и контроль процессов формирования топологии непосредственно в процессе обработки, необходимые при выпуске специализированных (заказных) микросхем, могут быть осуществлены только методами прямой записи; при этом реальных альтернатив лазерным методам нет. Рост уровня миниатюризации и интеграции требует одновременнно повышения качества очистки подложек, включая удаление частиц субмикронного размера; для решения таких задач традиционные технологии (в том числе ультразвуковые, плазменные и др.) оказались неэффективны. Таких примеров можно привести много. Они очевидно свидетельствуют о необходимости совершенствования технологий обработки систем пленка-подложка и привлечения в эту область лазерных технологий.

Лазерные технологии в принципе могут быть использованы для осуществления всех перечисленных процессов обработки систем пленка-подложка. Лазерные технологии в состоянии обеспечить:

- повышение точности изготовления пленочных элементов благодаря возможности строгой локализации процессов оптическими средствами и использования импульсных режимов воздействия;

- повышение качества и выхода годных элементов благодаря возможности применения электронных и оптических обратных связей и их включения в процесс по принципу функциональной подстройки;

- увеличение степени автоматизации процессов, и, следовательно, их производительности благодаря возможности привлечения встроенных (on-line) оптических средств контроля результатов и компьютерного управления технологическими процессами.

Лазерные методы характеризуются также простотой и достаточно высокой технологической чистотой. Дополнительным стимулом развития лазерных технологий является значительное сокращение номенклатуры требуемого оборудования, так как лазерные методы обычно являются одностадийными.

Применение лазеров в пленочных технологиях исследовалось уже в 70-80 гг. в работах В.П.Вейко и С.В.Гапонова по лазерной обработке и Ю.А.Быков-ского по лазерному напылению. Однако с тех пор принципиально изменились как требования к технологиям обработки систем пленка-подложка, так и их возможности. Наряду с испарительными процессами, которые применялись в то время, используются и другие процессы и явления, вызываемые лазерным нагреванием, такие как импульсное тепловое расширение, термокапиллярные процессы, локальное осаждение и некоторые другие. Появились новые типы лазеров, в частности, эксимерные и С02-лазеры непрерывного действия, что значительно расширило сферу возможных применений лазеров в изготовлении систем пленка-подложка.

Автор настоящей работы принимает участие в создании и разработке указанного направления с начала 80-х гг. Работы этого периода были посвящены созданию теоретических и физико-технологических основ точности и качества лазерной обработки пленочных систем. В дальнейшем автор расширил область исследований на другие технологии лазерной обработки систем пленка-подложка. Это, прежде всего, весьма актуальная технология прямого формирования пленочной топологии по методу локального лазерного переноса (в зарубежной литературе — LIFT — laser induced film transfer), а в дальнейшем процессы полировки и очистки поверхности подложек — направления, которые выдвигала сама логика развития лазерных технологий в контексте требований промышленности.

Круг вопросов, составляющих комплекс технологий обработки систем пленка-подложка, достаточно обширен и многообразен. Однако следует заметить, что у всех указанных технологий, помимо общего объекта применения, есть важное общее свойство — все они основаны на процессах нагревания объекта лазерным излучением. При этом круг исследований замыкается на обширное, но ограниченное количество основных процессов силовой оптики, теплофизики и гидродинамики, что позволяет на основе единого подхода осуществить их общее рассмотрение. Технологии лазерной обработки систем пленка-подложка основаны на тепловой модели воздействия лазерного излучения на конденсированные среды, предложенной и разработанной в трудах С.И.Аниси-мова и А.М.Бонч-Бруевича. Тепловые процессы, связанные с нагреванием объектов воздействия при поглощении ими лазерного излучения и перераспределением тепловой энергии вследствие теплопроводности, являются основой всех процессов, происходящих при лазерной обработке систем пленка-подложка: теплового расширения, плавления и испарения, движения расплава под действием сил поверхностного натяжения и давления пара, движения пара и его конденсации. Любая технология обработки систем пленка-подложка представляет собой совокупность нескольких из указанных физических процессов.

С другой стороны, степень развития большинства лазерных технологий обработки систем пленка-подложка требует общего и детального теоретического рассмотрения. Причем уровни развития различных лазерных технологий обработки систем пленка-подложка и требования, предъявляемые к ним, существенно различаются. Это определяет различный уровень конкретизации проводимых исследований — от создания физико-математических моделей при исследовании процессов лазерной очистки до разработки основ теории точности при исследовании формирования пленочной топологии. Разработка теоретических подходов и физико-технологических основ лазерных технологий обработки систем пленка-подложка составляет самостоятельное фундаментальное направление при создании лазерных технологий.

Цели и задачи работы

Целью работы является создание теоретических подходов и физико-технологических основ комплекса лазерных технологий, применяемых в системах пленка-подложка, позволяющих определить оптимальные условия обработки, предложить и разработать методы и устройства для расширения возможностей и повышения точности и качества лазерной обработки пленок и подложек.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

- разработать подходы и создать основы теории точности лазерной обработки пленок, в том числе определить теоретический предел разрешающей способности лазерной обработки;

- разработать физическую и математическую модель процесса локального лазерного переноса пленок, объясняющую основные закономерности процесса формирования осадка и изучить возможности технологических применений метода;

- разработать физические и математические модели лазерной очистки поверхности подложки от загрязняющих частиц и пленок и определить основные характеристики процессов;

- 10- рассмотреть возможности и разработать методы управления шероховатостью твердой поверхности, включая поверхности подложки и пленки, при обработке лазерным излучением.

Методы исследования

В работе проведено преимущественно теоретическое исследование процессов лазерной обработки пленок и поверхностей подложек. Анализируемые процессы основаны на тепловом действии излучения, поэтому локальное лазерное нагревание пленок и приповерхностных слоев подложек рассмотрено как базовый процесс, определяющий совокупность явлений, происходящих в обрабатываемом объекте.

В работе использованы преимущественно аналитические методы исследования, так как они в большей степени позволяют определить закономерности анализируемых процессов. При необходимости аналитические методы дополнены численными.

Достоверность полученных результатов подтверждена сопоставлением с экспериментальными данными, полученными при участии автора и известными из литературных источников. При этом использованы методы видеосъемки, электронной микроскопии, оптической микроскопии и др.

Научная новизна

Новизна работы определяется тем, что в ней впервые разработаны теоретические основы лазерных технологий изготовления пленочных элементов, охватывающих совокупность технологических процессов подготовки подложки и формирования пленочной топологии. Работа включает в себя создание физических и математических процессов, определение важнейших закономерностей, определение оптимальных условий обработки и разработку специальных способов и устройств, расширяющих возможности лазерной обработки систем пленка-подложка.

В ходе исследования впервые получены следующие результаты.

1. Разработаны теоретические основы точности лазерной обработки пленочных элементов. Исследованы термические и гидродинамические искажения топологического рисунка на пленке. Предложены методы и устройства для уменьшения термических искажений размеров и формы изображения. Определена разрешающая способность лазерной обработки пленок при разрушающем и неразрушающем лазерном воздействии.

2. Исследованы физические механизмы и технологические возможности локального лазерного переноса пленок. Предложены и разработаны физические и математические модели локального лазерного переноса пленок в доиспари-тельном режиме и прямого переноса в режиме испарения. Предложен способ улучшения структуры осадка. Исследованы особенности обратного локального лазерного переноса пленок. Предложен метод комбинированного локального лазерного переноса.

3. Созданы физические и математические модели сухой и влажной лазерной очистки поверхности от частиц и лазерной очистки поверхности от пленок в низкоэнергетическом режиме воздействия излучения.

4. Разработаны теоретические основы управления шероховатостью поверхностей пленок и подложек с помощью лазерного излучения. Предложена и разработана физическая и математическая модель процесса формирования неравномерного фронта разрушения поглощающих пленок лазерным излучением. Разработаны теоретические основы полировки поверхности стекла неподвижным и сканирующим пучком лазерного излучения. Предложен способ управления крупномасштабной шероховатостью поверхности.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Термические искажения пленочной топологии, существенные при обработке систем металлическая пленка-диэлектрическая подложка, могут быть определены из анализа температурного поля в адиабатически изолированной пленке с учетом общего уровня теплоотвода в подложку. Такой подход позволяет определить пороговые характеристики обработки, параметры оптимального режима и величину термических искажений. Термические искажения топологии могут быть уменьшены адекватным перераспределением интенсивности излучения в плоскости обработки.

2. Разрешающая способность лазерной обработки пленок может существенно превышать разрешающую способность применяемой оптической системы и зависит от типа процесса, используемого для регистрации изображения. При разрушающем воздействии она определяется поверхностным натяжением в системе пленка-подложка при образовании отверстия в пленке, при неразру-шающем — разрешающей способностью температурного изображения и стабильностью параметров лазерного излучения.

3. Основным физическим механизмом прямого локального лазерного переноса пленки в режиме испарения является движение фрагмента пленки от до-норной подложки к акцепторной под действием избыточного давления со стороны акцепторной подложки. Процесс сопровождается газодинамическими и гидродинамическими явлениями, определяющими структуру и качество осадка.

Предложенный метод комбинированного переноса позволяет получать осадки сложного химического состава.

4. Физическим механизмом сухой лазерной очистки поверхности подложки от загрязняющих частиц и пленок в доиспарительном режиме является удаление частиц и пленок под действием импульсного теплового расширения частиц, пленки и/или приповерхностного слоя подложки. При этом их поперечное тепловое расширение приводит к удалению частиц или фрагментов пленки под действием инерционной силы, а радиальное тепловое расширение упругой пленки вызывает удаление ее фрагментов под действием термических напряжений сжатия.

5. Особенности формирования микрорельефа металлических и стеклянных поверхностей связаны со значительным различием их физических свойств, в частности, числа Прандтля, что определяет большую разницу в скоростях течения расплава (размягченного материала) в приповерхностном слое. Результатом этого является с одной стороны, требование ограничения скорости сканирования при лазерной полировке стекла и проблематичность устранения волнистости, с другой стороны — высокая степень корреляции микрорельефа поверхности и неравномерности пространственного распределения интенсивности излучения при обработке металлических поверхностей.

Практическая ценность

Большинство исследований выполнены в рамках Российских Национальных программ, направленных на исследование и разработку лазерных технологий, в том числе «Гиперболоид-95» (1990-1995 гг.), «Устройства и процессы лазерных технологий» (1995-2000 гг.). Часть исследований выполнена в рамках грантов Министерства образования Российской Федерации по исследованиям в области ядерной техники и физики пучков ионизирующих излучений (раздел «Лазерные пучки и научно—технологические основы их применения», №29824), по фундаментальным исследованиям в области технических наук (раздел «Электрофизико-химическая обработка», ТОО-6.5-1246).

Результаты работы внесли существенный вклад в лазерную обработку пленочных систем.

Проведенные исследования лазерного формирования топологии пленочных элементов, предложенные и разработанные способы и устройства содействовали значительному уменьшению искажений пленочной топологии при ретуши фотошаблонов, корректировке и изготовлении пленочных схем, изготовлении оптических шкал и сеток.

Предложенные и разработанные физические модели локального лазерного переноса пленок обеспечили существенное повышение равномерности осадка, улучшение его структуры, повышение точности получаемой пленочной топологии в подгоночных операциях, в операциях корректировки фотошаблонов и восстановления пленочных микросхем, при получении декоративных рисунков.

Предложенный способ комбинированного локального лазерного переноса пленок расширил сферу применения метода, создав возможности получения пленочных осадков сложного химического состава.

Исследования лазерной очистки поверхностей подложек выявили оптимальные режимы обработки, способствовали повышению эффективности очистки и увеличению размеров одновременно обрабатываемой области, в частности, позволили рекомендовать и реализовать на практике оптимальные режимы очистки поверхностей от коррозии.

Определены рабочие режимы лазерной полировки поверхности подложки. Созданы предпосылки для развития технологий лазерного управления крупномасштабной шероховатостью поверхности.

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены либо лично автором, либо по его инициативе и при его непосредственном участии.

Апробация работы. Результаты работы многократно докладывались и обсуждались на Всероссийских (Всесоюзных) и Международных симпозиумах и конференциях с 1981 г. За последние три года результаты работы были представлены на следующих конференциях:

The EOS/SPIE International Symposium on Industrial Lasers and Inspection, 14-18 June 1999, München, Germany; X International Conference on Nonresonant Laser-Matter Interaction, 21-23 August 2000, St. Petersburg, Russia; IX International Conference on Laser-Assisted Microtechnology, 23-25 August, St.Petersburg, Russia; Laser Precision Microshaping, Japan, Tokyo, June 2000; International Workshop «New Trends in Laser Cleaning», Singapore, 18 May, 2001.

Предложенные устройства и результаты работ явились основой для разработки технологических лазерных установок и процессов, используемых для лазерной обработки пленочных элементов в СПбГИТМО (ТУ), ЗАО «Светлана-полупроводники» и ряде других предприятий. Результаты работы использованы также в учебном процессе в СПбГИТМО (ТУ).

Исследования по лазерной очистке твердых поверхностей и лазерной полировке стекла имеют самостоятельное значение, их результаты использованы в технологических процессах очистки металлов от коррозии на предприятии «Лазерные технологии», и полировке стекла в ВНЦ ГОИ.

Основное содержание диссертации изложено в 36 научных работах [ 127— 162], включающих 4 авторских свидетельства и патент Российской Федерации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Квантовая электроника», Шахно, Елена Аркадьевна

4.4. Выводы

1. Определены закономерности развития неравномерного фронта разрушения пленки. Основными механизмами формирования неравномерного фронта разрушения пленки являются испарительный (различие в скоростях испарения пленки в различных точках ее поверхности) и гидродинамический механизм (перемещение расплава под действием градиента давления отдачи паров). Показано, что преимущественное действие того или иного механизма в первую очередь зависит от характерного размера неравномерности с1и. При с1и >10 мкм формирование неравномерного фронта разрушения происходит в основном при действии испарительного механизма, при с!и < 3 мкм — гидродинамического.

При малых значениях неравномерности распределения интенсивности излучения р величина неравномерности фронта разрушения А/г при больших характерных размерах неравномерности (с1н >10 мкм) пропорциональна /? , а при малых характерных размерах неравномерности (<Ун <3 мкм) пропорциональна (Д,) , где Ь изменяется от 1 до 2 в зависимости от режима обработки.

Неравномерность фронта разрушения А/г возрастает с увеличением удельной теплоты испарения, пропорциональна средней толщине испаренного слоя при больших характерных размерах неравномерности (с1и >10 мкм) и средней толщине расплавленной пленки при малых характерных размерах неравномерности (с1н <3 мкм).

После окончания импульса излучения при неполном испарении пленки дальнейшее изменение рельефа поверхности происходит под действием сил поверхностного натяжения. Характер изменения высоты неровностей профиля поверхности во времени зависит от соотношения сил поверхностного натяжения и сил вязкого трения.

2. Рассмотрены особенности течения размягченного в приповерхностном слое стекла под действием сил поверхностного натяжения, являющегося физической основой процесса лазерной полировки стекла. Определена динамика изменения высоты шероховатостей при действии пространственно однородного пучка лазерного излучения. Показано, что продолжительность действия излучения, необходимая для эффективного сглаживания шероховатостей зависит преимущественно от энергетики воздействия (вязкость и толщина слоя размягченного стекла) и шага шероховатости. В режимах обработки, обеспечивающих нагревание поверхности до ~ 1000°С при длительности воздействия ~ 5 с, происходит эффективное сглаживание шероховатостей, шаг которых не превышает 10-20 мкм.

Исследовано гидродинамическое течение размягченного стекла под действием сканирующего лазерного излучения. Определены условия стационарного режима течения, при котором волна размягченного материала движется за лазерным пучком с той же скоростью. В таком режиме возможна лазерная полировка поверхности стекла без образования крупномасштабной волнистости. Определена максимальная скорость сканирования, при которой соблюдается стационарный режим течения размягченного стекла; ее расчетные значения составляют ~ 0.5 мм/с. Величина максимальной скорости сканирования пропорциональна Q~b (() — мощность излучения, Ь = ^-ч-1) и уменьшается с уменьшением размера облученной области.

-2623. Управление крупномасштабной шероховатостью поверхности может быть осуществлено при облучении поверхности сфокусированным лазерным пучком. Если фокальная плоскость оптической системы расположена выше средней линии шероховатой поверхности, то абляция материала на выступах приводит к уменьшению высоты шероховатостей. Если фокальная плоскость оптической системы расположена ниже средней линии шероховатой поверхности, то абляция материала во впадинах приводит к увеличению высоты шероховатостей. Определена зависимость параметров оптической системы и режима обработки от свойств материала, исходной шероховатости и требуемого изменения высоты неровностей профиля шероховатой поверхности.

-263 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом проведенных исследований явилось создание теоретической базы комплекса лазерных технологий, применяющихся при изготовлении пленочных элементов: разработка физических и математических моделей процессов, анализ точности и качества результатов обработки, определение оптимальных параметров режима обработки, разработка методик расчета рабочих режимов, разработка специальных методов и устройств для повышения точности и качества лазерной обработки пленочных элементов и расширения ее возможностей.

Основные оригинальные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

1. Разработаны основы теории точности лазерного формирования пленочной топологии. Исследования позволили выявить оптимальные режимы лазерной обработки, определить предельные точностные характеристики, связанные с физическими особенностями взаимодействия поглощающих пленок с лазерным излучением, а также разработать специальные методы и устройства для дальнейшего повышения точности лазерной обработки. а). Предложен метод расчета температурных полей в пленке, формирующихся под действием импульсов лазерного излучения наносекундного диапазона, с учетом влияния теплоотвода из пленки в подложку. Показано, что термические искажения формы изображения минимальны, когда плотность энергии излучения вдвое превышает пороговое значение. В этом случае при термически больших размерах облученной области / > 2.5д/ауг (а, — температуропроводность пленки, г — длительность воздействия излучения) термические искажения размеров отсутствуют, а при меньших значениях размеров — увеличиваются с их уменьшением. Показано, что при использовании термоактиви-руемых процессов точность регистрации изображения на пленках превышает точность построения температурного изображения вследствие наличия энергетических затрат на активацию физико-химических процессов в пленках и экспоненциальной зависимости скорости процесса от температуры. Предложены методы и устройства, обеспечивающие повышение точности воспроизведения размеров и формы изображения при лазерной обработке пленок путем изменения распределения интенсивности излучения в плоскости обработки. Предложенные устройства защищены авторскими свидетельствами. б). На основе анализа движения расплава пленки под действием сил поверхностного натяжения проведено исследование гидродинамических искажений изображения. Определены скорость течения расплава в зависимости от соотношения сил поверхностного натяжения и сил вязкого трения и время затвердевания расплава в зависимости от соотношения теплофизических свойств пленки и подложки. Проведен расчет количества расплава, вытесненного давлением отдачи паров за пределы облученной области, при обработке пленки в режиме наносекундных импульсов. в). Рассмотрена разрешающая способность лазерной обработки пленок. Показано, что она различна при разрушающем и неразрушающем воздействии лазерного излучения, отличается от разрешающей способности оптической системы и может ее превышать. При неразрушающем воздействии разрешающая способность лазерной обработки определяется разрешающей способностью температурного изображения и зависит от отношения плотности мощности излучения к ее пороговому значению. При разрушающем воздействии разрешающая способность лазерной обработки определяется термодинамической устойчивостью малых отверстий в пленке, причем минимальный размер отверстия может приближаться по значению к толщине пленки. г). Разработана методика расчета и определена толщина слоя структурных и фазовых изменений в подложке, образующегося в процессе перераспределения тепла после окончания импульса излучения. Показано, что она зависит от режима обработки и отношения максимальной температуры пленки к температуре возникновения структурных или фазовых изменений в подложке и может достигать значений (3-5\1а2т (а2 —температуропроводность подложки).

-2652. Проведено изучение процессов локального лазерного переноса пленок. На основе анализа оптических, тепловых, гидродинамических и газодинамических процессов разработаны физические и математические модели прямого и обратного локального лазерного переноса и доиспарительного удаления пленки с донорной подложки. Результаты исследования позволили выявить оптимальные режимы обработки и технологические возможности методов. Предложен принципиально новый метод, позволяющий расширить возможности локального лазерного переноса. Исследованы практические приложения метода. а). Предложена и разработана физическая и математическая модель доиспарительного удаления пленки с поверхности донорной подложки, предполагающая действие взрывных и термомеханических физических механизмов отрыва и удаления фрагментов пленки. Показано, что наиболее вероятными причинами ослабления и нарушения адгезии пленки к подложке под действием лазерного излучения являются газификация вещества подложки и/или испарение пленки в замкнутые микрополости на границе пленки с подложкой. Проведен численный расчет процесса отрыва пленки от поверхности подложки при газификации подложки. Показано, что наиболее вероятной причиной удаления фрагмента пленки с поверхности подложки после нарушения адгезии является действие термических напряжений сжатия в нагретой лазерным излучением пленке. б). Предложена и разработана полная физическая и математическая модель прямого локального лазерного переноса в испарительном режиме, включающая теплофизические, гидродинамические и газодинамические аспекты. Анализ гидродинамического течения расплава осажденной на акцепторную подложку расплавленной пленки позволил объяснить и предсказать морфологические особенности осадка, такие как утолщение вокруг нанесенного участка пленки, кратероподобная форма осадка, капли на акцепторной подложке вокруг него. Анализ газодинамического течения паров в зазоре между подложками позволил объяснить образование ореола на подложках вокруг обработанной области; показано, что его ширина зависит от расстояния между подложками й и достигает значений (10-15)й?. Предварительное матирование рабочей поверхности донорной подложки до нанесения на нее пленки способствует повышению равномерности осадка, улучшению его структуры и адгезии к акцепторной подложке, предложенный способ лазерной обработки защищен авторским свидетельством. в). Рассмотрены особенности обратного локального лазерного переноса. Определена максимальная толщина сплошного слоя осадка, которую можно получить в многоимпульсном режиме обратного переноса. Показано, что для увеличения толщины получаемого осадка необходимо обеспечить достаточный теплоотвод от него. г). Предложен принципиально новый метод локального лазерного переноса -— комбинированный перенос, позволяющий получать осадки сложного химического состава. Разработаны методики определения условий обработки, требуемых для получения осадка с заданным массовым соотношением составляющих его веществ. Предложены дополнительные методы получения осадков сложного состава. Предложенные способы лазерной обработки защищены патентом Российской Федерации. д). Исследование возможностей применения метода локального лазерного переноса показало его эффективность в подгоночных операциях, для корректировки фотошаблонов и восстановления пленочных схем, формирования топологии элементов микросхем, получения декоративных рисунков, записи информации. В технологических процессах, связанных с подгоночными операциями и корректировкой топологии, метод локального лазерного переноса хорошо сочетается с методом локального удаления пленок, они взаимодополняют друг друга и могут осуществляться на одной и той же технологической установке.

3. Проведено исследование процессов лазерной очистки поверхности подложки от загрязняющих частиц и пленок в доиспарительном режиме. Предложенные и разработанные модели процессов позволили рассчитать пороговые характеристики, прогнозировать эффективность очистки и выбирать оптимальные режимы. а). Предложены и разработаны физические и математические модели процессов сухой лазерной очистки. Обнаружено, что причиной удаления частиц с поверхности подложки является инерционная сила, возникающая при быстром термическом расширении частиц и/или подложки. Определена зависимость порогов очистки от оптических и физических свойств подложки, размеров частиц и временной формы импульса. б). Предложены и разработаны физические модели влажной лазерной очистки поверхности подложки. Определено, что процессы, происходящие при влажной лазерной очистке, принципиально различны в случаях поглощающих частиц и поглощающей подложки. В первом случае процесс очистки инициируется распространением парового канала по поверхности частицы и порог очистки определяется количеством энергии, необходимым для нагрева частиц до температуры кипения жидкости. Во втором случае — пузырьковым кипением слоя жидкости на поверхности подложки. Показано, что пороговый перегрев поверхности подложки выше температуры кипения жидкости, определяющий порог очистки, преимущественно определяется шероховатостью поверхности и поверхностным натяжением жидкости. в). Рассмотрены низкоэнергетические (термомеханические) механизмы удаления пленок с поверхности подложки, связанные с тепловым расширением пленки и подложки. Показано, что доиспарительное удаление упругой пленки под действием термических напряжений, возникающих при ее радиальном тепловом расширении, возможно в широком диапазоне интенсивностей лазерного излучения, как твердой пленки, так и при значительном (в несколько раз) превышении порога начала плавления пленки. Рассчитана зависимость скорости движения фрагментов пленки от интенсивности излучения. Показано, что при абляции пленки в режиме плавления скорость движения фрагмента пленки зависит от распределения интенсивности излучения по поверхности пленки. Предложенная модель удаления пленки под действием термических напряжений позволила объяснить явление деградации пленок. Определен преобладающий физический механизм удаления пленки с поверхности подложки: удаление неупругих аморфных пленок (воск, жир), а также упругих (металлических) пленок толщиной свыше 10 мкм связан с поперечным тепловым расширением пленки и подложки; удаление более тонких упругих пленок происходит вследствие радиального теплового расширения пленки.

4. Проведено изучение изменения микрорельефа поверхности при действии на нее лазерного излучения. Полученные результаты дают возможность оптимизировать процессы лазерной обработки пленок при формировании пленочной топологии, производить адекватный выбор режимов лазерной полировки поверхности стеклянной подложки и управлять крупномасштабной шероховатостью поверхности. а). Определены закономерности формирования неравномерного фронта разрушения пленки лазерным излучением. Исследованы два возможных механизма его развития: испарительный и гидродинамический. Показано, что относительный вклад того или иного механизма зависит от характерного размера неравномерности с1н. При с1н>с1, (для г ~ 10 8 с, толщины пленки /7-107 м й?н>10 мкм) действует преимущественно испарительный механизм, при с1н < й?* {<3Н < 3 мкм) — гидродинамический. Рассмотрена кинетика формирования шероховатой поверхности под действием сил поверхностного натяжения после окончания импульса излучения. б). Разработаны физические основы технологии лазерной полировки стекла. Проанализирована динамика изменения высоты шероховатостей при нагреве поверхности однородным неподвижным пучком лазерного излучения. Показано, что время экспозиции, необходимое для эффективного сглаживания шероховатостей, определяется энергетикой воздействия и шагом шероховатости. Определено, что в режимах воздействия, обеспечивающих полировку поверхности стекла при условии сохранения формы поверхности (т ~ 5 с), возможно осуществить эффективное сглаживание шероховатостей, шаг которых не превышает 10-20 мкм. Показано, что лазерная полировка поверхности стекла сканирующим пучком без образования крупномасштабной волнистости (гребней) возможна в режиме стационарного течения, т.е. когда волна размягченного материала движется за лазерным пучком с той же скоростью. Определены условия достижения стационарного течения. Показано, что максимально допустимая скорость сканирования составляет величину ~ 0.5 мм/с и уменьшается при увеличении мощности лазерного пучка и при уменьшении размера облученной области. в). Разработан метод управления крупномасштабной шероховатостью поверхности при облучении ее сфокусированным лазерным пучком, основанный на изменении шероховатости вследствие неравномерной абляции выступов и впадин шероховатой поверхности. Определены параметры оптической системы и режима обработки, необходимые для заданного изменения высоты неровностей профиля шероховатой поверхности. Предложенный способ защищен авторским свидетельством.

Таким образом, проведенные в работе исследования комплекса технологий лазерной обработки систем пленка-подложка существенно расширили представления о физической сущности процессов, происходящих при лазерной обработке. Анализ процессов лазерной обработки позволил прогнозировать ее результаты, повысить ее качество, точность и эффективность. Проведенные исследования, направленные на оптимизацию существующих процессов лазерной обработки, а также создание и разработка новых значительно расширяют возможности лазерной обработки систем пленка-подложка.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Шахно, Елена Аркадьевна, 2002 год

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

2. Вейко В.П., Либенсон М.Н. Проекционный способ обработки материалов излучением ОКГ. Физика и химия обработки материалов, №4, 1968, с.44-50.

3. Вейко В.П. Контурно-проекционный метод лазерной обработки материалов. Квантовая электроника, т.5, №12, 1978, с.2602-2610.

4. Анисимов С.И., Бонч-Бруевич A.M., Ельяшевич М.Я., Имас Я.А., Павленко Н.А., Романов Г.С. Действие мощных световых потоков на металлы. Журнал технической физики, т.36, в.7, 1966, с. 1273-1284.

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

6. Рэди Дж. Действие лазерного излучения. М.: Мир, 1974, 468с.

7. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975, 294с.

8. Вейко В.П., Либенсон М.Н. Лазерная обработка. Л.: Лениздат, 1973, 191с.

9. Либенсон М.Н. Нагрев и разрушение тонких пленок излучением ОКГ. Физика и химия обработки материалов, №2, 1968, с.3-11.

10. Libenson M.N. Nonequilibrium heating and cooling of metals under super short laser irradiation. Proceedings of SPIE, v.4423, Nonresonant Laser-Matter Interactions, 2001, p. 1-7.

11. Luk'yanchuk B.S., Anisimov S.I., Lu Y.F. Dynamics of subpicosecond laser ablation examined by moments technique. Proceedings of SPIE, v.4423, Non-resonant Laser-Matter Interactions, 2001, p.141-152.

12. Гринберг A.A., Мехтиев Р.Ф., Рыбкин C.M., Салманов В.М., Ярошецкий И.Д. ФТТ, в.5, 1967, с.1390—1397.

13. Paek V.C., Kestenbaum A. Thermal analysis of thin film micromachining with lasers. J. Appl. Phys., v.44, No 5, 1973, p.2260-2268.

14. Левинсон Г.Р., Смилга В.И. Лазерная обработка тонких пленок (обзор). Квантовая электроника, т.З, №8, 1976, с.1637-1659.

15. Левинсон Г.Р., Смилга В.И. Экспериментальное исследование порогов разрушения тонких металлических пленок при воздействии лазерного излучения. Физика и химия обработки материалов, №4, 1971, с. 124-128.

16. Левинсон Г.Р., Смилга В.И. Изменение отражательной способности металлических пленок при нагреве их короткими импульсами лазерного излучения. Квантовая электроника, т.1, 1974, с.1235-1238.

17. Либенсон М.Н., Никитин М.Н. О термических искажениях рисунка при проекционном способе обработки пленок излучением ОКГ. Физика и химия обработки материалов, №5, 1970, с.9-13.

18. Гуревич Г.Л., Муравьев В.А. Воздействие излучения ОКГ на тонкие пленки. Физика и химия обработки материалов, №1, 1973, с.3-8.

19. Carlson A.J. Transient temperature responce of thin film thermal detectors in infrared imagin systems. Appl. Optics, v.8, No 2, 1969, p.243-253.

20. Карпман И.М. Исследование методов получения прецизионных тонкопленочных микрорисунков с помощью лазера. Автореферат диссертации канд. техн. наук. Л.: ЛЭТИ, 1978, 22с.

21. Вейко В.П., Кайданов А.И., Яковлев Е.Б. Двухфазная модель разрушения поглощающих пленок. Квантовая электроника, т.7, №1, 1980, с.34^41.

22. Яковлев Е.Б. Влияние адгезии на процессы лазерного нагревания и разрушения тонких поглощающих пленок. Квантовая электроника, т.8, №5, 1981, с.1073-1078.

23. Левинсон Г.Р., Смилга В.И. О механизме разрушения тонких металлических пленок под действием сфокусированного лазерного излучения. Квантовая электроника. Сборник статей под ред. Басова Н.Г., в.3(15), 1973, с.72-78.

24. Вейко В.П., Кайданов А.И., Либенсон М.Н., Юркевич Б.М., Яковлев Е.Б. Разрушение поглощающих пленок под действием лазерного излучения. Электронная обработка материалов, №6, 1983, с.23-26.

25. Nakayama S., Saito J., Takamoto К. Laser machining of thin films. Bull. Japan Soc. Pres. Engin., v.5, No 2, 1971, p.39-44.

26. Sard R., Maydan D. A structural investigation of the laser machining of thin bismuth film. J. Appl. Phys., v.42, No 12, 1971, p.5084-5094.

27. Jakovlev E.B., Veiko V.P., Metev S.M., Savtchenko S.K. Peculiarities of laser-induced formation of submicron holes in thin absorbing films. J. Phys. D: Appl. Phys., v.15, No 4, 1982, p.L35-L37.

28. Вейко В.П., Яковлев Е.Б. Некоторые особенности процесса разрушения тонких металлических пленок мощными световыми импульсами. Физика и химия обработки материалов, №2, 1979, с.33-36.

29. Рыкалин Н.Н., Углов А.А. Воздействие концентрированных потоков энергии (КПЭ) на материалы. Проблемы и перспективы. Физика и химия обработки материалов, №5, 1983, с.3-18.

30. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы нестационарной теплопроводности. М.: Высшая школа, 1978, 328с.

31. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967, 599с.

32. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959, 699с.

33. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена. M.-JL: Госэнерго-издат, 1961, 680с.

34. Veiko V.P., Metev S.M., Stamenov K.V., Kalev H.A., Jurkevitch B.M., Karp-man I.M. Two-phase mechanism of laser-induced removal of thin absorbing films: II.Experiment. J. Phys. D: Appl. Phys., v.13, 1980, p.1570-1575.

35. Тихонов A.H., Самарский А.А. Уравнения математической физики. M.: Наука, 1977,328c.

36. Френкель Я.A. Кинетическая теория жидкостей. J1.: Наука, 1975, 592с.

37. Вейко В.П., Кокора А.Н., Либенсон М.Н. Об экспериментальной проверке распределения температуры в зоне воздействия излучения оптического квантового генератора на металлы. Доклады АН СССР, т. 179, №1, 1968, с.68-71.

38. Вейко В.П., Юркевич Б.М. Подгонка частоты кварцевых резонаторов при помощи лазерного излучения. Л.: ЛДНТП, 1974, 32с.

39. Mogyorosi P., Szôrényi Т., Bali К., Tôth Zs., Hevesi I. Pulsed laser ablative deposition of thin metal films. Appl. Surf. Sci., v.36, 1989, p. 157.

40. Tôth Zs., Szôrényi T. Pulsed laser processing of Ge/Se thin film structures. Appl. Phys. A, v. 52, 1991, p.273-279.

41. Szôrényi T., Tôth Zs. Pulsed laser synthesis and printing of compound semiconductors (in book Laser Assisted Proceeding, Ed. by D.Laude, G.Rauscher). Proceedings of SPIE, v. 1022, 1989, p.93-96.

42. Adrian F.J., Bohandy J., Kim B.F., Jette A.N., Thompson P. J. Vac. Sci. Tech-nol., v.B5,No 5, 1987, p.1490.

43. Houle F.A., Jones C.R., Baum T. et al. Appl. Phys. Lett., v.46, 1985, p.204.

44. Bohandy J., Kim B.F., Adrian F.J., Jette A.N. Metal deposition at 532 nm using laser transfer technique. J. Appl.Phys., vol. 63, No 4, 1988, p. 1158-1162.

45. Kantor Z., Tóth Zs., Szorényi Т. Laser indused forward transfer: the effect of support film inrterface and film-to-substrate distance on transfer. Appl.Phys. A, v.54, 1992, p. 170.

46. Карпман И.М., Либенсон M.H., Яковлев Е.Б. Лазерная термолитография в производстве интегральных схем. Л.: ЛДНТП, 1981, 26 с.

47. Fogarassy Е., Fuchs С., Kerherve F., Hauchecorne G., Perriere J. Laser-induced forward transfer: A new approach for the deposition of high Те superconducting thin films. J. Matter. Res, vol. 4, No 5, 1989, p. 1082.

48. Piqué A., Chrisey D.B., Auyeung R.C.V. et al. A novel laser transfer process for direct writing of electronic and sensor materials. Applied Physics A., v.69, No 6, 1999.

49. Fitz-Gerald J.M., Piqué A., Chrisey D.B. et al. Laser direct writing of phosphors screens high-definition displays. Appl. Phys. Lett., v.76, No 11, 2000, p. 1386-1388.

50. Laude L.D., Wautelet M., Andrew R. Laser-indused synthesis of compaund-semiconducting films. Appl. Phys. A, v.40, 1980, p. 130-143.

51. Antoniadis С., Laude L.D., Pierrad P. Laser synthesis of germanium chalco-genid glasses. Energy beam-solid interaction and transient thermal processing. Les editions de Physique, 1985, p. 387-390.

52. Canivez V., Jadin A., Andrew R., Laude L.D., Wautelet M. Excimer laser effects on the Ge/Se sandwich films. Laser processing and diagnostics II. Les editions de Physique, 1986, p. 153-155.

53. Bali K., Szorenyi Т., Hevesi I. Pulsed and CW laser synthesis of III—IV and IV-V compound semiconducting films. Proc. Conf. Emp'87, Akademie Verlag, Berlin, 1987.

54. Toth Zs., Kantor Z., Mogyorosi P., Szorenyi T. Surface patterning by pulsed laser induced transfer of metals and compounds, Laser Assisted Processing II., Lucien D.Laude, Editor, Proceedings of SPIE, v. 1279, 1990, p. 150-157.

55. Вейко В.П., Кравцов А.Д., Яковлев Е.Б. Исследование возможности создания лазерной установки для вакуумного нанесения магнитных пленок. Отчет по НИР по теме № 79176, ЛИТМО, Л, 1982, 69 с.

56. Либенсон М.Н., Шандыбина Г.Д., Шахмин А.Л. Химический анализ продуктов лазерной абляции наносекундного диапазона. ЖТФ, т. 70, в. 9, 2000, с. 124-127.

57. Toth Z., Норр B.F., Szorenyi Т., Bor Z. Dynamics of excimer laser ablation of thin tungsten films as followed by ultrafast phtography. Appl. Phis. Let., v. 60, 1995, p. 431—436.

58. Гапонов C.B., Салащенко H.H. Вакуумное напыление пленок с помощью импульсных лазеров. Электронная промышленность, в. 1(49), 1978, с. 11 — 20.

59. Гапонов С.В. Столкновение низкотемпературной лазерной плазмы с конденсированной средой. Известия АН СССР, сер. физическая, т. 46, № 6, 1982, с. 1170-1176.

60. Zaleskas V.J., Коо J.C. Thin films machining by laser-induced explosion. Appl. Phys. Let., v. 31, No 9, 1977, p. 615-617.68