Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Импульсная лазерная абляция поверхности алмаза
1.1 Введение
1.2 Экспериментальная методика
1.3 Основные закономерности лазерной абляции алмазной поверхности .
1.4 Свойства лазерно-индуцированного графитоподобного слоя
1.5 Фотохимическое травление поверхности монокристалла алмаза.
1.6 Выводы
Глава 2. Лазерно-индуцированные фазовые переходы в кристалле алмаза
имплантированного легкими ионами.
2.1 Введение.
2.2 Свойства ионно-имплантированного слоя в алмазе
2.3 Методика эксперимента
2.4 Восстановление исходной кристаллической структуры и графитизация в дефектном слое алмаза.
2.5 Выводы
Глава 3, Разработка методов изготовления элементов силовой алмазной
дифракционной оптики для мощных СО2 лазеров.
3.1 Введение.
3.2 Принципы построения дифракционных оптических элементов .
3.3 Высокоточное лазерное микроструктурирование алмазной поверхности.
3.4 Исследование реализованных дифракционных линз и фокусаторов.
3.4.1 цилиндрическая линза
3.4.2 сферическая линза
2 3.4.3 фокусаторы гауссова пучка
3.5 Измерение лучевой стойкости алмазного ДОЭ
3.6 Создание антиотражающих субволновых структур на поверхности алмаза.
3.7 Выводы
Заключение
- Основные закономерности лазерной абляции алмазной поверхности
- Свойства ионно-имплантированного слоя в алмазе
- Принципы построения дифракционных оптических элементов
Введение к работе
Актуальность работы.
Интерес к изучению алмаза объясняется как уникальной комбинацией его механических, теплофнзических, оптических и электрических свойств, гак и непрерывным развитием новых методов получения синтетического алмаза, первые эксперименты по газофазному осаждению которого были проведены в 70-х годах прошлого столетия [1-3]. Более того, можно говорить, что в течении последнего десятилетия 20-го века наблюдался «алмазный» бум, когда казалось, что синтетический алмаз заменит многие и многие материалы, традиционно применяемые в электронике, оптике и многих других научно-технических областях. Несмотря на то, что за последние пять лет ажиотаж в этой области немного спал, алмаз уверенно продолжает захватывать все новые ниши своего практического использования. Совсем недавно реализованы режимы газофазного получения алмаза, обеспечивающие скорости роста пленок высокого оптического качества вплоть до 100 мкм/час [4]. На сегодняшний день усилия научного сообщества направлены главным образом на поиск и исследование контролируемых методов перестройки структуры алмаза, и как следствие модификации его свойств. Так, например, оказались успешными попытки получить алмаз с проводимостью я-типа путем диффузии дейтерия в поверхностный слой алмаза легированного бором и последующего термического отжига [5]. Учитывая, что методика получения алмаза с проводимостью р-типа путем легирования бором давно и хорошо изучена, последние достижения открывают путь к созданию алмазной электроники.
Еще одним путем к решению задачи модификации структуры и поверхностных свойств алмаза является использование мощного лазерного излучения для графитизации алмаза, который, как известно, является мстастабильной формой углерода. Особенность такого подхода заключается, по существу, в возможности локального импульсного воздействия на тонкий приповерхностный слой вещества или ограниченный объем, а также в высокой скорости протекания инициируемых процессов нагрева и последующего охлаждения модифицированного материала вследствие высокой теплопроводности алмаза. При этом, в отличие от термического нагрева в воздухе, на поверхности алмаза остается, не успев окислиться, тонкий графитоподобный слой [6], что меняет не только оптические и электрические [7], но и химические свойства поверхности, делая возможной, например, ее металлизацию [8]- Добавим также, что лазерная абляция является эффективным инструментом для микропрофилирования поверхности алмаза, и может быть использована в приложениях, требующих высокой точности обработки, например, при изготовлении алмазной ИК оптики [9JJJ, которому посвящена Глава 3 данной работы. Указанные возможности объясняют интерес к изучению механизмов лазерного травления и лазерно-индуцированных фазовых переходов в алмазе.
Состояние проблемы.
Круг изучаемых на сегодняшний день явлений, связанных с взаимодействием лазерного излучения и алмазом, включая как природные монокристаллы, так и пленки, полученные методом газофазного осаждения, достаточно широк. Прежде всего, это группа физических процессов, связанных с фотоэмиссией, фотовозбуждением, дрейфом рекомбинацией электронных носителей в алмазе. Получены достаточно обширные знания о временах рекомбинации, подвижностях и длинах пробега носителей заряда, квантовом выходе фотоэмиссии и т.д. Следует также отметить развитие методов КР спектроскопии для исследования структуры алмаза, появление работ по лазерно-плазменному синтезу алмазных пленок при атмосферном давлении [12], создание сверхбыстрых алмазных оптоэлсктронных
5 ключей [13] и пр.
Данная работа посвящена другой группе лазерно-индуцированных явлений и касается собственно лазерной абляции алмаза. Как уже отмечалось, особенностью этого процесса, наблюдаемого в широких диапазонах длин волн (от 193 нм до 10,6 мкм) и длительности лазерного импульса является структурная модификация (графитизация) поверхности алмаза. В работе [б] изучалось травление моно кристаллического алмаза наносекундными импульсами ArF эксимерного лазера (Х=193 пм, энергия кванта 6.4 эВ больше ширины запрещенной зоны алмаза 5.4 эВ) и была сделан вывод о двухступечатом травлении алмаза. Предполагается, что при интенсивном импульсном облучении алмазной поверхности одновременно происходят два процесса: во-первых, графитизация алмаза, а во-вторых - абляция графигоподобного слоя и, таким образом, продвижение его вглубь материала в каждом последующем импульсе. В наших экспериментах [14,15] было показано, что данная модель травления применима и при травлении алмазных пленок импульсным излучением с величиной энергии кванта существенно меньшей ширины запрещенной зоны алмаза (KrF лазер, hv=5 эВ; ХеС1 лазер, hv=4.u2 эВ; СОг лазер, hv=0.12 эВ).
В течение последних лет проведено значительное количество прикладных исследований по лазерной микрообработке алмаза [16-21]. В список этих работ необходимо включить изучение эффекта уменьшения поверхностной шероховатости газофазного алмаза при лазерном травлении, который был обнаружен в ИОФАН и естественным образом был предложен для быстрого предварительного выглаживания поверхности алмазных пленок [14]. Следует отметить, что механическая полировка алмазных пленок и особенно алмазных пластин больших размеров и толщиной в сотни микрон остается проблематичной и наиболее трудной стадией той или иной технологии с использованием газофазного алмаза. Это связано с тем, что поликристаллические зерна, из которых состоит алмазная пластина, имеют произвольную кристаллографическую ориентацию. Естественно, скорость механической полировки не превышает скорость самой твердой из возможных граней. Метод лазерной полировки оказался высокоскоростным и эффективным способом уменьшения поверхностной шероховатости пленок 120-31].
В процессе лазерной абляции происходит графитизация поверхностного слоя алмазной пленки, что кардинально меняет свойства поверхности. С этой точки зрения, вопрос о свойствах и структуре этого слоя имеет принципиальное значение. На электрические, кристаллографические, оптические свойства лазерно-модифицированной поверхности алмаза было обращено внимание в работе [21]. В некоторых работах по лазерной обработке поверхности сообщалось о положительном влиянии поверхностной графитизации на фрикционные свойства поверхности [24.26]. Наконец, так как при лазерной абляции поверхность алмаза становится проводящей, то изучение электрических свойств тонкого графитизированного слоя имеет большое значение для технологии формирования омического контакта к алмазу [21], а также для селективной металлизации пластин, при их использовании в качестве подложек интегральных схем [32-34]. Отметим, в ряде работ разработана интересная технология металлизации графитизировапных участков посредством химического (электрохимического) осаждения металлов [34-36]. Таким образом, актуальность и перспективность описанных задач, возникающих при исследовании процессов лазерно-стимулированных явлений в алмазе, показывает, что лазерные методы находят многообразные применения в вопросах синтеза и модификации алмазных пластин.
Целью работы являлось экспериментальное изучение процессов травления и структурной модификации алмаза под действием импульсного лазерного излучения, включая: измерение и анализ скоростей и энергетической эффективности абляции алмаза для различных лазерных источников с длительностью импульса в диапазоне от микро- до фемтосекунд, изучение механизма обнаруженного процесса наноабляции поверхности алмаза в воздухе при допороговых интенсивностях облучения, изучение величины толщины графитизированного слоя в зависимости от условий облучения и параметров лазерного излучения, в том числе исследование возможности графитизации поверхности алмаза при переходе к ультракоротким (фемтосекундным) лазерным импульсам, исследование комбинированного воздействия на структуру алмаза, в частности, изучение процессов, протекающих в алмазе, предварительно имплантированном легкими ионами при облучении его поверхности лазерными импульсами, разработка методов изготовления и исследование элементов силовой дифракционной алмазной оптики для управления пучками технологических лазеров ИК-диапазона.
Научная новизна работы определяется полученными результатами, которые являются новыми и оригинальными.
Практическая ценность работы. Логическим завершением экспериментов по сверхточной лазерной микрообработке поверхности алмаза стала демонстрация возможности применения абляции для изготовления алмазных дифракционных оптических элементов (ДОЭ)1. цилиндрической и сферических линз, фокусаторов гауссова пучка в сложные геометрические фигуры, субволновых антиотражающих решеток. Таким образом, впервые поставлена и решена задача синтеза дифракционных элементов проходной алмазной оптики для управления пучками мощных технологических С02 лазеров.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 5-ой Международной конференции «Применения алмазных пленок и родственных материалов» (Цукуба, Япония, 1999), 10-ой Европейской конференции «Алмаз, алмазоподобные материалы, нитриды и карбид силикона» (Прага, Чехия, 1999), Международной конференции Молодых ученых и специалистов «Оптика-99» (Санкт-Петербург, Россия, 1999), Международном симпозиуме «Промышленные лазеры и контроль» (Мюнхен, Германия, 1999), Тематической конференции «Дифракционная оптика 99» (Йена, Германия, 1999), Международной конференции «Алмаз 2000» (Порто, Португалия, 2000), IX Международной конференции «Лазерные микротехнологии)) (С-Петербург, Россия, 2000), V Международной конференции «Применение лазеров в микроэлектронной и оптоэлектрошюй промышленности» (Сан-Хосе, США, 2000), Международной конференции «Алмаз и родственные материалы» (Тайпей, Тайвань. 2000), Международной конференции «Алмаз 2002» (Гранада, Испания, 2002), Харьковской научной ассамблее (Харьков, Украина, 2003), Международной конференции «Передовые лазерные технологии - 04», (Рим, Италия, 2004), Международная конференции «Лазеры в производстве» (Мюнхен, Германия, 2005). Публикации.
Основные результаты диссертации изложены в 16 статьях, а также в трудах конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 145 страниц, включая 65 рисунков, 10 таблиц, и библиографию из 79 , в том числе 12 авторских публикаций.
Основные закономерности лазерной абляции алмазной поверхности
Способность перестраивать структуру под воздействием внешних воздействий является весьма важной особенностью алмаза, поскольку позволяет в принципе, при наличии подходящего инструмента, конструировать поверхность на наноуровне с заданными свойствами (кристаллической структурой, фазовым составом, электропроводностью). Особенность импульсного лазерною излучения заключается в возможности воздействия только на тонкие (приповерхностные) слои вещества, а также в возможности "заморозить" в результате быстрого охлаждения модифигщрованные слои алмаза. Указанные возможности объясняют интерес к фундаментальным аспектам взаимодействия лазерного излучения с алмазом. Первые эксперименты по микроструктурированию поверхности природного монокристалла алмаза лазерным излучением датируются 1965 годом и, надо отметить, что с тех пор проведено значительное количество прикладных исследований в этом направлении и накоплен большой экспериментальный материал. На сегодняшний день считается, что процесс лазерной абляции алмаза по аналогии с равновесным термическим нагревом имеет тепловой характер и протекает через промежуточную графитизацию при достижении температуры около 2000К в зоне облучения. Вместе с гем, в настоящее время пока нет ответов на целый ряд принципиальных вопросов, например, происходит ли графитизация поверхности при переходе к ультракоротким (фемтосекундиым) лазерным импульсам? Вплоть до начала проведения описываемых ниже экспериментальных исследований существовали спекуляции о возможности безграфитизационного травления поверхности алмаза при использовании сверхкоротких длительностей лазерных импульсов [37]. Как уже отмечалось достаточно много интересных работ опубликовано по изучению электрических и оптических свойств графитизированного слоя на поверхности алмаза, однако практически отсутствуют данные о толщине модифицированного слоя и влиянии на нее параметров лазерного излучения. Наконец, совершенно отсутствуют данные по экспериментальным исследованиям возможности графитизация алмаза в объеме образца. Эти аспекты рассматриваются в этой и, частично, следующей главах данной работы.
class2 Лазерно-индуцированные фазовые переходы в кристалле алмаза
имплантированного легкими ионами class2
Свойства ионно-имплантированного слоя в алмазе
В предыдущей главе был рассмотрен процесс графитизации поверхности алмаза под действием импульсного лазерного излучения. Настоящая глава посвящена не менее важному аспекту лазерного взаимодействия с алмазом: возможности изменять свойства заглубленного дефектного слоя в алмазе, полученного с помощью бомбардировки образца легкими ионами [54]. Данная возможность важна не только с практической точки зрения, но также потому, что дефектный слой представляет собой очень интересную систему для изучения фазовых переходов в алмазе.
Техника ионной имплантации, широко используемая для легирования алмаза и получения алмаз-графитовых гетероструктур для различных электрических и оптических приложений 154-56]. включает высокотемпературный отжиг непосредственно после имплантации, для того, чтобы удалить неизбежно возникающие радиационные повреждения или, наоборот, графитизовать поврежденный слой в объеме образца. В работах по стационарному отжигу алмаза, имплантированного легкими ионами [57-61]. установлено, что для каждого вида имплантанта существует своя, так называемая, критическая доза имплантации. При дозах имплантации ниже критической, достаточно длительный высокотемпературный отжиг приводит к «залечиванию» радиационных дефектов и восстановлению исходной структуры алмаза [58,59,62]. И, наоборот, при дозах имплантации выше критической, при стационарном отжиге неизбежно происходит графитизация заглубленного дефектного слоя [58.61.62,64]. Также в работах [64-66] была продемонстрирована возможность для восстановления структуры алмаза после имплантации ионами фосфора использовать облучение образцов лазерными импульсами наносекундиой длительности видимого диапазона спектра. Было показано, что в зависимости от параметров излучения лазерный нагрев может приводить как к восстановлению алмаза, так и к графитизации заглубленного слоя. Преимущества такого подхода состоят в том, что в отличие от традиционного термического отжига, лазерный нагрев позволяет модифицировать поврежденную легкими ионами структуру алмаза с очень высокой пространственной селективностью по пверхности, таким образом, создавая участки с диаметрально противоположными свойствами - от хорошо проводящих (графитизированных) до изолирующих (отожженных). Однако на данный момент существует достаточно мало экспериментальных данных, указывающих на отличия в процессах фазовых переходов при медленном термическом отжиге и быстром импульсном лазерном нагреве. Также, отсутствуют исследования этих процессов в алмазе имплантированных легкими ионами (водород, гелий, дейтерий).
class3 Разработка методов изготовления элементов силовой алмазной
дифракционной оптики для мощных СО2 лазеров class3
Принципы построения дифракционных оптических элементов
Данная глава посвящена разработке методов изготовления элементов силовой алмазной оптики для управления пучками технологических лазеров ИК-диапазона. Данная проблема лежит на пересечении двух интенсивно развивающихся направлений в области лазерных технологий.
Во-первых, это - синтез дифракционной оптики для лазеров, сфера применения которой весьма широка:
микроинтерферометры
безаберрационные объективы
контактные линзы и глазные хрусталики
научная оптика
лазерные медицинские установки ИК-диапазона
пространственные фильтры
матрицы микролинз
светоделители и преобразователи пучков
волоконно-оптические линии связи и пр.
Отметим, что современные методы компьютерного расчета дифракционных оптических элементов (ДОЭ) позволяют создавать элементы, обладающие возможностями, недостижимыми для элементов классической оптики (фокусировка в заданные области, формирование пучков с заданным модовым составом и многое другое).
Во-вторых, это- обработка поверхности сверхтвердых материалов. Прямое лазерное травление УФ излучением - один из наиболее перспективных методов микроструктурирования поверхности таких материалов. Во-первых, из-за высокого поглощения по сравнению с другими лазерами, эксимерные лазеры показывают самый низкий порог травления и одновременно высокие скорости удаления материала. Во вторых, малая длина волны излучения дает возможность реализовать высокое пространственное разрешение. В-третьих, равномерное распределение интенсивности в пучке эксимерного лазера позволяет применять проекционные технологии, следовательно, контролировать форму пятна облучения и распределение интенсивности в нем. Отметим, что УФ излучение широко применяется и обеспечивает высокое пространственное разрешение в литографических методах микрообработки поверхности. Данные методы, однако, подразумеваю! последующее применение химического или плазмохимического травление, что, во-первых, на сегодняшний день не всегда (в частности, для такого химически инертного материала, как алмаз) обеспечивает эффективное травление, и, во-вторых, затрудняет получение сложных структур с меняющейся глубиной по обрабатываемой поверхности. Прямое селективное лазерное травление свободно от этих недостатков, что позволило нам успешно применить его для формирования фазового рельефа дифракционных оптических элементов на основе синтетических алмазных пластин.
