Введение к работе
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:
-
Проведением теоретического анализа процессов пиролитического осаждения пленок на подложки при указанном лазерном облучении с выявлением теплофизических и оптических факторов самоорганизации процесса осаждения.
-
Разработкой основных положений теории термомеханических процессов, протекающих в системе "атмосфера-пленка-подложка" при локальном воздействии наносекундного лазерного излучения.
-
Разработкой исследовательской установки лазерографического выращивания пленок и проведением экспериментальных исследований процессов нанесения пленочных металлических рисунков.
-
Разработкой основ безреакторной технологии формирования на подложках тонкопленочных рисунков из тугоплавких металлов, базирующейся на ис-
пользовании высокочастотного наносекундного лазерно-пиролитического осаг ждения (НЛПО) в условиях открытой атмосферы.
-
Разработкой технологических принципов использования термомеханических эффектов, возникающих под воздействием лазерного пучка, для кинетического и деформационного формообразования объемных микроструктур на подложках.
-
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 атмо
сферы, 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.
-
Разработана теоретическая модель процессов НЛПО тонких пленок, позволяющая производить оценочный расчет параметров, обеспечивающих заданные технологические характеристики, в том числе разрешение, производительность и т.п.
-
Создана исследовательская лазерографическая установка микротехнологии формирования оптоэлектронных структур, обеспечивающая проведение и исследование высокочастотного НЛПО пленочных рисунков в условиях открытой атмосферы и приповерхностной инертной среды.
-
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.
-
Предложены и исследованы принципы лазерного механического передвижения (переноса) микродеталей, что позволило разработать методику кинетического формообразования объемных микроструктур на подложках.
-
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 оптоэлёктронных 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 %.
-
Методы пластически-деформационного формообразования микроструктур на подложках в результате протекающих при наносекундном лазерном воздействии термомеханических процессов.
-
Лабораторные способы наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлёктронных структур локальным твердотельным термохимическим травлением поверхностей тугоплавких и химически стойких материален.
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 оптоэлёктронных структур на поверхно-
сти подложки в условиях открытой атмосферы, в том числе и в защитном слое инертного газа.
-
Теоретическая физическая модель наносекундного лазерно-пиролитического осаждения (НЛПО) пленок металлов на подложки, позволяющая оценочно рассчитывать основные параметры технологических процессов и осаждаемых структур.
-
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%.
-
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.
-
Теоретическая модель и технологические принципы использования локального твердофазного термохимического травления поверхностей тугоплавких и химически стойких материалов, таких как алмаз иди сапфир, обеспечивающие возможность их размерной обработки и микропрофилирования при изготовлении различных инструментов, в том числе и для целей микроэлектроники.
-
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.
