Введение к работе
Актуальность. В настоящее время существует потребность в изготовлении микро - и нано - структур различного функционального назначения. Одним их базовых технологических процессов их изготовления является фотолитография. Существует ряд приложений, специфика которых не позволяет считать традиционные технологии получения фотошаблонов экономически целесообразными. Такая ситуация складывается в случае, когда требуется изготовить широкую номенклатуру элементов при штучном или мелкосерийном производстве, например при изготовлении уникальных дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Можно заключить, что в производственной практике возникают ситуации, когда использование традиционных для микроэлектроники технологий, таких как электронная или ионная литография не является целесообразным.
Известен ряд методов формирования топологического изображения непосредственно в слое рабочего материала, без использования фоторезистов. Они основаны на локальной обработке материала лазерным излучением (ЛИ), что позволяет снизить себестоимость изготовления микроструктур произвольной конфигурации. Их можно разделить на термофизические (рекристаллизация или прямое испарение вещества) и термохимические (окисление) методы. С точки зрения возможности увеличения разрешающей способности более предпочтителен метод локального термохимического окисления. Этот метод формирования микроструктур основан на локальном окислении тонких пленок хрома под действием лазерного излучения. Последующее жидкостное травление образца приводит к формированию микрорельефа. За счет существенного различия скоростей травления хрома и его окисных форм.
Ключевой вклад в теоретическое и экспериментальное обоснование метода локального химического окисления пленок хрома внесли Либенсон М.Н., Вейко В.П. (Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики»), Полещук А.Г. и др. (учреждение Российской академии наук институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН).
Использование перспективных, с точки зрения повышения разрешающей способности, тонких пленок (<50 нм), вызывает необходимость более подробного исследования процессов окисления хрома, в частности, учета влияния структуры пленки хрома и роли растворенного кислорода.
Известные теоретические подходы к анализу кинетики термохимического окисления хорошо описывают процессы в относительно толстых (>150 нм) пленках и базируются на следующих общих основных предположениях:
Материал пленки хрома и оксидной пленки считается однородным.
Основным фактором, лимитирующим окисление, является диффузия атмосферного кислорода в пленку хрома.
В связи с этим, актуальным явятся решение комплекса научно-технических задач, направленных на повышение предельной разрешающей способности технологии локального термохимического окисления тонких пленок хрома, под действием лазерного излучения.
Целью диссертационной работы является разработка метода повышения разрешающей способности локального термохимического окисления тонких пленок хрома на основе теоретического и экспериментального исследования влияния параметров микроструктуры пленок хрома и растворенного в них кислорода. Для достижения поставленной в работе цели были поставлены следующие задачи:
Провести сравнительный анализ традиционных методов и метода локального термохимического окисления пленок хрома для изготовления бинарных металлизированных шаблонов.
Разработать физико-математическую модель процесса термохимического окисления пленки хрома, стимулированного лазерным излучением, учитывающую параметры микроструктуры и влияние растворенного кислорода и провести численное моделирование процессов в зоне нагрева.
Провести натурные эксперименты с целью установления влияния параметров пленки хрома (толщины и характерного размера кристаллитов) и режимов лазерной записи на разрешающую способность метода термохимического окисления.
Разработать и обосновать рекомендации по выбору параметров пленок хрома и режимов лазерной записи для изготовления металлизированных шаблонов
доэ.
Методы исследования:
Для решения поставленных задач в работе бьши использованы экспериментальные
методы атомно-силовой микроскопии, электронной растровой микроскопии,
электронной микроскопии высокого разрешения, спектрометрии и теоретические
положения физической химии, термодинамики, молекулярной физики.
Научная новизна работы:
Разработана модель процесса термохимического окисления пленок хрома под воздействием лазерного излучения, учитывающая негомогенность (кристалличность) пленки, что позволило смоделировать процессы в тонких (<100 нм) пленках. Установлено, что окисление материала тонких пленок преимущественно идет по границам кристаллитов, кислородом, растворенным в материале пленки, от границы хром-подложка.
Экспериментально получены количественные данные о параметрах микроструктуры пленок хрома (характерный размер кристаллитов, соотношение аморфной и кристаллической фаз) и их влиянии на разрешающую способность метода локального термохимического окисления. Показано, что аморфные пленки обладают лучшей чувствительностью на рабочей длине волны (488нм) и обеспечивают лучшую разрешающую способность.
Обоснованы требования к параметрам пленок хрома, используемых при лазерной записи. Экспериментально показано, что при использовании аморфных пленок толщиной 30-50 нм, на установке CLWS 200S (ИСОИ РАН, г. Самара) достижимо разрешение 0,5 мкм.
Практическая ценность работы:
Разработана методика, позволяющая расчетным путем определить разрешающую способность метода термохимического окисления при изготовлении металлизированных шаблонов по известным параметрам пленки хрома и режимах лазерной записи.
Разработаны рекомендации по выбору параметров пленок хрома, используемых при лазерной записи. Показано, что для получения структур с минимальными размерами необходимо использовать аморфные пленки хрома минимальной толщины, обеспечивающей сплошность и однородность пленки.
Результаты, полученные в диссертационной работе, позволяют уменьшить минимальную ширину записываемого трека (на станции CLWS 200S) с 0,8 до 0,5 мкм.
На защиту выносятся:
Физико-математическая модель метода термохимического окисления тонких пленок хрома под действием лазерного излучения, учитывающая не гомогенность пленки и базирующаяся на следующих основных положениях: окисление преимущественно идет по границам кристаллитов, кислородом, растворенным в пленке хрома, от границы хром-подложка.
Метод определения разрешающей способности технологии термохимического окисления пленок хрома по экспериментально полученным параметрам микроструктуры пленки и параметрам лазерного излучения.
Результаты экспериментальных исследований зависимости разрешающей способности технологии термохимического окисления пленок хрома под действием лазерного излучения от характерного размера кристаллитов и соотношения кристаллической и аморфной фаз.
Достоверность полученных и представленных в работе результатов подтверждается использованием апробированных и обоснованных методов, теоретических представлений, согласием экспериментальных результатов, полученных независимыми методами исследований, работоспособностью используемых установок и разработанных методик, а также общим согласием с результатами других исследователей. Апробация работы. Основные результаты докладывались на всероссийских и международных конференциях и семинарах, в том числе: на четвёртой международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики-2006", Санкт - Петербург; Харьковская нанотехнологическая ассамблея - 2007; конференции «Лазеры. Измерения. Оптика». СПб, политехнический университет, 2007; конференции «МеталлДеформ 2009», Самара; семинарах в лаборатории дифракционной оптики ИАиЭ СО РАН (2008, 2009, 2010гг) и на каф. лазерных технологий ИТМО (2010 г.), ИОФ РАН им. Прохорова (2010 г.), международной конференции АРСОМ 2011. Публикации по теме диссертации:
Всего по результатам диссертации опубликовано 20 работ, из них 4 статьи в изданиях, определенных ВАК России и 16 публикаций в материалах конференций. Структура и объем работы:
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 80 наименований. Работа изложена на 118 листах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 14 таблиц.
