Zastosowania przetwarzania zakłóceń laserowych (2)

Strukturyzacja jednowarstwowych i wielowarstwowych folii metalowych

Ostatnio zastosowano techniki interferencji laserowej do długotrwałego modelowania okresowego cienkich warstw metalicznych powierzchni. Technika interferencji oferuje ogromny potencjał mikromaszynowania i mikronanostrukturyzacji cienkich warstw do zastosowań w mikroelektronice i mikromechanice. Przeprowadzono szeroko zakrojone badania nad interakcją wzorców interferencji laserowej z foliami jednowarstwowymi i wielowarstwowymi. Różne zjawiska podczas takich interakcji obejmują niejednorodne topienie, przemiany fazowe, reakcje międzymetaliczne itp.

Structure of Monolayer Films

Gdy wzór interferencji laserowej z modulowanym rozkładem energii jest napromieniowywany na powierzchni filmu, pochłonięta energia może powodować przestrzenne ogrzewanie, topienie i odparowywanie folii w zależności od progów energetycznych dla różnych efektów. W większości przypadków zastosowania strukturowania laserowego dla cienkich folii wykorzystują wystarczająco wysokie energie lasera, aby wywołać topnienie folii. Ze względu na słabą przewodność leżących pod spodem substratów, większość pochłoniętej energii lasera jest ograniczona do cienkiej warstwy, co powoduje znacznie dłuższy czas trwania topnienia w porównaniu z czasem impulsu laserowego. Dłuższy czas trwania topnienia prowadzi do procesów fizycznych, takich jak hydrodynamiczny przepływ stopu odpowiedzialny za fizyczne teksturowanie powierzchni. Rysunek 11.15 przedstawia typowe struktury okresowe uzyskiwane za pomocą dwukierunkowych i czteropasmowych wzorów interferencyjnych napromieniowanych na jednowarstwowych (grubość 18 nm) złotych warstwach osadzonych na podłożach szklanych. Tworzenie takich okresowych cech topograficznych wynika z redystrybucji roztopionego materiału filmowego w „gorących” i „zimnych” regionach na powierzchni (Kaganovskii i in. 2006).

Grubość folii odgrywa ważną rolę w kształtowaniu okresowych struktur powierzchni podczas przetwarzania zakłóceń. W przypadku bardzo cienkich (grubość <17 nm) złotych warstw na szklanych podłożach zaobserwowano, że perełkowanie (odwadnianie) stopionej folii zachodzi w gorących obszarach, po których następuje ruch kulek w kierunku zimnych obszarów. Jednak w przypadku grubych folii (grubość> 17 nm),

Rys. 11.13 Obrazy TEM skrystalizowanych laserowo linii folii SiGe krystalizowanych w dwóch różnych temperaturach: (a) 25 ° C i (b) 740 ° C. (Przedruk z Eisele et al. 2003. Za zgodą. Copyright Elsevier.) Całkowity hydrodynamiczny przepływ stopionego materiału foliowego (zamiast odwadniania) daje dobrze określoną wysoką i wąską strukturę okresową. Ponadto grubość warstwy określa progową intensywność lasera (tj. Gęstość mocy) wymaganą do indukowania zmian morfologicznych i wytwarzania okresowych struktur. Rysunek 11.16 pokazuje, że dla grubości filmu w zakresie 5–15 nm intensywność progu zmniejsza się wraz z grubością folii; podczas gdy dla grubości folii powyżej 15 nm intensywność progu wzrasta wraz z grubością folii (Kaganovskii et al. 2006).

Rys. 11.14 Obraz AFM folii SiGe skrystalizowanej za pomocą krystalizacji z interferencją laserową (SLIC). Zastosowano selektywne trawienie plazmowe do wizualizacji granic ziaren. (Przedruk z Eisele i in. 2003. Za zgodą. Copyright Elsevier.)

Rys. 11.15 Układy okresowe wytwarzane na warstewce złota o grubości 18 nm przez (a) dwuwiązkowy laserowy interfer i in. 2006. Za zgodą. Copyright American Institute of Physics.)

Strukturyzacja wielowarstwowych folii metalowych

Większość prac w dziedzinie przetwarzania interferencji laserowej folii wielowarstwowych prowadzi prof. Mücklich i jego grupa badawcza w Niemczech. Kombinacje różnych materiałów metalowych wykorzystano do wytworzenia dwuwarstwowych i trójwarstwowych folii na szklanych podłożach, które następnie napromieniowano laserem

Rys. 11.16 Zmiana obliczonej intensywności progu wymagana do wytworzenia zmian morfologicznych i tworzenia okresowej struktury w 18-milimetrowej warstwie złota za pomocą przetwarzania interferencji laserowej. Krzywe oznaczone 1, 2, 3 i 4 odpowiadają okresowości odpowiednio 2, 3,5, 5 i 10 nm. Punkty doświadczalne pokazane na rysunku otrzymano dla okresowości 5 nm. (Przedruk z Kaganovskii et al. 2006. Zezwolenie. Copyright American Institute of Physics.) Wzorce interferencji. W przeciwieństwie do folii jednowarstwowych, folie wielowarstwowe wykazują dodatkową złożoność ze względu na różnice właściwości termofizycznych metali składowych i odpowiednio różne odpowiedzi na promieniowanie laserowe.

W przypadku folii wielowarstwowych z materiałem o wysokiej temperaturze topnienia w górnej warstwie zaobserwowano trzy różne morfologie struktur interferencyjnych w zależności od fluencji energii lasera. Różne systemy badane pod kątem zakłóceń obejmowały szkło Fe – Al – szkło, Fe – Ni – szkło, Ti – Al – szkło oraz Ti – Ni – szkło. Powyżej pewnej fluencji lasera, F, pochłonięta energia lasera wystarcza do spowodowania stopienia dolnej warstwy, która składa się z materiału o niskiej temperaturze topnienia. Topienie dolnej warstwy wywiera nacisk na niestopioną górną warstwę (złożoną z wysokiej temperatury topnienia), co powoduje odkształcenie górnej warstwy. Zewnętrzne odkształcenia górnej warstwy pojawiają się jako okresowy wzór na powierzchni folii. Mechanizm jest schematycznie przedstawiony na Fig. 11.17, gdzie A oznacza górną warstwę materiału o wyższej temperaturze topnienia, a B oznacza dolną warstwę materiału o niższej temperaturze topnienia. Jeśli fluencja lasera jest dalej zwiększona poza F, topnienie B

Rys. 11.17 Schemat mechanizmów powstawania różnych morfologii powierzchni podczas przetwarzania interferencji laserowej folii dwuwarstwowych z materiałem o wyższej temperaturze topnienia (A) w górnej warstwie i materiałem o niższej temperaturze topnienia (B) w warstwie dolnej: napromieniowanie powierzchni modulowanym rozkładem intensywności we wzorze interferencyjnym, (b) odkształcenie górnej warstwy wywołane przez topienie dolnej warstwy, (c) rozbicie górnej warstwy, (d) okresowy wzór po rozpoczęciu usuwania materiału, i (e) okresowy wzór przy dużej wartości fluencji lasera. (Przedruk z Lasagni i Mucklich 2005b. Za zgodą. Copyright Elsevier.)

warstwa jest kontynuowana aż do osiągnięcia temperatury topnienia A. Ostatecznie warstwa A rozpada się powodując wyrzucenie materiału. Odpowiada to fluencji lasera, która rozpoczyna usuwanie materiału. Usunięcie materiału przy piku interferencji powoduje obniżenie między dwoma kolejnymi pikami w strukturze powierzchni folii. Dalszy wzrost fluencji lasera poza F powoduje zwiększone usuwanie materiału wraz ze wzrostem głębokości podciśnienia przy maksimach interferencji, co skutkuje dobrze zdefiniowaną strukturą okresową. Mechanizmy te zostały potwierdzone przez eksperymentalną obserwację struktur powierzchniowych folii bimetalowych napromieniowanych laserowymi wzorami interferencji przy różnych fluktuacjach. Rysunek 11.18 przedstawia topografie powierzchni i profile boczne dla systemu Fe – Ni – glas, dla których Fand F odpowiada 151 i 201 mJ / cm2 szacunkowi (Lasagni i Mucklich 2005a, b).

Przeprowadzono szeroko zakrojone próby modelowania termicznego w celu zrozumienia zachowania się topnienia różnych warstw w wielowarstwowych cienkich warstwach złożonych z dwóch różnych metali składowych. Te próby modelowania termicznego opierały się na równaniach wymiany ciepła podobnych do równania. (11.4). Rysunek 11.19 przedstawia jeden taki wynik modelowania oparty na analizie elementów skończonych dla wielowarstwowej folii Ni-Al napromieniowanej laserowym wzorem interferencyjnym. Grubości warstw poszczególnych warstw Al i Ni wynosiły odpowiednio 20 i 30,3 nm, a folię naświetlano laserem Nd: YAG z przełączaniem Q o długości fali 355 nm. Figura wskazuje, że znaczna ilość aluminium topi się w górnych warstwach folii, powodując odkształcenie warstw niklu. Wymaga to znacznego stopienia odpowiednich warstw niklu

Rys. 11.18 Różne topografie powierzchni i pionowe profile struktur powierzchniowych w foliach Fe-Ni – szkło napromieniowanych laserowymi wzorami interferencji.

większa fluencja lasera dzięki wyższej temperaturze topnienia niklu niż aluminium. Co więcej, okresowa struktura wielowarstwowych folii ze wzorem interferencji lasera jest związana ze zmianami w naprężeniu i rozkładzie tekstury w zależności od warunków termicznych panujących podczas interakcji laser-materiał (Daniel i in. 2004).