ОПТОТЕХНИКА И ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 536:621.37
ВЛИЯНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК ХРОМА
НА РАЗРЕШАЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНОГО
ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ, СТИМУЛИРОВАННОГО
ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
А.Н. Агафонов
(Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева)
Научный руководитель – д.т.н., профессор А.В. Волков
(Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева)
В настоящее время существует возрастающая 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). Известен ряд методов формирования
топологического изображения непосредственно в слое рабочего материала, без
использования фоторезистов. Они основаны на локальной обработке материала лазерным
излучением, что позволяет снизить себестоимость изготовления микроструктур
произвольной конфигурации. Одним из наиболее перспективных методов прямой записи
является локальное термохимическое окисление пленок хрома под действием лазерного
излучения. 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.
Известные теоретические подходы к анализу кинетики термохимического окисления,
стимулированного лазерным излучением, хорошо описывают процессы в относительно
толстых (>150 нм) пленках и базируются на следующих общих основных предположениях:
1. Материал пленки хрома и оксидной пленки считается однородным.
2. Основным фактором, лимитирующим окисление, является диффузия атмосферного
кислорода в пленку хрома.
Использование перспективных, с точки зрения повышения разрешающей способности,
тонких пленок хрома (<50 нм), вызывает необходимость более подробного исследования
процессов окисления, в частности, учета влияния структуры пленки хрома и роли
растворенного в ней кислорода.
Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное исследование
влияния параметров микроструктуры пленок хрома и растворенного в них кислорода на
разрешающую способность технологии термохимического окисления.
Для теоретического описания процессов окисления различных по структуре пленок
хрома была использована разработанная автором физико-математическая модель.
Новизна предложенной модели заключается в следующем:
1. Пленка считается неоднородной, выделяются отдельные кристаллиты.
2. Считается, что окисление идет как атмосферным кислородом, так и кислородом,
растворенным в пленке хрома.
3. Для описания физико-химических процессов проходящих в системе, использован
метод вероятностного клеточного автомата (ВКА).
3
Применение метода ВКА для моделирования физико-химических процессов в пленке
хрома позволило учесть влияние структуры пленки хрома на процессы окисления под
действием лазерного излучения.
Был проведен ряд численных экспериментов, направленных на выяснение влияния
структуры пленки хрома на процессы ее окисления, стимулированного лазерным
излучением. Для этого было проведено три серии вычислений, в которых моделировалось
окисление пленок с различным характерным размером кристаллитов – 10 нм, 15 нм и 25 нм.
Для проверки адекватности предложенной физико-математической модели был
проведен ряд натурных экспериментов по исследованию микроструктуры пленок хрома и ее
влияния на результаты лазерной записи.
Для исследования микроструктуры пленок хрома были использованы методы
рентгеновской дифрактометрии, измерения проводились на дифрактометре Buncker D8
методами скользящего падающего луча и на отражение, а также методы просвечивающей
электронной микроскопии высокого разрешения, на электронном микроскопе JEM-2010.
Полученные результаты позволили определить характерный размер кристаллита в пленках,
используемых для записи, с точностью до единиц нанометров.
Локальный анализ элементного состава образцов проводили с использованием энерго-
дисперсионного EDAX спектрометра «Phoenix» с Si(Li) детектором и разрешением по
энергии не более 130 эВ. Для различных образцов количество кислорода составило величину
от 6% до 20%. Однако, данный эксперимент не позволил получить сведения о том, какая
доля кислорода находится в связанном состоянии (в оксидах хрома).
Тестовые структуры были записаны на пленках хрома с различным характерным
размером кристаллита (квазиаморфная пленка, 15 нм, 25 нм). Напыление пленок хрома
производилось термовакуумным методом при различной температуре подложек.
Для исследования влияния структуры пленки хрома на кинетику термохимического
окисления на каждую подложку на станции лазерной записи CLWS 200 была записана
тестовая структура, состоящая из 200 кольцевых треков максимальным диаметром 4 мм.
Мощность при записи изменялась от максимальной (700 мВт) на внешнем треке до 0 на
внутреннем с шагом в 0,5%, диаметр записывающего пятна d=0,8 мкм, период структуры
3 мкм.
Были проведены СЗМ исследования образцов как после лазерной записи скрытого
изображения в пленке хрома, так и после химического травления (СЗМ Solver Pro, режим
атомно-силовой микроскопии).
Анализ полученных результатов позволил сделать вывод о том, что окисление
преимущественно идет по границам кристаллитов, а не по всему объему пленки, причем
окисление идет растворенным в пленке кислородом. Полученные результаты позволяют
сделать вывод об адекватности, предложенной физико-математической модели.
Таким образом, в ходе проделанной работы были получены следующие основные
результаты:
1. Предложена и экспериментально подтверждена новая модель термохимического
окисления пленок хрома толщиной 20–150 нм под действием лазерного излучения,
учитывающая неоднородность пленки хрома.
2. Впервые установлено, что основное влияние на профиль полученного микрорельефа
для пленок хрома толщиной <50 нм оказывает окисление границ кристаллитов, а не
объема материала.
3. Впервые теоретически обоснована перспективность использования квазиаморфных
пленок хрома для увеличения разрешающей способности, в т.ч. для записи структур с
характерным размером меньше диаметра записывающего луча.
4
|
