Anwendungen der Laserinterferenzverarbeitung (2)

Strukturierung von einschichtigen und mehrschichtigen metallischen Schichten

In letzter Zeit wurden Laserinterferenztechniken für die periodische Strukturierung von metallischen Dünnfilmoberflächen mit großer Reichweite angewendet. Die Interferenztechnik bietet ein großes Potenzial für die Mikrobearbeitung und Mikronanostrukturierung dünner Filme für Anwendungen in der Mikroelektronik und Mikromechanik. Es wurden umfangreiche Studien zur Wechselwirkung von Laserinterferenzmustern mit Einschicht- und Mehrschichtfolien durchgeführt. Verschiedene Phänomene während solcher Wechselwirkungen umfassen inhomogenes Schmelzen, Phasenumwandlungen, intermetallische Reaktionen usw.

Strukturierung von Monoschichten

Wenn ein Laserinterferenzmuster mit modulierter Energieverteilung auf die Oberfläche eines Films gestrahlt wird, kann die absorbierte Energie das räumliche Erwärmen, Schmelzen und Verdampfen des Films abhängig von den Energieschwellen für verschiedene Effekte verursachen. In den meisten Fällen verwenden Laserstrukturierungsanwendungen für dünne Filme ausreichend hohe Laserenergien, um das Schmelzen der Filme zu induzieren. Aufgrund der schlechten Leitfähigkeit der darunter liegenden Substrate ist der größte Teil der absorbierten Laserenergie in der dünnen Schicht eingeschlossen, was im Vergleich zur Laserpulszeit eine wesentlich längere Schmelzdauer zur Folge hat. Die längeren Schmelzzeiten führen zu physikalischen Prozessen wie dem hydrodynamischen Schmelzfluss, der für die physikalische Texturierung der Oberflächen verantwortlich ist. Abbildung 11.15 zeigt die typischen periodischen Strukturen, die durch Zwei-Strahl- und Vier-Strahl-Interferenzmuster erhalten werden, die auf einschichtige (18 nm dicke) Goldschichten auf Glassubstraten bestrahlt werden. Die Bildung solcher periodischen topographischen periodischen Merkmale ist auf die Umverteilung des geschmolzenen Filmmaterials in den „heißen“ und „kalten“ Regionen auf der Oberfläche zurückzuführen (Kaganovskii et al. 2006).

Die Filmdicke spielt eine wichtige Rolle bei der Beeinflussung der Bildung periodischer Oberflächenstrukturen während der Interferenzverarbeitung. Für den Fall von sehr dünnen (Dicke < 17 nm) Goldfilmen auf Glassubstraten wurde beobachtet, dass in den heißen Bereichen eine Perlenbildung (Entnetzung) des geschmolzenen Films stattfindet, gefolgt von der Bewegung der Perlen in Richtung kalter Regionen. Für dicke Filme (Dicke > 17 nm)

Abb. 11.13 TEM-Aufnahmen von laserkristallisierten Linien von SiGe-Filmen, die bei zwei verschiedenen Temperaturen kristallisiert wurden: (a) 25 ° C und (b) 740 ° C. (Nachdruck aus Eisele et al. 2003. Mit Erlaubnis. Copyright Elsevier.) Ein vollständiger hydrodynamischer Fluss von geschmolzenem Filmmaterial (anstelle von Entwässerung) führt zu einer klar definierten hohen und engen periodischen Struktur. Außerdem bestimmt die Filmdicke die Laserintensitätsschwelle (d. H. Die Leistungsdichte), die erforderlich ist, um die morphologischen Änderungen und die Herstellung periodischer Strukturen zu induzieren. Abbildung 11.16 zeigt, dass bei Filmdicken im Bereich von 5–15 nm die Schwellenintensität mit der Filmdicke abnimmt. Bei Schichtdicken über 15 nm steigt dagegen die Schwellenintensität mit der Schichtdicke (Kaganovskii et al. 2006).

Abb. 11.14 AFM-Aufnahme eines SiGe-Films, der unter Verwendung von Laserinterferenzkristallisationskristallisation (SLIC) kristallisiert wurde. Selektives Plasmaätzen wurde angewendet, um Korngrenzen sichtbar zu machen. (Nachdruck von Eisele et al. 2003. Mit Genehmigung. Copyright Elsevier.)

Abb. 11.15 Periodische Strukturen, die auf einem 18 nm dicken Goldfilm durch (a) Zweistrahllaserinterfer et al. 2006. Mit freundlicher Genehmigung. Copyright American Institute of Physics.)

Strukturierung metallischer Mehrschichtfilme

Die meisten Arbeiten auf dem Gebiet der Laserinterferenzverarbeitung von Mehrschichtfolien werden von Prof. Mücklich und seiner Forschungsgruppe in Deutschland durchgeführt. Die Kombinationen einer Vielzahl von metallischen Materialien wurden verwendet, um die Doppelschicht- und Dreilagenfilme auf Glassubstraten herzustellen, die anschließend mit dem Laser bestrahlt wurden

Abb. 11.16 Variation der berechneten Schwellenintensität, die erforderlich ist, um morphologische Änderungen und die Bildung einer periodischen Struktur im 18-nm-Goldfilm durch Laserinterferenzverarbeitung zu erzeugen. Die mit 1, 2, 3 und 4 bezeichneten Kurven entsprechen der Periodizität von 2, 3,5, 5 und 10 nm. Die in der Figur gezeigten experimentellen Punkte wurden für die Periodizität von 5 nm erhalten. (Nachdruck von Kaganovskii et al. 2006. Mit Genehmigung. Copyright American Institute of Physics.) Interferenzmuster. Im Gegensatz zu Einschichtfolien weisen die Mehrschichtfolien aufgrund der unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften der Metallbestandteile und der entsprechend unterschiedlichen Reaktionen auf die Laserbestrahlung eine zusätzliche Komplexität auf.

Für die Mehrschichtfolien mit einem Material mit hohem Schmelzpunkt in der Deckschicht wurden in Abhängigkeit von der Laserenergiefluenz drei unterschiedliche Morphologien der Interferenzstrukturen beobachtet. Zu den verschiedenen für die Interferenz untersuchten Systemen gehörten Fe-Al-Glas, Fe-Ni-Glas, Ti-Al-Glas und Ti-Ni-Glas. Oberhalb einer bestimmten Laserfluenz F ist die absorbierte Laserenergie ausreichend, um das Schmelzen der unteren Schicht zu bewirken, die aus dem niedrigschmelzenden Material besteht. Das Schmelzen der unteren Schicht übt den Druck auf die ungeschmolzene obere Schicht (bestehend aus einem hohen Schmelzpunkt) aus, was zur Verformung der oberen Schicht führt. Die Verformungen der Deckschicht nach außen erscheinen als periodisches Muster auf der Oberfläche der Folie. Der Mechanismus ist schematisch in Abb. 11.17 dargestellt, wobei A die oberste Schicht aus Material mit höherem Schmelzpunkt und B die unterste Schicht aus Material mit niedrigerem Schmelzpunkt darstellt. Wird die Laserfluenz über F hinaus erhöht, so schmilzt das B

Abb. 11.17 Schematische Darstellung der Entstehungsmechanismen verschiedener Oberflächenmorphologien während der Laserinterferenzbearbeitung von zweischichtigen Filmen mit Material mit höherem Schmelzpunkt (A) in der oberen Schicht und Material mit niedrigerem Schmelzpunkt (B) in der unteren Schicht: (a) Bestrahlen der Oberfläche mit der modulierten Intensitätsverteilung im Interferenzmuster, (b) Verformung der oberen Schicht, hervorgerufen durch Schmelzen der unteren Schicht, (c) Brechen der Deckschicht, (d) periodisches Muster, wenn der Materialabtrag eingeleitet wird, und (e) periodisches Muster bei großem Laserfluenzwert. (Nachdruck aus Lasagni und Mucklich 2005b. Mit Genehmigung. Copyright Elsevier.)

Schicht setzt sich fort, bis der Schmelzpunkt von A erreicht ist. Schließlich löst sich Schicht A auf, was zum Auswurf des Materials führt. Dies entspricht der Laserfluenz, mit der der Materialabtrag eingeleitet wird. Die Entfernung des Materials am Interferenzpeak führt zu einer Vertiefung zwischen zwei aufeinander folgenden Peaks in der Oberflächenstruktur des Films. Eine weitere Erhöhung der Laserfluenz über F hinaus führt zu einem erhöhten Materialabtrag mit zunehmender Tiefe der Vertiefung an den Interferenzmaxima, was zu einer wohldefinierten periodischen Struktur führt. Diese Mechanismen wurden durch die experimentelle Beobachtung der Oberflächenstrukturen von mit Laserinterferenzmustern bestrahlten Bimetallfilmen bei verschiedenen Fluenzen bestätigt. Abbildung 11.18 zeigt die Oberflächentopographien und Seitenprofile für Fe-Ni-Glas-Systeme, für die Fand F 151 bzw. 201 mJ / cm2 entspricht (Lasagni und Mucklich 2005a, b).

Umfangreiche thermische Modellierungsbemühungen wurden durchgeführt, um das Schmelzverhalten der verschiedenen Schichten in mehrschichtigen Dünnfilmen zu verstehen, die aus zwei verschiedenen konstituierenden Metallen bestehen. Diese thermischen Modellierungsbemühungen basierten auf Wärmeübertragungsgleichungen ähnlich zu Gl. (11.4). Abbildung 11.19 zeigt ein solches Modellierungsergebnis basierend auf der Finite-Elemente-Analyse für den mit Laserinterferenzmuster bestrahlten Ni-Al-Mehrschichtfilm. Die Schichtdicken der einzelnen Al- und Ni-Schichten betrugen 20 bzw. 30,3 nm und der Film wurde mit einem gütegeschalteten Nd: YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm bestrahlt. Die Figur zeigt an, dass eine bedeutende Menge Aluminium in den oberen Schichten der Folie schmilzt und die Verzerrung der Nickelschichten verursacht. Das deutliche Schmelzen entsprechender Nickelschichten erfordert

Abb. 11.18 Verschiedene Oberflächentopographien und vertikale Profile von Oberflächenstrukturen in mit Laserinterferenzmustern bestrahlten Fe-Ni-Glas-Filmen.

höhere Laserfluenz aufgrund eines höheren Schmelzpunkts von Nickel als des von Aluminium. Darüber hinaus ist die periodische Strukturierung von mehrschichtigen Filmen mit dem Laserinterferenzmuster mit den Änderungen der Spannung und der Texturverteilung abhängig von den thermischen Bedingungen während der Laser-Material-Wechselwirkungen verbunden (Daniel et al. 2004).