СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОПРОФИЛЬНОЙ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 1998 года по МПК C23C14/04 

Изобретение относится к области физики взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, преимущественно в исследованиях процессов развития неустойчивостей в лазерной плазме в термоядерном управляемом синтезе, включая лазерный, и может быть использовано при изготовлении плоских мишеней, в которых по крайней мере одна поверхность должна иметь заданным образом организованные микронеровности, в том числе периодически чередующиеся гребни, имеющие в сечении синусоидальный профиль.

В современной микроэлектронике для создания пленок-дорожек с заданной конфигурацией на подложке применяется способ избирательного фотохимического травления (Данилин Б. С. Вакуумное нанесение тонких пленок. -М., 1967, с. 56), который включает следующие операции: напыление пленки олова на всю поверхность подложки; покрытие всей пленки олова фоторезистом; экспонирование в ультрафиолетовых лучах через фотошаблон тех областей металла, которые должны остаться; проявление, при котором освобождаются от фоторезиста те участки олова, которые в дальнейшем должны быть удалены; травление участков пленки олова; удаление защитного слоя фоторезиста с оставшихся частей пленки олова.

Известный способ не позволяет получать профиль поперечного сечения пленки заданной формы.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ напыления через маску, заключающийся в изготовлении металлической маски из стали или никеля, в которой выполнены прорези, наложении этой маски на подложку, вакуумного напыления материала через маску на поверхность подложки (Данилин Б.С. Вакуумное нанесение тонких пленок. -М., 1967, с. 63).

Однако существующий способ изготовления дорожек на пленке-подложке не позволяет изготавливать плоские тонкие мишени с синусоидальным микропрофилем поверхности. Профиль сечения неровностей, получаемых известным способом близок к прямоугольному. Испаряемое вещество конденсируется только на тех местах подложки, которые не закрыты маской.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей мишеней за счет того, что при максимальном приближении профиля микронеровностей к синусоидальному значительно упрощается теоретическое описание развития Релей-Тейлеровских (или гидродинамических) неустойчивостей в лазерной плазме при термоядерном синтезе.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе изготовления микропрофильной поверхности, включающем нанесение на подложку слоя материала вакуумным напылением через механическую маску, маску, подложку и испаритель размещают относительно друг друга в соответствии с соотношением

где d - расстояние от маски до подложки;
l₀ - расстояние от маски до испарителя;
c - ширина чередующихся прорезей маски и непрозрачных полосок между ними;
2a - ширина испарителя в направлении, перпендикулярном полосам маски.

Другое принципиальное отличие заключается в том, что для изготовления профиля поверхности, наиболее приближенного к косинусоидальному, осуществляют поступательно-периодическое перемещение маски и подложки относительно друг друга в собственных плоскостях, перпендикулярных направлению потока паров материала.

При этом перемещение подложки или маски осуществляют по закону в соответствии с соотношением
y = b₀ + b₁ × sin(2πt/T),
где y - ось, лежащая в плоскости маски;
T - период колебаний;
t - текущее время;
b₀ и b₁ - постоянные коэффициенты, подбираемые опытным путем, имеющие смысл начального положения маски (или подложки) и амплитуды ее колебания вдоль оси y соответственно.

На фиг. 1 изображена схема напыления покрытия для теоретического рассмотрения зависимости формы напыляемого покрытия от геометрии и условий напыления. В плоскости X'O'Y' расположен испаритель; в плоскости X''O''Y'' находится маска, представляющая собой чередующиеся непрозрачные полоски шириной c и прорези между ними шириной c параллельно оси X; в плоскости XOY расположена плоская мишень (подложка). Период затенения подложки маской равен 2c. Ширина испарителя в направлении, перпендикулярном полосам маски, равна 2a. Расстояние от испарителя до плоскости мишени l₀, а между мишенью и маской d₀.

На фиг.2 приведен расчетный профиль напыленной поверхности при различных соотношениях между d₀ и с неподвижной подложкой относительно маски.

На фиг. 3 приведено среднеквадратичное отклонение Q расчетного профиля от косинусоидального в зависимости от расстояния d₀ между маской и подложкой при c = 0,05 мм и l₀ = 100 мм.

На фиг. 4 приведено расчетное значение толщины сплошного слоя Q₁ под профилем в зависимости от расстояния между маской и подложкой при c = 0,05 мм и l₀ = 100 мм.

На фиг. 5 изображены профили получающейся поверхности при различных расстояниях d₀ между маской и колеблющейся подложкой.

На фиг. 6 приведено среднеквадратичное отклонение Q расчетного профиля от косинусоидального в зависимости от расстояния d₀ между маской и колеблющейся подложкой при c = 0,05 мм и l₀ = 100 мм.

На фиг. 7 приведено расчетное значение толщины подслоя в зависимости от расстояния d₀ для колеблющейся подложки при c = 0,05 мм и l₀ = 100 мм.

На фиг. 8 изображены полученные экспериментальные профили поверхности при различных значениях d₀, здесь же приведен косинусоидальный профиль.

На фиг. 9 изображена интерферограмма поверхности, полученной при 2c = 0,05 мм; l₀ = 100 мм; 2a = 6,5 ... 7 мм; d₀ = 0,4 мм.

Пример. Для изготовления плоских мишеней, одна из поверхностей которых имеет профиль возмущения близкий к косинусоидальному проводилось вакуумное термическое напыление алюминия на плоскую фольгу в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 1. Напыление проводилось с испарителя шириной 2a = 6,5 . . . 7 мм на мишень-подложку, расположенную от испарителя на расстоянии l₀ = 100 мм через маску толщиной 10 мкм при 2c = 0,05 мм на площадь 1,2 • 1,2 мм. Для выполнения соотношения нужно, чтобы d^* = 0,36 - 0,38 мм. Не имеет принципиального значения, осуществлялось поступательно-периодическое перемещение подложки или маски относительно друг друга. Колебания осуществлялись в плоскости, перпендикулярной направлению потока паров материала. Коэффициенты выбраны равными b₀ = 0; b₁ ≈ c/4. Контроль профиля напыленной поверхности проводился по интерферограмме (фиг. 8 и 9) с помощью микроинтерферометра ММИ-4. Абсолютная ошибка при определении амплитуды экспериментальной поверхности при этом равна ± 0,03 мкм. Как видно из фиг. 8 и 9 получался профиль поверхности, близкий к косинусоидальному при d ≅ 0,4 мм и вплоть до 0,7 мм. С увеличением под профилем появляется подслой постоянной толщины, а амплитуда профиля уменьшается.

Для теоретического рассмотрения формы получающейся поверхности от условий изготовления использовалась схема, изображенная на фиг. 1. В направлениях X', X'', X размеры мишени, маски и испарителя считаются очень большими.

Интенсивность частиц материала, распыляемых из точки A' в точку A мишени, равна

где i₀ - интенсивность испускания частиц материала с испарителя в единицу телесного угла;

Функция пропускания маски

или в виде разложения Фурье

Тогда учитывая, что

получим интенсивность распыляемых частиц в точке А мишени со всей поверхности испарителя:


После интегрирования получаем



Из геометрических соображений можно заключить, что при расстоянии от маски до подложки полоски маски дают на подложке тень, которая исчезает при Расчетный профиль напыленной поверхности дан на фиг. 2 при различных соотношениях между d₀ и Здесь же даны косинусоиды

где H₀ = (I_max + I_min)/2, H₁ = (I_max - I_min)/2.

Видно, что отличие напыленного профиля поверхности от косинусоидальной значительное.

Мерой этого отличия выбрана величина, имеющая смысл среднеквадратичного отклонения

где N - число точек счета I(y) и H(y).

На фиг. 3 даны зависимости Q от d₀ при различных размерах испарителя 2a; остальные величины взяты наиболее характерными в экспериментальных условиях: l₀ = 100 мм, c = 0,05 мм. На фиг. 4 дана толщина сплошного слоя под профилем в зависимости от расстояния между маской и подложкой.

Для уменьшения величины Q можно попытаться двигать подложку по какому-либо закону. Для расчета взят простейший, с точки зрения технической осуществимости, вид движения - колебательный. При этом закон движения точки на подложке имеет вид

где T - период колебания.

Тогда интегральная за период толщина напыления

где

определена ранее.

Интегрирование дает





Здесь J₀(B) и J₁(B) - функции Бесселя.

Коэффициент b₀, имеющий смысл начального положения маски (или подложки), при напылении через колеблющуюся маску (или подложку) на плоскую поверхность можно принять b₀ = 0. Величина коэффициента b₁, имеющего смысл амплитуды ее колебаний вдоль оси y, определяется в первом приближении шириной прорезей маски c, которая зависит от требуемого периода косинусоидального профиля.

На фиг. 5 даны профили получающейся поверхности при различных расстояниях между маской и колеблющейся подложкой. На фиг.6 приведены значения отклонения профиля Q от косинусоидального. Видно, что в этом случае отклонение профиля от косинуса можно сделать достаточно малым, подбирая соответствующий коэффициент b₁. Как видно из фиг. 6, для значений c = 0,05 мм; l₀ = 100 мм; a = 1 и 2 мм и d₀ < 0,7 мм наименьшее отклонение профиля от косинусоидального получалось при b₁ ≈ c/4. На фиг. 7 дана зависимость толщины сплошного слоя под профильной поверхностью от расстояния между маской и подложкой. Экспериментальные данные, представленные на фиг. 8, достаточно хорошо согласуются с расчетными.

Использование способа изготовления микропрофильной плоской поверхности обеспечивает по сравнению с существующими способами следующее преимущество. Профиль поверхности, полученной известным способом, когда маска плотно прилегает к подложке и неподвижна относительно ее, представлен на фиг. 2а. Мерой отличия напыленного профиля поверхности от косинусоидального является величина, имеющая смысл среднеквадратичного отклонения Q. Из фиг. 2а и фиг. 3 видно, что профиль поверхности, полученной известным способом, близок к прямоугольному и значительно отличается от косинусоидального.

Как видно из фиг. 2б,в и 3 при выполнении соотношения и при неподвижной подложке относительно маски отличие профиля напыленной поверхности от косинусоидального (величина Q) остается еще заметным.

Известно, что профиль поверхности можно представить математически в виде разложения Фурье. При этом чем больше профиль отличается от косинусоидального, тем большим числом гармоник он описывается и, как следствие этого, возрастают сложности теоретических расчетов при описании процессов развития Релей-Тейлеровских (или гидродинамических) неустойчивостей в лазерной плазме при экспериментальных исследованиях. В предлагаемом способе, при перемещении подложки и маски относительно друг друга в соответствии с соотношением y = b₀ + b₁ × sin(2πt/T), как видно из фиг. 5, 6 и 8, отклонение профиля напыленной поверхности от косинусоидального можно сделать достаточно малым, подбирая соответствующим образом коэффициенты b₀ и b₁, что является несомненным преимуществом предлагаемого способа изготовления косинусоидальной микропрофильной поверхности.

Способ изготовления микропрофильной плоской поверхности, включающий нанесение материала на подложку вакуумным напылением через механическую маску и отличающийся тем, что подложку и испаритель размещают относительно друг друга в соответствии с соотношением d = cl₀/2a, где d - расстояние от маски до подложки; l₀ - расстояние от маски до испарителя; 2a - ширина испарителя в направлении, перпендикулярном полосам маски; c - ширина чередующихся прорезей маски и непрозрачных полосок между ними. Способ позволяет изготовить профиль поверхности с минимальным отличием от косинусоидального, что упрощает теоретическое описание процессов развития неустойчивостей, моделируемых в экспериментальных исследованиях с использованием мощных лазеров в области управляемого термоядерного синтеза. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ изготовления микропрофильной плоской поверхности, включающий нанесение материала на подложку вакуумным напылением через механическую маску, отличающийся тем, что подложку и испаритель размещают относительно друг друга в соответствии с соотношением
,
где d - расстояние от маски до подложки;
l_o - расстояние от маски до испарителя;
2a - ширина испарителя в направлении, перпендикулярном полосам маски;
c - ширина чередующихся прорезей маски и непрозрачных полосок между ними. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют периодическое возвратно-поступательное перемещение подложки или маски относительно друг друга в плоскости, параллельной плоскости подложки, перпендикулярно направлению потока частиц материала. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что перемещение подложки или маски осуществляют в соответствии с соотношением
y=b_o+b₁•sin(2πt/T),
где y - ось, лежащая в плоскости маски;
T - период колебаний;
t - текущее время;
b₀ и b₁ - постоянные коэффициенты.