СПОСОБ СУБЛИМАЦИОННОГО ЛАЗЕРНОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ ИЛИ СВЕРЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ ПОДЛОЖЕК Российский патент 2015 года по МПК B23K26/38 

Изобретение относится к технологиям микроэлектроники, оптики, микросистемной техники, к нелитографическим лазерным микротехнологиям формирования на подложках рельефных микроструктур.

При обработках изделий с помощью лазерного излучения на поверхности изделия с помощью объектива формируют или фокальное пятно, или оптическую картину формируемого на поверхности рисунка. Дифракция на объективе приводит к невозможности получать фокальное пятно или элементы рисунка с размерами меньше длины волны излучения.

В качестве аналога предлагаемого изобретения выбран способ лазерной обработки по заданному рисунку тонкой пленки, нанесенной на поверхность подложки [Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. - 248 с.]. Лазерный сфокусированный луч сканирует по заданной программе профилируемую пленку, облучаемые участки пленки испаряются, формируется рисунок.

Недостатками способа являются невозможность получения элементов рисунка с размерами в плане меньше длины волны из-за дифракционных ограничений, а также тот факт, что обработке поддаются только поглощающие излучение материалы.

В качестве прототипа заявленного способа выбран способ лазерного сверления отверстий в алмазных волоках [Григорьянц А.Г., Соколов А.А. Лазерная обработка неметаллических материалов. - М.: Высшая школа, 1988. - 191 с.]. В соответствии с этим способом отверстие пробивается импульсно-периодическим лазерным облучением алмаза сфокусированным лучом. Алмаз прозрачен для излучения; для снижения требующейся лазерной мощности первыми импульсами излучения графитизируют поверхность алмаза за счет нагревания примыкающей металлической детали, нагреваемой излучением сквозь прозрачное в начале обработки тело алмаза. При нагревании происходит полимофный переход, углерод переходит из одной аллотропической модификации - алмаза - в состояние графита. Графит поглощает лазерное излучение, графитизация позволяет вести лазерную обработку прозрачного алмаза, алмаз нагревается путем теплопроводности от графитового слоя и удаляется за счет процесса лазерной абляции.

Недостатками способа-прототипа являются невозможность получения элементов с размерами в плане меньше длины волны из-за дифракционных ограничений при фокусировании излучения, а также тот факт, что этот способ применяется только для лазерной обработки алмаза, способного при нагревании превращаться в графит.

Задачей, решаемой в данном изобретении, является лазерное профилирование или сверление алмаза и других прозрачных диэлектриков с размерами элементов рельефа меньше длины волны лазерного излучения.

Задача решается тем, что в способе сублимационного лазерного профилирования или сверления прозрачных подложек, использующем многократные лазерные импульсы нано- и субнаносекундной длительности, в соответствии с изобретением на поверхность подложек в местах углублений профилирования или сверления наносят маски из поглощающего материала с толщиной, допускающей их удаление первым лазерным импульсом облучения, затем облучают подложку лазерным пучком с поперечником больше размера области, занятой масками, причем длительность лазерных импульсов меньше времени распространения тепловой волны нагревания подложки на половину расстояния между соседними масками.

Предлагается также, что при лазерном воздействии температуру в местах удаления покрытия доводят до уровня, достаточного для полиморфного преобразования материала подложки или для активирования диссоциации химических соединений поверхности подложки.

Предлагается также, что лазерное облучение подложки ведут в атмосфере углеродсодержащих газов или в восстановительной атмосфере.

Предлагается также, что облучают подложку лазерным излучением ультрафиолетового спектра.

Способ поясняется с помощью фиг. 1, на которой иллюстрируются этапы а)-г) лазерного получения рельефа на прозрачной пластине из диэлектрика в соответствии с заявленным изобретением. На фиг. 1 обозначено: 1 - прозрачная пластина из диэлектрика; 2 - тонкопленочные маски из поглощающего материала толщиной d с поперечником а, размещенные в областях поверхности подложки, где необходимо получить углубления рельефа, маски занимают область поверхности с поперечником L; 3 - поток лазерного излучения с поперечником D больше размера области, занятой масками; 4 - нагретая приповерхностная область толщиной l_Т подложки; 5 - область на дне растущего углубления 6 рельефа, в которой произошло полиморфное преобразование материала подложки или диссоциация химического соединения из состава подложки; H - глубина углубления 6 рельефа; 7 - выступ образовавшегося рельефа.

Обсуждение процессов, происходящих при реализации способа

На поверхности прозрачной не поглощающей используемое лазерное излучение подложки 1 формируют тонкопленочные маски 2 из поглощающего материала с толщиной d. Поперечник а участка маски может быть много меньше длины волны лазерного излучения, так что по ширине D лазерного пучка может уложиться несколько таких масок и промежутков между ними. Маски располагают в тех местах подложки, где предполагается иметь углубления рельефа.

Затем поверхность подвергают импульсно-периодическому лазерному облучению. Лазерное излучение, попадающее на маску, частично поглощается и ее нагревает; промежутки между масками не поглощают излучение и не нагреваются. Материал масок и его толщина выбираются такими, чтобы за один первый лазерный импульс пленка маски нагрелась до температуры сублимации маски. За время своего существования маска прогреет за счет теплопроводности приповерхностный слой подложки толщиной l_Т, температура нагревания подложки должна быть достаточна для диссоциации в приповерхностном слое вещества подложки или для полиморфного преобразования материала подложки. При получении рельефа на тугоплавких подложках типа алмаза, карбида кремния или сапфира материал покрытия также должен быть тугоплавким, температура сублимации материала должна быть не меньше температуры указанных выше преобразований в подложке. Следует также учитывать, что часть материала покрытия внедрится в подложку во время сублимации.

Лазерное облучение при плотности мощности падающего излучения более 10⁸-10⁹ Вт/см² может приводить к температурам на поверхности подложки более 5000-10000 K. К приходу на поверхность следующего из последовательности лазерных импульсов при импульсно-периодическом облучении поверхность подложки может остыть. От предыдущего импульса на поверхности подложки в местах, где имелись маски, остаются продукты диссоциации вещества подложки и внедренные атомы вещества масок.

В качестве примера рассмотрим лазерное профилирование сапфира. В случае подложек из сапфира реакция диссоциации может происходить в соответствии с уравнением:

Al₂O₃→Al+O

Образуются также субокислы Al₂O и AlO. В диапазоне температур выше 1000 K основными компонентами газовой фазы над окислом являются одноатомные газы кислород и алюминий.

Как установлено для лазерной сублимации металлов [Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы. М.: Наука, 1970. 179 с.], из возникшего за импульс облака пара металла 18% вещества возвращается на поверхность подложки; можно принять, что часть вещества возникшей газовой фазы в нашем случае также вернется на поверхность облучаемой подложки.

Существование инертной или химически активной газовой атмосферы над подложкой при лазерном облучении вносит свои коррективы в химические процессы на поверхности. При наличии в атмосфере углеродсодержащих газов или других реакционно-активных газов или паров химических соединений возможно образование и отложение на поверхности подложки тугоплавких карбидов алюминия или других соединений:

Al₂O₃+CO₂→Al₄C₃+O₂,

Al₂O₃+CO→Al₄C₃+O₂,

Al₂O₃+CH₄→Al₄C₃+H₂O.

В случае лазерной сублимационной обработки подложек, содержащих окислы, например стеклянных подложек, восстановительная атмосфера может способствовать выделению на поверхности при лазерном нагревании чистых элементов (свинца, алюминия, кремния и др.) или их низших окислов, например, в соответствии с химической реакцией:

PbO+H₂→Pb+H₂O,

обладающих повышенным поглощением излучений.

Если лазерное облучение коротковолновое, например 4 и 5 гармоники излучения твердотельного лазера с длиной волны 1,06 мкм, то прохождение химических реакций может интенсифицироваться, происходить при более низких температурах.

Удаление вещества подложки происходит путем сублимации как материала подложки, так и продуктов реакций и преобразований.

Наличие на поверхности подложки к приходу следующего импульса продуктов диссоциации или продуктов высокотемпературных реакций с атмосферными газами, которые имеют большее значение коэффициента поглощения излучения, чем лейкосапфир, или результатов полиморфного преобразования приводит к поглощению излучения участками поверхности, на которых перед первым импульсом имелись маски, их разогреванию и сублимации. Имеют важное значение термическая зависимость поглощения от температуры, увеличение коэффициента поглощения излучения прозрачными диэлектриками при увеличении их температуры. Первоначальное во время лазерного импульса нагревание подложки происходит за счет имеющегося на подложке слоя поглощающего материала, оставшегося от процессов, происходивших во время предыдущего импульса; нагревание приводит к увеличению поглощения излучения нагревающимися слоями подложки, прилегающими к оставшемуся слою. Увеличение поглощения зависит от значения длины волны сублимирующего излучения: с укорочением длины волны, ее приближением к ультрафиолетовому диапазону спектра поглощение увеличивается, при прочих равных условиях растет температура нагревания поверхностного слоя подложки, модифицированного обсуждаемыми процессами (диссоциацией, полиморфными превращениями, химическими реакциями на поверхности, вызванными активными составляющими газовой атмосферы, увеличением температуры приповерхностного слоя).

С каждым следующим лазерным импульсом процессы испарения и образования поглощающего слоя повторяются, образуется самоподдерживающаяся последовательность процессов, приводящих к углублению впадин рельефа.

Таким образом, следующие основные причины могут приводить к самоподдерживающейся последовательности сублимирующих импульсов:

- диссоциация вещества подложки с образованием нелетучих продуктов, остающихся на поверхности в конденсированной фазе и поглощающих излучение;

- диссоциация вещества с образованием только газообразных при температуре сублимации продуктов, частично возвращающихся на поверхность и способных поглощать излучение;

- прохождение химических реакций с атмосферными газами в газовой среде или на поверхности подложки во время лазерного импульса при высокой температуре поверхности с образованием продуктов на поверхности подложки, способных поглощать излучение;

- увеличение поглощения излучения подложкой с увеличением ее температуры.

Подробный анализ процессов, происходящих при температурах, возникающих на прозрачных диэлектрических подложках при мощных лазерных облучениях, в литературе не найден, однако мы экспериментально обнаружили описываемый эффект при лазерном получении рельефа на сапфире, карбиде кремния, алмазе.

Разрешающая способность микрообработки подложки, достигаемая по способу, определяется длиной тепловой волны в подложке $$l_T=\sqrt{\chi \tau }$$ , где χ - температуропроводность подложки, τ - длительность лазерного импульса. Для сапфира, стекла и алмаза при длительности лазерного импульса 6 нс длина тепловой волны составляет 0,11 мкм, 0,05 мкм, 1,17 мкм, соответственно; при укорочении импульса до 100 пс разрешение улучшается в 7-8 раз. Таким образом, достижимо получение рельефов с размерами его элементов менее длины волны излучения, с применением которого ведут микрообработку.

Длительность лазерных импульсов по обсуждаемому способу со стороны больших длительностей ограничена возможностью образования в парах вещества подложки лазерной плазмы, перехватывающей падающее излучение; известно, что лазерная плазма не возникает при длительностях менее десятков нс [Анисимов С.В., см выше].

При продолжении импульсно-периодического облучения подложки (фиг. 1(в)) глубина впадин 6 профиля увеличивается, образуются гребни 7 профиля; материал подложки вне области масок не удаляется. На дне впадин глубиной Н в течение каждого лазерного импульса исчезает и возобновляется участок 5 слоя поглощающего вещества, имеющий толщину h. Прогретый за время импульса слой 4 подложки ограничен на фиг. 1 пунктирной линией, имеет толщину l_Т и ширину, большую ширины участка 5 слоя поглощающего вещества. По мере увеличения глубины впадины указанный эффект расширения прогретого слоя может приводить к увеличению ширины впадины; края углубления являются естественной маской, ограничивающей поперечник лазерного потока, попадающего во впадину, и тем компенсирующего упомянутое расширение впадины за счет температуропроводности подложки. Данная компенсация позволяет увеличивать аспектное отношение элементов профиля вплоть до возможности формировать узкие глубокие каналы - отверстия в теле подложки. Если первоначальное покрытие 2 подложки выполнено в виде островковой пленки со сквозными микро- и наноразмерными отверстиями, то при лазерном облучении в теле подложки формируется пористая структура с глубокими порами в виде микро- и наноканалов.

Если поперечный размер впадины меньше длины волны лазерного излучения, то проникновению энергии световой волны к поглощающему участку 5 способствует прозрачность гребней 7 рельефа, благодаря прозрачности гребней фронт световой волны искажается в меньшей степени, чем было бы в случае непрозрачных гребней, что увеличивает глубину проникновения волны; если поперечный размер углублений много меньше длины волны, то волна распространяется внутри подложки практически без искажений фронта и может инициировать сублимацию материала в глубине подложки на дне наноканалов.

Таким образом, показано, что новые элементы в предложениях обеспечивают возникновение полезных эффектов; показаны реализуемость изобретения и достижимость целей изобретения.

Практическое применение изобретение может найти в технологиях обработки стеклянных подложек или подложек из тугоплавких прозрачных соединений, плохо поддающихся химическому травлению. Данный способ позволит изготавливать в одностадийном технологическом процессе изделия типа прозрачных пластин со структурой микроканалов на поверхности.

Техническим результатом изобретения является способ лазерной микрообработки пластин из прозрачных диэлектриков.

Изобретение относится к способу сублимационной лазерной обработки прозрачных подложек с формированием рельефных микроструктур и может найти использование в микроэлектронике, оптике, микросистемной технике. Предварительно на поверхность подложек в местах углублений рельефа или отверстий наносят маски из поглощающего материала. Затем облучают подложку многократными лазерными импульсами нано- и субнаносекундной длительности , меньшей времени распространения тепловой волны нагревания подложки на половину расстояния между соседними масками. Температуру в местах масок доводят до уровня сублимации материала подложек. Изобретение позволяет осуществить лазерную микрообработку пластин из прозрачных диэлектриков, а также лазерное профилирование или сверление алмаза и других прозрачных диэлектриков с размерами элементов рельефа меньше длины волны лазерного излучения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сублимационной лазерной обработки прозрачных подложек с формированием рельефных микроструктур, включающий облучение поверхности упомянутой подложки многократными лазерными импульсами нано- и субнаносекундной длительности, отличающийся тем, что предварительно на поверхность подложек в местах углублений рельефа или отверстий наносят маски из поглощающего материала, затем облучают подложку с длительностью лазерных импульсов, меньшей времени распространения тепловой волны нагревания подложки на половину расстояния между соседними масками, причем температуру в местах масок доводят до уровня сублимации материала подложек.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при лазерном воздействии температуру в местах масок доводят до уровня, достаточного для полиморфного преобразования материала подложки или для активирования диссоциации химических соединений поверхности подложки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерное облучение подложки ведут в атмосфере углеродсодержащих газов или в восстановительной атмосфере.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучают подложку лазерным излучением ультрафиолетового спектра.