Введение к работе
І. .
Актуальность темы. ,
Исследование воздействия лазерного излучения на твердое тело с точки зрения абляции и модификации состава/структуры поверхностного слоя материала, продолжает оставаться одним из актуальных направлений в лазерной физике. Стабильный интерес к данной тематике поддерживается активным внедрением лазерных технологий обработки материалов в различных областях науки и техники.
Аморфные углеродные, или алмазоподобные пленки (АПП), представляют собой относительно новый, обширный класс синтетических углеродных материалов [Г]. Уже первоначальные исследования показали перспективность использования лазеров для обработки твердых и химически инертных алмазоподобных покрытий [2*-4*]. Лазерная технология обеспечивает как травление аморфных углеродных покрытий и создание микроструктур, так и модификацию структуры поверхностного слоя пленки, сопровождающуюся кардинальным изменением его физических характеристик. С точки зрения достижения максимального разрешения при микрообработке АПП, особый интерес представляют лазеры УФ диапазона, и в частности эксимерные лазеры, при использовании которых на поверхности пленок были получены структуры субмикронного размера[3*].
Исследование процессов травления и структурной модификации аморфных углеродных покрытий при лазерном воздействии представляет
большой интерес прежде всего с научной точки зрения. Способность углерода образовывать летучие компоненты при реакции с химически активными газами, в том числе с кислородом, и наличие высоких внутренних напряжений в алмазоподобных пленках открывают потенциальные возможности для
реализации сразу нескольких механизмов лазерно-индуцировашюго удаления материала с поверхности покрытия. Учитывая аморфную структуру и присутствие атомов углерода различной гибридизации (sp3, sp2, sp1), данные пленки представляют собой уникальный объект для решения известной задачи трансформации одной углеродной фазы в другую. Кроме того, данные исследования актуальны в плане разработки эффективных лазерных технологий обработки данного класса материалов, что позволило бы значительно расширить области их практического применения, включая, например, микроэлектронику и фотолитографию высокого разрешения.
Анализ, буквально единичных работ по импульсному лазерному облучению АПП, опубликованных к моменту начала данного исследования [Т-8*], показывает, что имеющаяся информация о процессах, определяющих изменение структуры и травление углеродных покрытий, носит довольно поверхностный и отрывочный характер. Это связано, прежде всего, с практически полным отсутствием данных об исследуемых типах покрытий, параметры которых могут варьироваться в очень широких пределах, что чрезвычайно затрудняет сопоставление и анализ полученных результатов. Недостаточное внимание было уделено идентификации и изучению физических механизмов, обеспечивающие вынос массы при импульсном лазерном воздействии. Не получил окончательного разрешения и вопрос о природе лазерно-модифицированного поверхностного слоя, о наличии в нем и соотношении двух кристаллических углеродных фаз - алмаза и графита.
Целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование процессов травления и структурной модификации аморфных углеродных покрытий под действием импульсного излучения эксимериого KrF лазера (/1=248 нм), включая:
-
Исследование процесса лазерного травления как гидрогенизированных аморфных углеродных пленок (а-С:Н) с плотностью, варьируемой в очень широких пределах р= 1.24-2.4 г/см3, так и чисто углеродных покрытий (а-С, р=2.5^-3.4 г/см3), в диапазоне плотностей энергии до 5 Дж/см2 в различных средах (воздух, вакуум, инертные газы) с целью выявления физических механизмов, обеспечивающих вынос материала.
-
Проведение детального анализа структуры лазерно-модифицировашюго поверхностного слоя для некоторых образцов АПП и получение информации о степени кристаллизации, размере кластеров и толщине слоя в зависимости от плотности энергии и количества импульсов.
3) Исследование возможности использования аморфных углеродных
пленок в качестве фоторезистов для микролитографии с лазерным
экспонированием.
В результате проведенных исследований были решены следующие научные задачи : проведена классификация физических механизмов травления аморфных углеродных покрытий импульсным лазерным излучением УФ диапазона, получены решающие доказательства в пользу двухкомпонетной (алмаз + графит) структуры лазерно-модифицированного слоя, разработаны методы комбинированного лазерно-химического и лазерно-плазменного селективного травления АПП.
Научная новизна.
1) Впервые проведено сравнительное исследование скоростей и порогов абляции для большого количества различных типов а-С:Н и а-С покрытий, характеристики которых варьировались в широких пределах, при импульсно-периодическом облучении эксимерным KrF лазером (^=248 нм).
-
Установлено, что процесс травления алмазоподобных пленок, в зависимости от их типа и условий облучения, определяется тремя основными механизмами - испарительным, термохимическим и откольным.
-
Впервые экспериментально исследован режим термохимического травлення а-С:Н пленок в присутствии кислорода ниже порога испарения для импульсного лазерного излучения.
4) Впервые обнаружен эффект отколыюго травления, реализующийся для
некоторых типов а*С:Н пленок в узком диапазоне плотностей энергии ниже
порога испарения, при котором удаление материала происходит в виде тонких
(30И0 нм) листов в каждом импульсе.
5) Показано, что импульсный лазерный отжиг приводит к
кристаллизации поверхностного слоя пленки с образованием сразу двух улътрадисперсных фаз - алмазной и графитовой, причем с увеличением плотности энергии содержание в пленке тетраэдрически координированного (sp3) углерода уменьшается, а содержание 5р2-связанного углерода соответственно увеличивается, в несколько раз. Средний размер кристаллитов лежит в диапазоне 2-н5 нм, в зависимости от плотности энергии и количества импульсов.
6) Предложены и экспериментально реализованы комбинированные
методы лазерного микроструктурирования АПП, состоящие в лазерном
экспонировании (графитизации) пленки на первом этапе и последующем ее
проявлении путем: а) "жидкостного" травления в растворе КзСггО^ШЗСч или
б) "сухого" травления в ВЧ кислородной плазме. Продемонстрирована
возможность использования а-С:Н покрытия в качестве УФ фоторезиста для
лазерной фотолитографии на кремнии, определены пороги экспонирования,
контраст и скорости проявления фоторезиста.
Практическая ценность работы.
Полученные научные результаты имеют непосредственное отношение к разработке эффективных технологий мнкрообработки алмазонодобных покрытий с использованием лазера. Установление механизмов выноса материала и условий их реализации позволяет выбрать наиболее оптимальный режим лазерного травления с учетом конкретной постановки задачи. Кроме того, результаты экспериментов по химическому/плазмохимическому травлению лазерно-модифицированного поверхностного слоя открывают путь дня использования аморфных углеродных пленок в качестве УФ фоторезистов в лазерной фотолитографии.
Апробация работы.
Результаты диссертации докладывались на I Европейской конференции "Алмазные и алмазоподобные углеродные покрытия" (Кранс-Монтана, 1990), Международном симпозиуме по углероду (Цукуба, 1990), 111 Европейской конференции "Алмазные, алмазоподобные и родственные материалы" (Гейдельберг, 1992), II конференции "Проблемы применения алмаза в электронике" (Москва, 1992), III Международном симпозиуме "Алмазные материалы" (Гонолулу, 1993), II Международной конференции "Применения алмазных пленок и родственных материалов" (Токио, 1993), II Греческо-русском семинаре "Лазерные технологии" (Крит, 1993), IV Европейской конференции "Алмазные, алмазоподобные и родственные материалы" (Альбуфейра, 1993).
Публикации.
Основное содержание диссертационной работы изложено в 13 статьях и трудах конференций, опубликованных« б отечественных и зарубежных журналах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
