Способ локального лазерного нанесения пленки

 

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано в точном приборостроении, микроэлектронике, в изготовлении оптических и электронных элементов, в нанесении декоративных рисунков. Способ позволяет расширить класс материалов наносимых пленок. Способ включает перенесение материала донорной пленки, нанесенной на прозрачную для лазерного излучения подложку, на вторую подложку путем нагревания донорной пленки лазерным излучением через подложку, испарение материала второй подложки с ее поверхности пучком лазерного излучения, прошедшего через донорную пленку, причем толщину донорной пленки выбирают в соответствии с заданным массовым отношением материалов донорной пленки и второй подложки в составе осажденной пленки. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано в точном приборостроении, микроэлектронике, в изготовлении оптических и электронных элементов, в нанесении декоративных рисунков.

Известны способы нанесения пленки, например способ нанесения пленки вакуумным напылением (Майоров С.А., Скворцов А.М. Технология производства вычислительных машин. М. : Высшая школа, 1973, с.86). Он состоит в нагреве источника переносимого вещества и осаждении образующихся паров на поверхность подложки. При этом источник переносимого вещества, нагреватель и подложку заключают в вакуумную камеру. Однако для локального нанесения пленки данным способом необходимо дополнительно применять маски-трафареты, сложные в изготовлении и не обеспечивающие необходимой точности топологии. Известен способ локального лазерного нанесения пленки путем осаждения материала из газовой фазы (P.Burggraaf. Laser-based Patter Generation. Semiconductor International. May 1988, p. 120). Он состоит в нагреве пучком лазерного излучения облученной области подложки, находящейся внутри камеры, наполненной газом, содержащим переносимое вещество в виде химического соединения, термической активации химической реакции разложения молекул газа вблизи нагретой области подложки за счет теплопередачи от нагретой области подложки частицам газа и осаждении вещества на подложку. Однако устройство, позволяющее осуществить этот способ, является технически сложным и дорогостоящим и не позволяет производить нанесение пленок в вакууме или в атмосфере воздуха.

Известен способ локального лазерного нанесения пленки (Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов. Л.: Машиностроение, 1986, с.148), включающий перенесение материала донорной пленки, нанесенной на прозрачную для лазерного излучения донорную подложку, с поверхности донорной подложки на акцепторную подложку путем нагревания донорной пленки лазерным излучением через донорную подложку. При нагревании локальной области донорной пленки пучком лазерного излучения, сформированным оптической системой и прошедшим через прозрачную донорную подложку, происходит испарение донорной пленки в облученной области и осаждение пара на поверхности подложек.

Этот способ по совокупности признаков является наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбран авторами за прототип.

Упомянутый способ-прототип является ограниченным в использовании ряда материалов наносимых пленок, которые определяются материалами донорных пленок.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании способа, позволяющего расширить класс материалов наносимых пленок.

Указанная задача решается при осуществлении изобретения за счет достижения технического результата, заключающегося во включении в состав материала наносимой пленки материала второй подложки.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе локального лазерного нанесения пленки, включающем перенесение материала донорной пленки, нанесенной на прозрачную для лазерного излучения подложку, на вторую подложку путем нагревания донорной пленки лазерным излучением через подложку, производят испарение материала второй подложки с ее поверхности пучком лазерного излучения, прошедшего через донорную пленку, при этом толщину донорной пленки выбирают в соответствии с заданным массовым отношением материалов донорной пленки и второй подложки в составе осажденной пленки. Кроме того, испарение донорной пленки и второй подложки производят пучками излучения с разными длинами волн, одна из которых соответствует области поглощения материала донорной пленки, а другая - области поглощения материала второй подложки, и пучки излучения совмещают в области обработки. Кроме того, донорную пленку на подложке и вторую подложку помещают в камеру, наполненную газом, взаимодействующим с парами материалов донорной пленки и второй подложи. Кроме того, для прецизионного варьирования массового отношения материалов донорной пленки и второй подложки в составе осажденной пленки, изменяют угол падения пучка лазерного излучения на облучаемые поверхности. Кроме того, для ряда технических приложений способа (модификация вещества пленочного покрытия) вторая подложка может быть выполнена в виде поглощающей пленки, нанесенной на подложку.

Изложенная совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения позволяет достичь требуемого технического результата и решить поставленную задачу.

При использовании предлагаемого способа вещество сложного состава образуется в результате испарения материалов донорной пленки и второй подложки пучком лазерного излучения, поглощенного частично полупрозрачной донорной пленкой, частично второй подложкой, и смешения или химического взаимодействия образованных паров в промежутке между подложками. Полученные пары вещества сложного состава осаждаются на поверхности подложек, образуя локальные покрытия требуемого состава. Массовое отношение вещества донорной пленки и второй подложки в получаемом покрытии равно отношению масс испаренных материалов m₁/m₂ и определяется отношением плотностей мощностей лазерного излучения, поглощенного донорной пленкой q₁ и второй подложкой q₂. Отношение q₁/q₂ в свою очередь определяется оптическим пропусканием или толщиной донорной пленки h. Кроме того, наносимая пленка может быть получена из материалов донорной пленки и второй подложки, имеющих разные области оптического поглощения, путем использования двух пучков излучения с разными длинами волн. Одним пучком, длина волны излучения которого лежит в области поглощения материала донорной пленки, испаряют материал донорной пленки, другим пучком, длина волны излучения которого лежит в области поглощения материала второй подложки, испаряют материал второй подложки. При совмещении пучков в области обработки происходит смешение или химическое взаимодействие паров материалов донорной пленки и второй подложки и осаждение полученного вещества на поверхности подложек. Кроме того, вещество сложного состава образуется при взаимодействии паров материалов донорной пленки и второй подложки с газом, заполняющим камеру, в которую помещены донорная пленка на подложке и вторая подложка. Кроме того, при изменении угла падения лазерного излучения на облучаемые поверхности изменяются коэффициенты отражения этих поверхностей, а следовательно, отношение q₁/q₂, в результате чего достигается прецизионное изменение массового отношения m₁/m₂. Кроме того, выполнение второй подложки в виде поглощающей пленки, нанесенной на подложку, при использовании предлагаемого способа позволяет получать пленочные покрытия с локальным изменением вещества покрытия, что необходимо для ряда технологических применений способа.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что авторами не обнаружен способ, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а по отношению к техническому результату выявлена совокупность существенных отличительных признаков. Следовательно, заявляемый способ соответствует требованию новизны.

Для проверки соответствия заявляемого способа требованию изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений для выявления признаков, совпадающих с отличительными для прототипа признаками заявляемого изобретения.

Результаты этого поиска показывают, что заявляемый способ не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведен пример исполнения схемы устройства, позволяющего осуществить предлагаемый способ.

Схема устройства, позволяющего осуществить предлагаемый способ, содержит импульсный лазер 1 на молекулярном азоте ЛГИ-21 ( λ = 0,34 мкм), оптическую систему, формирующую лазерный пучок, состоящую из переменной телескопической системы 2, полупрозрачного зеркала 3, объектива 4; прозрачную подложку 5 с донорной пленкой 6, вторую подложку 7, поверхность которой расположена вплотную (на расстоянии, определяемом шероховатостью поверхностей) к свободной поверхности донорной пленки, вакуумную камеру с прозрачными стенками 8, заключающую в себе подложку с донорной пленкой и вторую подложку, и закрепленную на координатном столике 9 с шаговым двигателем, перемещающемся в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а также визуальный канал, включающий лампу подсветки 10, призму 11 и окуляр 12.

Работа устройства состоит в следующем. Пучок излучения лазера 1 сужается или расширяется, в зависимости от требуемого размера облученной области, переменной телескопической системой 2 до требуемого размера, отражается от полупрозрачного зеркала 3 и фиксируется объективом 4 на поверхности донорной пленки 6. Часть потока лазерного излучения, прошедшая через полупрозрачную донорную пленку 6, падает на поверхность второй подложки 7. Импульс лазерного излучения нагревает и испаряет донорную пленку и приповерхностный слой второй подложки. Пары материалов донорной пленки и второй подложки смешиваются или химически взаимодействуют в промежутке между подложками и осаждаются на их поверхности. Формирование топологии осажденной пленки производится путем перемещения координатного столика 9. С помощью визуального канала производится наблюдение результатов локального лазерного нанесения пленки. Возможно также использование для реализации предлагаемого способа проекционной оптической системы для формирования топологии наносимых пленок проекционным или контурно-проекционным методом.

При использовании донорной пленки и второй подложки, материалы которых имеют разные области поглощения, используют второй лазер, пучок излучения которого совмещают с пучком излучения первого лазера 1 в области обработки, при этом импульс излучения одного лазера испаряет материал донорной пленки, а другого - материал второй подложки.

Камера 8 может быть наполнена газом, взаимодействующим с парами материалов донорной пленки и второй подложки, для получения осажденной пленки сложного состава. Например, локальное пленочное покрытие кермета (CrSiO) на кремниевой подложке получают, используя донорную пленку хрома, вторую подложку из кремния и камеру 8 заполняют кислородом.

Изменение угла падения пучка лазерного излучения на облучаемые поверхности достигается путем заклонения столика 9 на заданный угол. При этом изменяются коэффициенты отражения облучаемых поверхностей донорной пленки и второй подложки и, следовательно, отношение масс испаренных материалов и соотношение их масс в составе осажденной пленки.

Вторая подложка 7 может быть выполнена в виде поглощающей пленки, нанесенной на подложку, при этом при облучении происходит испарение донорной пленки и поглощающей пленки второй подложки, смешение или взаимодействие их паров и осаждение на поверхности подложек.

В качестве примера рассмотрим локальное нанесение пленки Si/O с массовым отношением 1: 1 на вторую подложку - пластину Si с использованием донорной пленки сажи (С), нанесенной на стеклянную подложку. При этом где ρ₁ и ρ₂ - соответственно плотности материала донорной пленки (C) и второй подложки (Si), h₁ и h₂ - толщины их испаренных слоев. Уравнения баланса энергии для донорной пленки и второй подложки дают: где q - поглощенная плотность мощности лазерного излучения, L - удельная теплота испарения. Индекс "1" относится к материалу донорной пленки, "2" - второй подложки.

Отношение поглощенных плотностей мощности во второй подложке и донорной пленке равно: где H = 1-exp(-α₁h) - оптическая толщина донорной пленки, α₁ - коэффициент поглощения Бугера для донорной пленки, R₂ - коэффициент отражения поверхности второй подложки.

В результате:

Для получения осажденной пленки состава m₂/m₁=1 оптическая толщина донорной пленки составит H = 0,65.

При этом требуемая для получения пленки Si/C толщиной h₀=10^-8 м плотность мощности лазерного излучения при потерях на отражение от оптики и поверхности раздела донорной пленки и подложки R₀ = 0,2 и длительности импульса излучения τ = 10^-8 C составляет

На основании вышеизложенного заявляемая совокупность признаков позволяет расширить класс наносимых материалов пленок включением в него материалов, образованных путем смешения или химического взаимодействия двух или трех различных веществ (материала донорной пленки, второй подложки, а также заполняющего камеру газа), а также материалов, образованных путем смешения или химического взаимодействия веществ, имеющих различные области оптического поглощения.

Формула изобретения

1. Способ локального лазерного нанесения пленки, включающий перенесение материала донорной пленки, нанесенной на прозрачную для лазерного излучения подложку, на вторую подложку путем нагревания донорной пленки лазерным излучением через подложку, отличающийся тем, что одновременно производят испарение материала второй подложки с ее поверхности пучком лазерного излучения, прошедшего через донорную пленку, при этом толщину донорной пленки выбирают в соответствии с заданным массовым отношением материалов донорной пленки и второй подложки в составе осажденной пленки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что испарение донорной пленки и второй подложки производят пучками лазерного излучения с разными длинами волн, одна из которых соответствует области поглощения материала донорной пленки, а другая - области поглощения материала второй подложки, и пучки излучения совмещают в области обработки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что донорную пленку на подложке и вторую подложку помещают в камеру, наполненную газом, взаимодействующим с парами материалов донорной пленки и второй подложки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют угол падения пучка лазерного излучения на облучаемые поверхности.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторая подложка выполнена в виде поглощающей пленки, нанесенной на подложку.

РИСУНКИ

Рисунок 1