Aplicaciones de Procesamiento de Interferencia Láser (2)

Estructuración de películas metálicas monocapa y multicapa.

Recientemente, se han aplicado técnicas de interferencia de láser para el patrón periódico de largo alcance de superficies metálicas de película delgada. La técnica de interferencia ofrece un gran potencial para micromaquinado y microestructura de películas delgadas para aplicaciones en microelectrónica y micromecánica. Se han realizado amplios estudios sobre la interacción de los patrones de interferencia de láser con películas monocapa y multicapa. Diversos fenómenos durante tales interacciones incluyen fusión no homogénea, transformaciones de fase, reacciones intermetálicas, etc.

Estructuración de películas monocapa.

Cuando un patrón de interferencia de láser con distribución de energía modulada se irradia sobre la superficie de una película, la energía absorbida puede causar el calentamiento espacial, la fusión y la evaporación de la película, dependiendo de los umbrales de energía para varios efectos. En la mayoría de los casos, las aplicaciones de estructuración de láser para películas delgadas emplean energías de láser suficientemente altas para inducir la fusión de las películas. Debido a la mala conductividad de los sustratos subyacentes, la mayor parte de la energía del láser absorbida está confinada en la película delgada, lo que resulta en un tiempo de fusión significativamente más largo en comparación con el tiempo de pulso del láser. La mayor duración de los tiempos de fusión da lugar a procesos físicos como el flujo de fusión hidrodinámico responsable de la textura física de las superficies. La Figura 11.15 presenta las estructuras periódicas típicas obtenidas por patrones de interferencia de dos y cuatro haces irradiados en películas de oro de monocapa (18nm de espesor) depositadas sobre sustratos de vidrio. La formación de tales características periódicas topográficas periódicas se debe a la redistribución del material de película fundida en las regiones "caliente" y "fría" en la superficie (Kaganovskii et al. 2006).

El grosor de la película juega un papel importante al influir en la formación de estructuras periódicas de la superficie durante el procesamiento de la interferencia. Para el caso de películas de oro muy finas (grosor de < 17 nm) sobre sustratos de vidrio, se observó que el rebordeado (deshidratación) de la película fundida tiene lugar en las regiones calientes, seguido del movimiento de las perlas hacia las regiones frías. Sin embargo, para películas gruesas (espesor > 17 nm),

Fig. 11.13 Imágenes de TEM de líneas cristalizadas con láser de películas de SiGe cristalizadas a dos temperaturas diferentes: (a) 25 ° C y (b) 740 ° C. (Reimpreso de Eisele et al. 2003. Con permiso. Copyright Elsevier.) El flujo hidrodinámico completo del material de la película fundida (en lugar de la deshidratación) produce una estructura periódica alta y estrecha bien definida. Además, el espesor de la película determina el umbral de intensidad del láser (es decir, la densidad de potencia) necesaria para inducir los cambios morfológicos y la fabricación de estructuras periódicas. La Figura 11.16 muestra que para espesores de película en el rango de 5 a 15 nm, la intensidad del umbral disminuye con el espesor de la película; mientras que, para espesores de película superiores a 15 nm, la intensidad del umbral aumenta con el espesor de la película (Kaganovskii et al. 2006).

Fig. 11.14 Imagen AFM de una película de SiGe cristalizada utilizando cristalización de interferencia con láser de barrido (SLIC). Se aplicó un grabado de plasma selectivo para visualizar los límites de grano. (Reimpreso de Eisele et al. 2003. Con permiso. Copyright Elsevier.)

Fig. 11.15 Estructuras periódicas producidas en una película de oro de 18 nm de espesor por (a) láser de dos haces interfer et al. 2006. Con permiso. Copyright Instituto Americano de Física.

Estructuración de películas metálicas multicapa.

La mayor parte del trabajo en el área del procesamiento de interferencia láser de películas multicapa es realizada por el Prof. Mücklich y su grupo de investigación en Alemania. Las combinaciones de una variedad de materiales metálicos se han utilizado para producir las películas de bicapa y de tres capas sobre sustratos de vidrio que posteriormente se irradiaron con el láser.

Fig. 11.16 Variación de la intensidad de umbral calculada requerida para producir cambios morfológicos y formación de estructura periódica en la película de oro de 18 nm utilizando procesamiento de interferencia de láser. Las curvas etiquetadas 1, 2, 3 y 4 corresponden a la periodicidad de 2, 3.5, 5 y 10 nm respectivamente. Los puntos experimentales mostrados en la figura se obtuvieron para la periodicidad de 5 nm. (Reimpreso de Kaganovskii et al. 2006. Con permiso. Copyright American Institute of Physics.) Patrones de interferencia. En contraste con las películas de monocapa, las películas de múltiples capas presentan una complejidad adicional debido a la diferencia en las propiedades termofísicas de los metales constituyentes y las correspondientes respuestas diferentes a la irradiación con láser.

Para las películas multicapa con material de alto punto de fusión en la capa superior, se observaron tres morfologías distintas de las estructuras de interferencia según la fluencia de la energía del láser. Los diversos sistemas estudiados para determinar la interferencia incluían el vidrio de Fe-Al, el vidrio de Fe-Ni, el vidrio de Ti-Al y el vidrio de Ti-Ni. Por encima de cierta fluencia del láser, F, la energía del láser absorbida es suficiente para causar la fusión de la capa inferior, que está compuesta por el material de bajo punto de fusión. La fusión de la capa inferior ejerce la presión sobre la capa superior sin fundir (compuesta por un alto punto de fusión) que resulta en la deformación de la capa superior. Las deformaciones hacia el exterior de la capa superior aparecen como un patrón periódico en la superficie de la película. El mecanismo se presenta esquemáticamente en la figura 11.17 donde A representa la capa superior del material de punto de fusión más alto y B representa la capa inferior del material de punto de fusión inferior. Si la fluencia del láser aumenta más allá de F, la fusión de la B

Fig. 11.17 Esquema de los mecanismos de formación de diversas morfologías de superficie durante el procesamiento de interferencia con láser de películas de dos capas con un material de mayor punto de fusión (A) en la capa superior y un material de menor punto de fusión (B) en la capa inferior: irradiación de la superficie con la distribución de intensidad modulada en el patrón de interferencia, (b) deformación de la capa superior inducida por fusión de la capa inferior, (c) ruptura de la capa superior, (d) patrón periódico cuando se inicia la remoción de material, y (e) patrón periódico a gran valor de la fluencia del láser. (Reimpreso de Lasagni y Mucklich 2005b. Con permiso. Copyright Elsevier.)

la capa continúa hasta que se alcanza el punto de fusión de A. Eventualmente, la capa A se rompe dando como resultado la expulsión del material. Esto corresponde a la fluencia del láser, que se inicia la eliminación de material. La eliminación del material en el pico de interferencia provoca la depresión entre dos picos consecutivos en la estructura de la superficie de la película. Un mayor aumento de la fluencia del láser más allá de F, provoca el aumento de la remoción del material con el aumento de la profundidad de la depresión en los máximos de interferencia, dando como resultado una estructura periódica bien definida. Estos mecanismos han sido confirmados por la observación experimental de las estructuras superficiales de las películas bimetálicas irradiadas con patrones de interferencia de láser en diversas fluencias. La Figura 11.18 muestra las topografías de superficie y los perfiles laterales para el sistema Fe-Ni-glas para los cuales Fand F corresponde a 151 y 201 mJ / cm2 respectivel (Lasagni y Mucklich 2005a, b).

Se han realizado grandes esfuerzos de modelado térmico para comprender el comportamiento de fusión de las distintas capas en películas delgadas de varias capas compuestas por dos metales constituyentes diferentes. Estos esfuerzos de modelado térmico se basaron en ecuaciones de transferencia de calor similares a la ecuación. (11.4). La Figura 11.19 presenta uno de estos resultados de modelado basado en el análisis de elementos finitos para la película de Ni-Al multicapa irradiada con patrón de interferencia de láser. El grosor de la capa de las capas individuales de Al y Ni fue de 20 y 30,3 nm, respectivamente, y la película se irradió con láser Nd: YAG de conmutación de Q con una longitud de onda de 355 nm. La figura indica que una cantidad significativa de aluminio se derrite en las capas superiores de la película causando la distorsión de las capas de níquel. La significativa fusión de las capas de níquel correspondientes requiere

Fig. 11.18 Varias topografías de superficie y perfiles verticales de estructuras de superficie en películas de vidrio de Fe-Ni irradiadas con patrones de interferencia de láser.

mayor fluencia del láser debido al mayor punto de fusión del níquel que el del aluminio. Además, la estructuración periódica de películas multicapa con el patrón de interferencia del láser se asocia con los cambios en el estrés y la distribución de la textura en función de las condiciones térmicas prevalecientes durante las interacciones láser-material (Daniel et al. 2004).