Applicazioni di Laser Interference Processing (2)

Strutturazione di film metallici monostrato e multistrato

Recentemente, sono state applicate tecniche di interferenza laser per la modellatura periodica a lungo raggio di superfici metalliche a film sottile. La tecnica di interferenza offre un grande potenziale per la microlavorazione e la micronostrutturazione di film sottili per applicazioni in microelettronica e micromeccanica. Sono stati condotti ampi studi sull'interazione dei modelli di interferenza laser con film monostrato e multistrato. Vari fenomeni durante tali interazioni includono fusione disomogenea, trasformazioni di fase, reazioni intermetalliche, ecc.

Strutturazione di film monostrato

Quando un modello di interferenza laser con distribuzione di energia modulata viene irradiato sulla superficie di un film, l'energia assorbita può causare riscaldamento spaziale, fusione ed evaporazione del film a seconda delle soglie energetiche per vari effetti. Nella maggior parte dei casi, le applicazioni di strutturazione laser per film sottili impiegano energie laser sufficientemente elevate per indurre la fusione dei film. A causa della scarsa conduttività dei substrati sottostanti, la maggior parte dell'energia laser assorbita è confinata nel film sottile, con una durata di fusione significativamente più lunga rispetto al tempo dell'impulso del laser. I tempi di durata di fusione più lunghi danno origine a processi fisici come il flusso di fusione idrodinamico responsabile della texturizzazione fisica delle superfici. La Figura 11.15 presenta le tipiche strutture periodiche ottenute da modelli di interferenza a due e quattro raggi irradiati su film d'oro monostrato (di spessore 18 nm) depositati su substrati di vetro. La formazione di tali periodiche caratteristiche periodiche topografiche è dovuta alla ridistribuzione del materiale del film fuso nelle regioni "calde" e "fredde" sulla superficie (Kaganovskii et al., 2006).

Lo spessore del film gioca un ruolo importante nell'influenzare la formazione di strutture superficiali periodiche durante l'elaborazione delle interferenze. Per il caso di film d'oro molto sottili (spessore < 17 nm) su substrati di vetro, è stato osservato che il bordamento (dewetting) del film fuso avviene nelle regioni calde seguite dal movimento delle sfere verso le regioni fredde. Tuttavia, per film spessi (spessore > 17 nm),

Fig. 11.13 Immagini TEM di linee cristallizzate al laser di pellicole di SiGe cristallizzate a due temperature differenti: (a) 25 ° C e (b) 740 ° C. (Ristampato da Eisele et al., 2003. Con permesso. Copyright Elsevier.) Il flusso idrodinamico completo del materiale del film fuso (invece del dewetting) produce una struttura periodica alta e stretta ben definita. Inoltre, lo spessore del film determina l'intensità del laser di soglia (cioè la densità di potenza) richiesta per indurre i cambiamenti morfologici e la fabbricazione di strutture periodiche. La Figura 11.16 mostra che per spessori di pellicola nell'intervallo 5-15 nm, l'intensità della soglia diminuisce con lo spessore del film; mentre, per spessori di pellicola superiori a 15 nm, l'intensità della soglia aumenta con lo spessore del film (Kaganovskii et al., 2006).

Fig. 11.14 Immagine AFM del film SiGe cristallizzata mediante cristallizzazione con interferenza laser a scansione (SLIC). L'attacco al plasma selettivo è stato applicato per visualizzare i bordi dei grani. (Ristampato da Eisele et al., 2003. Con permesso. Copyright Elsevier.)

Fig. 11.15 Strutture periodiche prodotte su film d'oro spesso 18 nm mediante (a) laser a due raggi interfer et al. 2006. Con permesso. Copyright American Institute of Physics.)

Strutturazione di film metallici multistrato

La maggior parte del lavoro nell'area del trattamento con interferenza laser di film multistrato è condotta dal Prof. Mücklich e dal suo gruppo di ricerca in Germania. Le combinazioni di una varietà di materiali metallici sono state utilizzate per produrre i film a doppio strato e trilayer su substrati di vetro che sono stati successivamente irradiati con il laser

Fig. 11.16 Variazione dell'intensità della soglia calcolata richiesta per produrre cambiamenti morfologici e formazione della struttura periodica nella pellicola d'oro 18 nm utilizzando l'elaborazione con interferenza laser. Le curve etichettate 1, 2, 3 e 4 corrispondono rispettivamente alla periodicità di 2, 3,5, 5 e 10 nm. I punti sperimentali mostrati nella figura sono stati ottenuti per la periodicità di 5 nm. (Ristampato da Kaganovskii et al., 2006. Con permesso. Copyright American Institute of Physics.) Schemi di interferenza. Contrariamente ai film monostrato, i film multistrato presentano una complessità aggiuntiva dovuta alla differenza nelle proprietà termofisiche dei metalli costituenti e alle corrispondenti risposte differenti all'irradiazione laser.

Per i film multistrato con materiale ad alto punto di fusione nello strato superiore, sono state osservate tre morfologie distinte delle strutture di interferenza a seconda della fluenza energetica del laser. I vari sistemi studiati per interferenze comprendevano vetro Fe-Al, vetro Fe-Ni, vetro Ti-Al e vetro Ti-Ni. Al di sopra di una certa fluenza al laser, F, l'energia laser assorbita è sufficiente a causare la fusione dello strato inferiore che è composto dal materiale a basso punto di fusione. La fusione dello strato inferiore esercita la pressione sullo strato superiore non fuso (composto da un punto di fusione elevato) con conseguente deformazione dello strato superiore. Le deformazioni esterne dello strato superiore appaiono come un motivo periodico sulla superficie del film. Il meccanismo è presentato schematicamente in Fig. 11.17 dove A rappresenta lo strato superiore di materiale con punto di fusione più elevato e B rappresenta lo strato inferiore di materiale con punto di fusione inferiore. Se la fluenza del laser è ulteriormente aumentata oltre la F, lo scioglimento della B

Fig. 11.17 Schema dei meccanismi di formazione di varie morfologie superficiali durante l'elaborazione con interferenza laser di film a due strati con materiale a punto di fusione più elevato (A) nello strato superiore e materiale a punto di fusione inferiore (B) nello strato inferiore: (a) irradiazione della superficie con la distribuzione dell'intensità modulata nel modello di interferenza, (b) deformazione dello strato superiore indotto dalla fusione dello strato inferiore, (c) rottura dello strato superiore, (d) modello periodico quando viene avviata la rimozione del materiale, e (e) modello periodico con grande valore di fluenza laser. (Ristampato da Lasagni e Mucklich 2005b., Con permesso. Copyright Elsevier.)

lo strato continua fino a raggiungere il punto di fusione di A. Alla fine, lo strato A si rompe provocando l'espulsione del materiale. Ciò corrisponde alla fluenza del laser, che viene avviata la rimozione del materiale. La rimozione del materiale sul picco di interferenza determina la depressione tra due picchi consecutivi nella struttura superficiale del film. Un ulteriore aumento della fluenza del laser oltre F, provoca l'aumento della rimozione del materiale con la crescente profondità della depressione ai massimi di interferenza con conseguente struttura periodica ben definita. Questi meccanismi sono stati confermati dall'osservazione sperimentale delle strutture superficiali di film bimetallici irradiati con pattern di interferenza laser a varie fluenze. La Figura 11.18 mostra le topografie superficiali e i profili laterali per il sistema Fe-Ni-glas per cui Fand F corrisponde a 151 e 201 mJ / cm2 rispetto (Lasagni e Mucklich 2005a, b).

Sono stati condotti ampi sforzi di modellazione termica per comprendere il comportamento di fusione dei vari strati in film sottili multistrato composti da due metalli costituenti differenti. Questi sforzi di modellizzazione termica erano basati su equazioni di trasferimento di calore simili all'Eq. (11.4). La Figura 11.19 presenta uno di questi risultati di modellazione basato sull'analisi agli elementi finiti per il film multistrato di Ni-Al irradiato con un modello di interferenza laser. Spessori di strato di singoli strati Al e Ni erano rispettivamente 20 e 30,3 nm e il film è stato irradiato con un laser Nd: YAG Q-switched con una lunghezza d'onda di 355 nm. La figura indica che una quantità significativa di alluminio si scioglie negli strati superiori del film causando la distorsione degli strati di nichel. Il significativo scioglimento dei corrispondenti strati di nichel richiede

Fig. 11.18 Varie topografie superficiali e profili verticali di strutture superficiali in film di vetro Fe-Ni irradiati con modelli di interferenza laser.

maggiore fluenza al laser a causa del più alto punto di fusione del nichel rispetto a quello dell'alluminio. Inoltre, la strutturazione periodica di film multistrato con il modello di interferenza laser è associata ai cambiamenti nella distribuzione della tensione e della trama a seconda delle condizioni termiche prevalenti durante le interazioni tra materiali laser (Daniel et al., 2004).