[go: up one dir, main page]

RU2556177C1 - Способ сублимационного лазерного профилирования или сверления прозрачных подложек - Google Patents

Способ сублимационного лазерного профилирования или сверления прозрачных подложек Download PDF

Info

Publication number
RU2556177C1
RU2556177C1 RU2014100184/02A RU2014100184A RU2556177C1 RU 2556177 C1 RU2556177 C1 RU 2556177C1 RU 2014100184/02 A RU2014100184/02 A RU 2014100184/02A RU 2014100184 A RU2014100184 A RU 2014100184A RU 2556177 C1 RU2556177 C1 RU 2556177C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
substrate
laser
masks
radiation
sublimation
Prior art date
Application number
RU2014100184/02A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Владимирович Чесноков
Дмитрий Владимирович Чесноков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ)
Priority to RU2014100184/02A priority Critical patent/RU2556177C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2556177C1 publication Critical patent/RU2556177C1/ru

Links

Landscapes

  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

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.

Description

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 lТ 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 lТ, 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 = χ τ
Figure 00000001
, 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 lТ 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.

Claims (4)

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.
RU2014100184/02A 2014-01-09 2014-01-09 Способ сублимационного лазерного профилирования или сверления прозрачных подложек RU2556177C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014100184/02A RU2556177C1 (ru) 2014-01-09 2014-01-09 Способ сублимационного лазерного профилирования или сверления прозрачных подложек

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014100184/02A RU2556177C1 (ru) 2014-01-09 2014-01-09 Способ сублимационного лазерного профилирования или сверления прозрачных подложек

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2556177C1 true RU2556177C1 (ru) 2015-07-10

Family

ID=53538706

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014100184/02A RU2556177C1 (ru) 2014-01-09 2014-01-09 Способ сублимационного лазерного профилирования или сверления прозрачных подложек

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2556177C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2661165C1 (ru) * 2017-10-25 2018-07-12 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" Способ и устройство формирования микроканалов на подложках из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводниковых материалов фемтосекундными импульсами лазерного излучения
US20210146475A1 (en) * 2019-11-14 2021-05-20 Massachusetts Institute Of Technology Diamond rotors for mas-nmr

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2102231C1 (ru) * 1990-10-11 1998-01-20 Гарри Уинстон С.А. Способ выполнения маркировки на алмазе, способ изготовления вкладыша пресс-формы, способ обработки изделий из бриллиантов, пресс-форма для экструдирования волокон, проволок, нитей и подобных изделий и способ выполнения маркировки на жемчуге, драгоценном или полудрагоценном камне
US7807942B2 (en) * 2004-11-22 2010-10-05 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Laser processing method and laser processing apparatus
RU2435871C2 (ru) * 2006-02-23 2011-12-10 Пикодеон Лтд Ой Способ получения поверхностей высокого качества и изделие с поверхностью высокого качества
WO2012006736A2 (en) * 2010-07-12 2012-01-19 Filaser Inc. Method of material processing by laser filamentation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2102231C1 (ru) * 1990-10-11 1998-01-20 Гарри Уинстон С.А. Способ выполнения маркировки на алмазе, способ изготовления вкладыша пресс-формы, способ обработки изделий из бриллиантов, пресс-форма для экструдирования волокон, проволок, нитей и подобных изделий и способ выполнения маркировки на жемчуге, драгоценном или полудрагоценном камне
US7807942B2 (en) * 2004-11-22 2010-10-05 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Laser processing method and laser processing apparatus
RU2435871C2 (ru) * 2006-02-23 2011-12-10 Пикодеон Лтд Ой Способ получения поверхностей высокого качества и изделие с поверхностью высокого качества
WO2012006736A2 (en) * 2010-07-12 2012-01-19 Filaser Inc. Method of material processing by laser filamentation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГРИГОРЬЯНЦ А.Г. и др. Лазерная обработка неметаллических материалов, М., Высшая школа, 1988. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2661165C1 (ru) * 2017-10-25 2018-07-12 Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" Способ и устройство формирования микроканалов на подложках из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводниковых материалов фемтосекундными импульсами лазерного излучения
US20210146475A1 (en) * 2019-11-14 2021-05-20 Massachusetts Institute Of Technology Diamond rotors for mas-nmr
US11999006B2 (en) * 2019-11-14 2024-06-04 Massachusetts Institute Of Technology Diamond rotors for MAS-NMR

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Stafe et al. Pulsed laser ablation of solids
Rahman et al. Laser-induced plasma-assisted ablation (LIPAA) of glass: Effects of the laser fluence on plasma parameters and crater morphology
Veiko et al. Laser-induced microplasma as a tool for microstructuring transparent media
Shirk et al. Ultra-short pulsed laser ablation of highly oriented pyrolytic graphite
Dostovalov et al. Study of the formation of thermochemical laser-induced periodic surface structures on Cr, Ti, Ni and NiCr films under femtosecond irradiation
An et al. Removal of SiC at atomic and close-to-atomic scale by nanosecond ultraviolet laser
Qi et al. Improvement of aluminum drilling efficiency and precision by shaped femtosecond laser
RU2544892C1 (ru) Способ получения микро- и наноструктур на поверхности материалов
RU2556177C1 (ru) Способ сублимационного лазерного профилирования или сверления прозрачных подложек
Ehrhardt et al. Studies of the confinement at laser-induced backside dry etching using infrared nanosecond laser pulses
Tsvetkov et al. Thermoplasmonic laser-induced backside wet etching of sapphire
Anghel et al. Femtosecond laser ablation of TiO2 films for two-dimensional photonic crystals
Yin et al. Seed-guided high-repetition-rate femtosecond laser oxidation for functional three-dimensional silicon structure fabrication
CN109132998A (zh) 单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法
Agrawal et al. Laser beam machining
Hashida et al. Threshold fluence for femtosecond laser nanoablation for metals
Kononenko et al. Effect of absorbing coating on ablation of diamond by IR laser pulses
Makimura et al. Ablation of silica glass using pulsed laser plasma soft X-rays
Kopitkovas et al. Chemical and structural changes of quartz surfaces due to structuring by laser-induced backside wet etching
Andreev et al. Towards optimization of femtosecond laser pulse nanostructuring of targets for high-intensity laser experiments in vacuum
Volodin et al. Phase transitions in a-Si: H films on a glass irradiated by high-power femtosecond pulses: Manifestation of nonlinear and nonthermal effects
Kononenko Modification of Diamond Surface by Femtosecond Radiation
RU2546719C1 (ru) Способ получения рельефа на поверхности
Zhu et al. Role of oxygen concentration distribution and microstructure in luminescent properties of laser-irradiated silicon
Sobierajski et al. Interaction of intense ultrashort XUV pulses with silicon

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190110