تطبيقات معالجة التداخل بالليزر (2)

هيكلة أحادي الطبقة والأفلام المعدنية متعددة الطبقات

في الآونة الأخيرة ، تم تطبيق تقنيات التداخل الليزري على الزخارف الدورية بعيدة المدى للأسطح المعدنية الرقيقة. توفر تقنية التداخل إمكانات كبيرة للتصنيع الدقيق والهيكل الدقيق للأغشية الرقيقة للتطبيقات في الإلكترونيات الدقيقة والميكانيكا. أجريت دراسات مستفيضة حول تفاعل أنماط التداخل الليزري مع الأفلام أحادية الطبقة والأفلام متعددة الطبقات. تشمل الظواهر المختلفة خلال هذه التفاعلات الذوبان غير المتجانس ، وتحولات الطور ، وردود الفعل بين المعادن ، وما إلى ذلك

هيكلة الأفلام أحادي الطبقة

عندما يتم تشعيع نمط التداخل الليزري مع توزيع الطاقة المعدل على سطح الفيلم ، فإن الطاقة الممتصة يمكن أن تسبب تسخينًا مكانيًا وذوبان وتبخر الفيلم وفقًا لعتبات الطاقة لتأثيرات مختلفة. في معظم الحالات ، تستخدم تطبيقات هيكلة الليزر للأغشية الرقيقة طاقات الليزر عالية بما فيه الكفاية للحث على ذوبان الأفلام. نظرًا لضعف التوصيلية للركائز الأساسية ، فإن معظم طاقة الليزر الممتصة محصورة في الغشاء الرقيق مما يؤدي إلى مدة ذوبان أطول بكثير مقارنة بوقت نبضة الليزر. تؤدي أوقات ذوبان أطول إلى العمليات الفيزيائية مثل تدفق ذوبان الهيدروديناميكية المسؤولة عن التركيب الفيزيائي للأسطح. يعرض الشكل 11.15 الهياكل الدورية النموذجية التي تم الحصول عليها بواسطة مخططات التداخل ثنائية الشعاع والأربعة شعاع المشععة على أغشية ذهبية أحادية الطبقة (سماكة 18 نانومتر) تترسب على ركائز زجاجية. يرجع السبب في تكوين هذه الخصائص الدورية الطبوغرافية الدورية إلى إعادة توزيع مادة الأفلام المنصهرة في المناطق "الحارة" و "الباردة" على السطح (Kaganovskii et al. 2006).

يلعب سمك الفيلم دورًا مهمًا في التأثير على تكوين الهياكل السطحية الدورية أثناء معالجة التداخل. بالنسبة لحالة الأفلام الرقيقة للغاية (سمك & lt ؛ 17 نانومتر) على الركائز الزجاجية ، فقد لوحظ أن الديكور (إزالة الشوائب) من الفيلم المنصهر يحدث في المناطق الساخنة تليها حركة الخرز نحو المناطق الباردة. ومع ذلك ، للأفلام السميكة (سمك & GT ؛ 17 نانومتر) ،

الشكل 11.13 صور TEM لخطوط تبلور بالليزر لأفلام SiGe متبلورة عند درجتي حرارة مختلفتين: (أ) 25 درجة مئوية و (ب) 740 درجة مئوية. (أعيد طبعه من Eisele et al. 2003. بإذن. حقوق الطبع والنشر Elsevier.) يؤدي التدفق الهيدروديناميكي الكامل لمواد الأفلام المنصهرة (بدلاً من إزالة الندى) إلى بنية دورية عالية وضيقة محددة جيدًا. علاوة على ذلك ، تحدد سماكة الفيلم كثافة الليزر بالحد الأدنى (أي كثافة الطاقة) اللازمة للحث على التغيرات المورفولوجية وتصنيع الهياكل الدورية. يوضح الشكل 11.16 أنه بالنسبة لسمك الغشاء في حدود 5-15 نانومتر ، تقل كثافة العتبة بسمك الغشاء ؛ بينما ، بالنسبة لسمك الفيلم الذي يزيد عن 15 نانومتر ، تزداد شدة العتبة بسمك الفيلم (Kaganovskii et al. 2006).

الشكل 11.14 صورة AFM لفيلم SiGe متبلور باستخدام مسح تداخل الليزر بالليزر (SLIC). تم تطبيق النقش البلازما الانتقائي لتصور حدود الحبوب. (أعيد طبعه من Eisele et al. 2003. بإذن. Copyright Elsevier.)

الشكل 11.15 الهياكل الدورية المنتجة على فيلم من الذهب بسمك 18 نانومتر بواسطة (أ) تداخل ليزر ثنائي الشعاع وآخرون. 2006. بإذن. حقوق النشر المعهد الأمريكي للفيزياء.)

هيكلة الأفلام المعدنية متعددة الطبقات

يتم إجراء معظم الأعمال في مجال معالجة التداخل بالليزر للأفلام متعددة الطبقات من قِبل البروفيسور موكليش ومجموعة بحثه في ألمانيا. تم استخدام مجموعات من مجموعة متنوعة من المواد المعدنية لإنتاج أفلام ثنائية الطبقات وأفلام ثلاثية الطبقات على ركائز زجاجية تم تشعيعها لاحقًا بالليزر

الشكل 11،16 تباين شدة العتبة المحسوبة المطلوبة لإنتاج التغيرات المورفولوجية وتشكيل الهيكل الدوري في فيلم الذهب 18 نانومتر باستخدام معالجة التداخل بالليزر. تتوافق المنحنيات المسمى 1 و 2 و 3 و 4 مع دورية 2 و 3.5 و 5 و 10 نانومتر على التوالي. تم الحصول على النقاط التجريبية الموضحة في الشكل لدورية 5 نانومتر. (أعيد طبعه من Kaganovskii وآخرون 2006. بإذن. حقوق النشر المعهد الأمريكي للفيزياء.) أنماط التدخل. على عكس الأفلام أحادية الطبقة ، تقدم الأفلام متعددة الطبقات تعقيدًا إضافيًا بسبب الاختلاف في الخواص الفيزيائية الحرارية للمعادن المكونة والاستجابات المختلفة المقابلة لإشعاع الليزر.

بالنسبة للأفلام متعددة الطبقات التي تحتوي على مادة نقطة انصهار عالية في الطبقة العليا ، لوحظت ثلاثة أشكال مورفولوجية مميزة من هياكل التداخل اعتمادًا على طاقة الليزر الضوئية. تضمنت الأنظمة المختلفة التي تمت دراستها للتداخل Fe-Al-glass و Fe-Ni-glass و Ti-Al-glass و Ti-Ni-glass. فوق طاقة فلورية معينة ، F ، تكون طاقة الليزر الممتصة كافية للتسبب في ذوبان الطبقة السفلية التي تتكون من مادة ذوبان منخفضة. يؤدي ذوبان الطبقة السفلية إلى الضغط على الطبقة العليا غير المذابة (المكونة من نقطة انصهار عالية) مما يؤدي إلى تشوه الطبقة العليا. تظهر التشوهات الخارجية للطبقة العليا كنموذج دوري على سطح الفيلم. يتم عرض الآلية بشكل تخطيطي في الشكل 11.17 حيث تمثل A الطبقة العليا من مواد نقطة انصهار أعلى و B تمثل الطبقة السفلية من مادة نقطة الانصهار السفلى. إذا تم زيادة انفلونزا الليزر إلى ما بعد F ، فإن ذوبان B

الشكل 11.17: رسم تخطيطي لآليات تشكيل الأشكال السطحية المختلفة أثناء معالجة التداخل الليزري للأغشية ثنائية الطبقة مع مواد نقطة انصهار أعلى (A) في الطبقة العليا ومواد نقطة انصهار منخفضة (B) في الطبقة السفلى: (أ) تشعيع السطح مع توزيع شدة معدلة في نمط التداخل ، (ب) تشوه الطبقة العليا الناجم عن ذوبان الطبقة السفلى ، (ج) كسر الطبقة العليا ، (د) المخطط الدوري عند بدء إزالة المواد ، و (هـ) نمط دوري في قيمة كبيرة من فلوان الليزر. (أعيد طبعه من Lasagni و Mucklich 2005b. بإذن. حقوق الطبع والنشر Elsevier.)

تستمر الطبقة حتى يتم الوصول إلى نقطة انصهار A. في النهاية ، تنفصل الطبقة A مما يؤدي إلى إخراج المادة. هذا يتوافق مع انفلونزا الليزر ، والتي بدأت عملية إزالة المواد. تؤدي إزالة المادة في ذروة التداخل إلى حدوث انخفاض بين ذروتين متتاليتين في البنية السطحية للفيلم. تؤدي الزيادة الإضافية في انبعاث الليزر إلى ما وراء F إلى زيادة إزالة المواد مع زيادة عمق الكآبة عند الحد الأقصى للتداخل مما يؤدي إلى بنية دورية محددة جيدًا. وقد تم تأكيد هذه الآليات من خلال الملاحظة التجريبية للهياكل السطحية للأفلام ثنائية المعدن المشععة بواسطة أنماط التداخل بالليزر في الانسيارات المختلفة. يوضح الشكل 11.18 مخططات سطح الأرض والأشكال الجانبية لنظام Fe-Ni-glas الذي يتوافق Fand F مع 151 و 201 mJ / cm2 respectivel (Lasagni و Mucklich 2005a، b).

تم إجراء جهود مكثفة للنمذجة الحرارية لفهم سلوك ذوبان الطبقات المختلفة في الأفلام الرقيقة متعددة الطبقات المكونة من معادن مختلفة مكونة. استندت جهود النمذجة الحرارية هذه إلى معادلات نقل الحرارة المشابهة للمعادلة Eq. (11.4). يقدم الشكل 11.19 إحدى نتائج النمذجة هذه بناءً على تحليل العناصر المحدودة لفيلم Ni-Al متعدد الطبقات المشع بنمط تداخل الليزر. كانت سماكة الطبقة لطبقات Al و Ni الفردية 20 و 30.3 نانومتر على التوالي ، وتم تشعيع الفيلم بالليزر Q-switched Nd: YAG بطول موجة يبلغ 355 نانومتر. يشير الشكل إلى أن كمية كبيرة من الألمنيوم يذوب في الطبقات العليا من الفيلم مما تسبب في تشويه طبقات النيكل. يتطلب ذوبان طبقات النيكل المقابلة

الشكل 11-18: التصميمات السطحية المختلفة والأشكال الرأسية للهياكل السطحية في أفلام Fe- Ni- الزجاجية المشععة بواسطة أنماط التداخل الليزري.

ارتفاع معدل الليزر بسبب ارتفاع درجة انصهار النيكل من الألمنيوم. علاوة على ذلك ، ترتبط البنية الدورية للأفلام متعددة الطبقات مع نمط التداخل الليزري بالتغيرات في توزيع الإجهاد والملمس اعتمادًا على الظروف الحرارية السائدة أثناء تفاعلات المواد بالليزر (Daniel et al. 2004).