СПОСОБ ПЛАСТИЧЕСКИ-ДЕФОРМАЦИОННОГО ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ
FORMING OF MICROSTRUCTURE ON SURFACE BY PLASTIC STRAIN

Изобретение относится к области технологий оптического формирования на поверхностях подложек объемных микроструктур, используемых для создания приборов микромеханики, микрооптики и микроэлектроники.
Решаемой изобретением проблемой является создание простого одностадийного способа формирования на поверхности подложки сложного рельефа, повторяющего по геометрии линзовые элементы оптики и микрооптики, обладающего также возможностью создания пустотелых объемных и герметичных микроканальных структур для транспортирования жидкости и газа по подложке, например, в устройствах типа «химическая лаборатория на чипе».
Известным способом создания микроструктур на поверхности подложек является метод фотолитографии [Технология СБИС. Под ред. С.Зи. Пер. с англ. В 2-х кн., кн.2. М.: Мир. 1986. - 453 с.], заключающийся в нанесении на поверхность слоя фоточувствительного лака - фоторезиста, экспонировании слоя актиничным излучением по картине необходимого топологического рисунка, проявлении слоя с образованием защитной маски и травлении поверхности подложки через маску с образованием необходимого рельефа. Способ выбран в качестве аналога.
Недостатками способа являются многостадийный характер получения рельефа, а также планарный характер образующегося рельефа (равномерность высот рельефа по подложке его и малая высота), невозможность получения пустотелых микроконструкций на подложке.
Известен метод импринтинга - метод получения рельефа путем формирования на поверхности пластичной подложки оттиска поверхности специальной механической формы - механического пуансона, несущего на своей поверхности микрорельеф, являющийся зеркальным отображением необходимого рельефа [Xing Cheng, L. Jay Guo / Microelectronic Engmeering, 71, (2004), 288-294]. При вдавливании пуансона в пластичную подложку вследствие пластической деформации подложки на ней отпечатывается рельеф поверхности пуансона. Метод выбран в качестве прототипа заявленного изобретения в связи с тем, что в нем, как и в изобретении, для формообразования используется пластическая деформация материала.
Недостатком метода является необходимость изготовления специального механического пуансона с микрорельефом на поверхности, а также невозможность получения пустотелых микроконструкций на подложке.
Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются устранение недостатков аналога и прототипа, в том числе, обеспечение возможности формирования на поверхности подложки сложного рельефа, повторяющего по геометрии линзовые элементы оптики и микрооптики, и возможности создания на поверхности пустотелых объемных и герметичных микроструктур.
Решение задачи достигается тем, что способе пластически-деформационного формирования микроструктур на поверхности одно- или многослойной подложки локальным давлением, в соответствии с изобретением, формируют на подложке слоистую структуру, включающую прилегающий к подложке слой вспомогательного вещества и формуемый слой, затем нагревают импульсно поверхность подложки со слоями не разрушающим формуемый слой лазерным излучением до температуры химического разложения или испарения слоя вспомогательного вещества.
Предлагается также, что вспомогательный слой вещества формируют равномерным или в виде островков, а лазерное облучение поверхности, соответственно, локальное или равномерное.
Предлагается также, что облучение проводят со стороны формируемых микроструктур.
Предлагается также, что подложка прозрачная, и облучение проводят с ее стороны, противоположной формируемым микроструктурам.
Предлагается также, что в качестве материала испаряющегося слоя используют жидкость.
Предлагается также, что в качестве материалов термически разлагающегося слоя используют разлагающиеся при нагревании с выделением газа соединения, в том числе, полимеры или элементоорганические соединения или соли металлов.
Способ поясняется на фигурах 1-4.
На Фиг.1 показаны (а) лазерное облучение распределенным по всей поверхности потоком излучения и островковая структура вспомогательного слоя, и (б) получившийся в результате облучения на поверхности рельеф в виде углублений. Здесь 1 - подложка, 2 - островки вспомогательного слоя, 3 - поток излучения, 4 - углубления на поверхности, 5 - пары материала вспомогательного слоя.
На Фиг.2 показаны (а) облучение подложки 1, на поверхности которой располагается вспомогательный слой 6, лазерным сфокусированным излучением 7, обеспечивающим локальное нагревание подложки в областях 8, и (б) образовавшиеся в процессе облучения область повышенного давления 9 во вспомогательном слое 6 и углубления 4 в подложке 1.
На Фиг.3 показано получение углублений 4 на тонкопленочной мембране 1, играющей роль подложки.
На Фиг.4 показаны (а) облучение вспомогательного слоя 10 сфокусированным лазерным излучением 7 сквозь прозрачную подложку 11; 12 - тонкая пленка из материала объемной микроконструкции на поверхности вспомогательного слоя, и (б) образовавшиеся в результате облучения полость 13 и микрокупол 14 из материала пленки 12.
На Фиг.5 показаны (а) облучение островка 15 вспомогательного слоя широким пучком 3 лазерного излучения сквозь прозрачную подложку 11; 16 - тонкая пленка из материала объемной микроконструкции на поверхности подложки и островке вспомогательного слоя, (б) образовавшиеся в результате облучения полость 17 и микрокупол 18 из материала пленки 16.
В соответствии со способом по изобретению формообразование рельефа и объемных пустотелых микроконструкций на поверхности подложки происходит при лазерном импульсном нагревании участка или области вспомогательного слоя (непосредственно при поглощении слоем излучения или передачей тепла теплопроводностью от нагретой соседней поверхности), резкого увеличения давления в объеме нагретого участка слоя и пластической деформации под действием давления прилегающих к данному участку областей подложки или пленочного слоя материала формируемых микроконструкций. Пластическая деформация облегчается тем, что материал конструкций при формообразовании находится в нагретом излучением состоянии.
На Фиг.1 на поверхность подложки 1 наносят, например, напылением островки 2 вспомогательного слоя. Получившуюся структуру облучают импульсно широким лазерным пучком 3; пучок захватывает на поверхности хотя бы несколько островков. Островки и(или) подложка должны поглощать падающее излучение и нагреваться. Нагревание поверхности подложки не должно приводить к ее разрушению вследствие, например, плавления или испарения, но нагревание островков приводит к их испарению или термическому разложению химического соединения, являющегося основой материала островков; при этом в ходе короткого лазерного импульса длительностью единицы наносекунд увеличивается давление газообразных продуктов реакции или паров (при испарении островков). Пары разлетаются (стрелки 5), и реактивный импульс отдачи и механический импульс давления воздействуют на прилегающие области подложки и их формуют; при формовке в материале подложки возникают механические напряжения, величина которых должна превышать предел упругости материала при возникающей температуре; в результате формовки на поверхности возникают углубления 4 с округлой линзоподобной поверхностью, что обусловлено равномерным распределением давления в газе в установившемся равновесном состоянии. Оценка показывает, что время установления равновесия в области испарения размером порядка микрометров составляет величину порядка единиц наносекунд. Локализация углублений совпадает с расположением островков вспомогательного слоя.
На Фиг.2 вспомогательный слой 6 равномерно расположен на поверхности подложки 1 и импульсно локально облучается потоками 7 излучения; на поверхности подложки в результате поглощения излучения возникают нагретые локальные области 8. Если вспомогательный слой прозрачен, то его прилегающие к подложке области прогреваются за счет теплопроводности слоя теплом подложки и испаряются или подвергаются термическому разложению с выделением газообразных продуктов реакции. Результатом действия лазерного импульса становится кратковременное резкое увеличение давления паров или продуктов реакции в прилегающей к поверхности области 9 вспомогательного слоя и механическая формовка поверхности. После окончания импульса излучения на поверхности возникают отформованные лунки 4; остатки вспомогательного слоя следует удалить.
На Фиг.3 показано получение отформованных углублений на тонкопленочной закрепленной, например, краями мембране 1, играющей роль подложки. На одну поверхность мембраны равномерно наносят вспомогательный слой 8 в виде твердой или жидкой пленки, проводят импульсное лазерное локализованное облучение; после окончания импульса излучения на поверхности возникают отформованные лунки 4; остатки вспомогательного слоя следует удалить.
На Фиг.4 показана лазерная формовка выпуклых выступов - пустотелых микрокуполов на поверхности подложки с использованием пленки 12 в качестве материала формуемых выступов. На подложку 11 наносят слой 10 вспомогательного материала, поверх которого наносят пленку 12. Затем производят локальное импульсное облучение слоя вспомогательного материала, направляя излучение сквозь прозрачную подложку. Если слой поглощает излучение, он нагревается непосредственно, если прозрачен - нагревание теплопроводностью теплом нагретой излучением поглощающей излучение мембраны. Если используется непрозрачная подложка, импульсное излучение может быть направлено на поверхность слоя 12 (на фигуре не показано). При нагревании облучаемая область вспомогательного слоя 10 испаряется или разлагается, давление пара или продуктов реакции пластически деформирует пленку 12, образуется микрокупол 14 и полость 13 под ним.
В качестве материала вспомогательного слоя может быть использована жидкость, например, в виде капиллярного слоя воды между подложкой и слоем 12. Если подложка и слой 12 смачиваются водой, то капиллярные силы обеспечивают прижим пленки к подложке. Минеральные остатки в воде обеспечивают скрепление пленки и подложки после высыхания воды.
На Фиг.5 вспомогательный слой нанесен на подложку 11 локально в виде островка 15; вся поверхность подложки, включая островок 15, покрыта пленкой 16, которая служит материалом для образования микрокупола 18 с полостью 17 внутри него при облучении лазерным импульсом участка поверхности подложки, включающего островок; облучение проходит сквозь прозрачную подложку и частично поглощается слоем 16, нагревая слой и островок 15; температура нагревания слоя 16 недостаточна для его разрушения, но достаточна для испарения или термического разложения вещества островка 15.
Использование в качестве материалов вспомогательного слоя термически разлагающихся веществ дает преимущество, заключающееся в том, что объем выделяющихся при разложении соединений может в разы превышать объемы газообразной фазы при испарении. Так, молекулярный вес полимеров может превышать в тысячи раз молекулярный вес газообразных мономеров, из которых получают полимер. При нагревании ряд твердых полимеров разлагается на газообразные мономеры (полиэтилен, полиметилметакрилат, и др.), что позволяет при лазерном нагревании полимеров до температуры их разложения получать высокие давления в газовой фазе.
3
2
Ряд солей металлов разлагается при небольшой температуре с выделением газообразных продуктов распада. Азид натрия разлагается при температуре 275°C по реакции: 2NaN=2Na+3N ↑; при распаде одного моля соли образуется 1,5 моля газа.
2
10
Элементоорганические соединения, в том числе, карбонилы, могут при разложении образовывать намного большие количества газов. Например, декакарбонил дирения при температуре 450°C диссоциирует по реакции: Re(CO)=2Re+10CO ↑, образуя при распаде одного моля твердого вещества 10 молей газа и создавая в замкнутом объеме при нагревании давления, многократно превышающие образующиеся при испарении металлов. Из приведенных примеров видна важность использования в предложенном способе в качестве вспомогательного материала разлагающихся при нагревании полимеров, солей металлов и элементоорганических соединений.
При испарении участка вспомогательного слоя в замкнутом объеме его пар действует с равной силой на всю внутреннюю поверхность объема, стремясь обеспечить объему форму сферического сегмента. Считая пар вещества идеальным газом при температуре выше температуры кипения, для массы пара внутри микрокупола можно написать уравнение:
0
где p - давление пара при температуре T (выше температуры кипения), V - объем газа, М - молярная масса вещества пара, R - универсальная газовая постоянная.
Объем сферического сегмента равен:
где h - высота сегмента, r - радиус основания сегмента. Зависимость между параметрами шарового сегмента определяется уравнением:
сф
где R - радиус сферы. Механическое напряжение σ в стенке толщиной d сегмента, возникающее под действием давления пара, равно:
сф
3
3
Примем в качестве материала микрокупола золото (предел текучести возникает при механическом напряжении в стенке купола σ=600 МПа). При толщине стенки 1 мкм, высоте сегмента h=1 мкм, радиусе основания 5 мкм получим радиус сферы R=13 мкм, давление пара в сферическом сегменте, близкое к обеспечению достижения в стенке предела текучести, p=92 МПа. Используем в качестве вспомогательного материала кадмий (М=0,112 кг/моль, плотность 8,8·10 кг/м). При нагревании микрокупола с кадмием до температуры T=1000 К давление паров кадмия будет равно требуемому значению 92 Мпа при толщине испарившегося расположенного внутри купола участка вспомогательного слоя кадмия 0,07 мкм (используем (0.1)). Оценочный расчет подтвердил возможность получения лазерным импульсным облучением подложки пустотелых золотых микрокуполов высотой 1 мкм и диаметром 10 мкм, то есть, подтвердил обоснованность предложенных технических решений.
При реализации способа могут использоваться обычные для оптических технологий материалы и конструкции.
Таким образом, показана реализуемость устройства и достижимость поставленных целей.
Способ найдет применение в оптике при создании микролинзовых устройств ИК-диапазона спектра, например, зеркальных плоских объективов, в которых требующаяся оптическая сила создается не кривизной отражающих поверхностей, а совокупностью микрокуполов, а также при создании микроустройств, в которых используются микроканалы для транспортировки потоков газа или жидкости по поверхности подложек.
Технический результат изобретения состоит в разработке одностадийного простого способа получения сложных рельефов и пустотелых микроконструкций на подложках для применения в микросистемах