УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТЖИГА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКА ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ, ПРЕВЫШАЮЩИМ ДИФРАКЦИОННЫЙ ПРЕДЕЛ

Полезная модель относится к области термообработки материалов, а также может быть использована в микро- и оптоэлектронике для создания электронных компонент. Фаза отжига обязательна для изготовления сегнетоэлектриков, так как именно в процессе отжига происходит кристаллизация перовскитной (сегнетоэлектрической) фазы. Обычно при изготовлении сегнетоэлектрических пленок производится изотермический отжиг в муфельной печи, который задействует весь объем пленки. Однако в настоящее время все более актуальными становятся методики локального отжига (локальной кристаллизации) для получения сегнетоэлектрических наноструктур.
Из уровня техники известен способ термообработки материалов без разрушения поверхности с использованием лазера [патент RU 2345148 С2, опубл. 27.01.2009]. Изобретение заключается в воздействии на обрабатываемый материал непрерывного лазерного излучения, сфокусированного в световое пятно в виде отрезка, перемещаемого по заданной траектории с постоянной или переменной скоростью. Такая обработка применяется как для металлов, так и для неметаллов, однако имеет существенный недостаток. Использование в технологии непрерывного лазерного излучения не позволяет получить прецизионные бездефектные микроструктуры.
Наиболее близкое техническое решение - отжиг диэлектрических пленок, обладающих переходом неполярная-полярная фаза [патент US 5310990 А, опубл. 10.05.1994]. Оно заключается в использовании непрерывного лазера, а также импульсного эксимерного наносекундного лазера. Недостатком известного технического решения является длина волны эксимерного лазера (351 нм), которая попадает в край области поглощения используемой пленки цирконата-титаната свинца (PZT), что затрудняет осуществление фазового перехода в объеме материала. Кроме этого, модовая структура пятна эксимерных лазеров не позволяет локализовать отжиг в субмикрометровой области.
Также близким к предлагаемому техническому решению является способ локального формирования сегнетоэлектрической пленки PZT [заявка на патент US 20040080991 А1, опубл. 29.04.2004]. В соответствии с предложенным способом, при воздействии лазерного излучения на аморфную оксидную пленку, на поверхности пленки образуются микрокристаллические зародыши. Кристаллизация оксида осуществляется воздействием на структуру импульсного эксимерного лазера (248 нм) в поглощающей области спектра с дальнейшим образованием микрокристаллических сегнетоэлектрических областей.
Для устранения недостатков метода может быть использован метод, предложенный в патенте [патент RU 2338284 С1, опубл. 10.11.2008] - для сегнетоэлектрических пленок нанесение металлического подслоя, использующегося в качестве поглощающего слоя для излучения. Однако в патенте указано устройство, использующее в качестве активного слоя всю поверхность пленки PZT.
В вышеуказанных патентах в общем случае размер формируемых областей ограничен дифракционным пределом. Для преодоления дифракционного предела используется метод пространственного формирования излучения с помощью фазовой пластинки [патент US 9285593 В1, опубл. 15.03.2016]. В предложенном методе проекция излучения имеет кольцеобразную форму, в центре кольца электромагнитное поле отсутствует. При использовании кольцеобразной формы взаимодействие излучения с поверхностью образца происходит только в области кольца. Незасвеченная область в центре кольца имеет размеры меньше дифракционного предела.
Технический результат предлагаемой модели заключается в создании устройства для получения локальных микро- и наноструктур полярной (сегнетоэлектрической) фазы в неполярном окружении. Фемтосекундное лазерное излучение с высокой плотностью мощности воздействует на аморфную (с пирохлорными включениями) пленку, в результате чего в области воздействия лазерного пятна формируется (кристаллизуется) локальная область со структурой перовскита. Минимальный размер полученных микроструктур обычно определяется диаметром лазерного пятна и длины волны излучения, однако в зависимости от режимов получения могут создаваться элементы с меньшими размерами, чем длина волны используемого излучения.
Технический результат достигается устройством для локального лазерного отжига сегнетоэлектрических пленок, имеющих фазовый переход неполярная фаза - полярная фаза, состоящим из лазера, фокусирующего объектива и трехкоординатной платформы для позиционирования образца, при этом особенностью устройства является использование фемтосекундного импульсного излучения с длиной волны, попадающей в область прозрачности пленки и в область поглощения нижележащего подслоя для локального нагрева.
В предпочтительном варианте в устройстве используется фазовращающая пластина для получения кольцеобразной аксиально-симметричной формы лазерного луча.
В еще одном предпочтительном варианте особенностью устройства также является перемещение лазерного луча относительно пленки во время отжига, в результате чего формируются протяженные микроструктуры заданных форм.
Техническая задача предлагаемой полезной модели состоит в создании устройства для отжига локальных сегнетоэлектрических областей на поверхности пленок с разрешением, превышающим дифракционный предел. Поставленная цель достигается путем проведения технологического процесса в атмосферной среде, в результате которой на поверхности пленки PZT образуются заданные сегнетоэлектрические структуры. Обычно использование фемтосекундного лазерного излучения предполагает гауссово распределение его интенсивности. Для перехода неполярная фаза - полярная фаза, требуется некоторая минимальная энергия, ниже которой фазового перехода не происходит. Благодаря пороговому характеру такого процесса и гауссовому профилю луча, полярная фаза образуется подбором пиковой мощности лазерного излучения в соответствии с пороговым значением энергии, необходимой для фазового перехода. В отличие от такой схемы предлагается использовать кольцеобразную форму лазерного луча. Применяя такую форму луча и строго определенную (высокую) мощность излучения в центре пучка появляется сегнетоэлектрическая фаза с разрешением выше дифракционного предела. В этом случае, в области кольцеобразного воздействия условия для появления сегнетоэлектрической фазы будут неоптимальными (перегрев и абляция), а в центре кольца оптимальными (несмотря на отсутствие прямого воздействия излучения в центре кольца, температура в этой области будет обуславливаться теплопередачей от окружающей кольцеобразной области).
Кольцеообразная форма пятна достигается пропусканием излучения через спиральную фазовую пластину. Структура фазовой пластины состоит из спиральных ступенек, обеспечивающих изменение фазы от 0 до 2 pi. Входное излучение представляет собой коллимированный пучок фундаментальной моды ТЕМ00, который преобразуется а аксиально-симметричную моду ТЕМ01. В результате форма луча при нормальном проецировании на экран представляет с собой кольцо с малым отверстием в центре.
Используемый для отжига пленки на платинизированной подложке одномодовый фемтосекундный лазер с длиной волны 800 нм, попадает в область прозрачности пленки и в то же время в область поглощения платины. Сфокусированное лазерное излучение с плотностью мощности, достаточной для отжига структуры, первоначально воздействует на платиновый подслой. Нагрев слоя PZT происходит от слоя платины к поверхности, что позволяет локализовать область кристаллизации не только на поверхности пленки, но и в объеме. В результате воздействия пленка локально нагревается выше температуры фазового перехода и происходит кристаллизация. Предельная необходимая плотность мощности импульсного лазерного излучения рассчитывается с помощью решения обратной задачи теплопроводности. Описание полезной модели поясняется фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 показаны распределения интенсивностей пучка фемтосекундного лазера, где 1 - луч с гауссовым распределением, применяемый для «стандартного» лазерного отжига, 2 - кольцеобразная форма луча. При выходе из фазовращательной пластинки распределение интенсивности луча описывается специальной функцией Лагерра-Гаусса.
На фиг. 2 изображена схема стенда для локального лазерного отжига. Установка жестко фиксируется на оптическом столе с использованием в качестве источника излучения фемтосекундного титан-сапфирового лазера 3 с длиной волны 800 нм, длительностью импульса 100 фс и частотой повторения импульсов 80 МГц. Лазерный луч на выходе из лазера имеет гауссову форму распределения интенсивности и заданную среднюю мощность, составляющую 20 мВт. Устройство формирования кольцеобразной формы луча состоит из линз 4, 6, 7, фокусное расстояние каждой из которых составляет 5 см, и фазовращательной пластины 5. Диаметр луча увеличивается линзой 4, после прохождения фазовой пластины излучение коллимируется линзами 6 и 7.
Фокусирующая система состоит из закрепленного на держателе объектива 8. Трехкоординатная платформа 9 предназначена для точного позиционирования регионов исследуемого образца. За счет жестко закрепленной фокусирующей системы и фиксированной подвижки обеспечивается нормальное падение сфокусированного луча к плоскости образца.