СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО РИСУНКА НА ПОВЕРХНОСТИ АМОРФНЫХ ТОНКИХ ПЛЕНОК ФАЗОПЕРЕМЕННЫХ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR FORMING A PERIODIC PATTERN ON THE SURFACE OF AMORPHOUS THIN FILMS OF PHASE-VARIABLE CHALCOGENIDE MATERIALS

Изобретение относится к области оптоэлектроники и оптическим лазерным технологиям формирования топологических микроразмерных структур на подложках, а именно к способам направленного микроструктурирования поверхности фазопеременных халькогенидных материалов в поле импульсного лазерного излучения фемто- и пикосекундной длительности.
Модифицированные поверхности могут применяться для оптической многоуровневой модуляции света, в частности, для управления формой и направлением распространения светового пучка, трансформации волнового фронта. Разработка оптических схем пространственной модуляции света на основе периодических микроструктурированных поверхностей особенно перспективна для дифракционных оптических приложений и перезаписываемых компьютерных голограмм.
Большинство способов формирования периодических структур на поверхности оптических материалов, в том числе фазопеременных халькогенидных материалов, с целью осуществления эффективной оптической модуляции сконцентрировано на получении микроструктурированных областей с помощью прецизионных электронно-литографических процессов, позволяющих создавать периодические структуры высокого разрешения. К недостаткам фотолитографической технологии можно отнести ее трудоемкость, обусловленную многостадийностью технологических процессов, низкую производительность и высокую стоимость. Альтернативным способом микроструктурирования поверхности является модификация поверхности материала в поле лазерного излучения или пучком заряженных частиц.
Известен способ наноструктурирования поверхности полупроводниковых пленок на основе халькогенидов свинца, выбранный в качестве аналога и заключающийся в модификации поверхности полупроводниковой пленки непрерывным лазерным излучением [1]. Модификация проводится излучением с энергией кванта, превосходящей ширину запрещенной зоны, в диапазоне мощности от 5 до 10 Вт при диаметре лазерного пучка на поверхности пленки от 30 до 100 мкм. Скорость сканирования поверхности пленки должна находиться в диапазоне от 40 до 160 мкм/с. В результате такого энергетического воздействия на поверхности пленки образуются ансамбли наночастиц с бимодальным распределением по размеру. Размер частиц варьируется от 100 до 1000 нм и зависит от распределения интенсивности в лазерном пучке.
Известный способ обладает несколькими недостатками. Во-первых, он позволяет формировать на поверхности облучаемого материала только объекты в виде отдельных наночастиц, нерегулярно распределенных внутри облученной области. Формирование протяженных периодических геометрически однородных областей не представляется возможным. Во-вторых, в предлагаемом способе модификации поверхности весьма затруднительно осуществлять прецизионный контроль размеров формируемых наноструктурных объектов. В-третьих, процесс формирования наночастиц рассматриваемым способом является необратимым и удаление наночастиц с поверхности пленки можно осуществить только за счет физического повреждения материала (жидкостное травление, механическая обработка и т.д.). Кроме того, формируемые наночастицы не обеспечивают контраст оптических свойств, ограничивая возможные приложения сформированных структурированных поверхностей.
15
20
2
2
Другой аналог способа формирования фазовых периодических микроструктур на поверхности халькогенидных стеклообразных полупроводников заключается в создании на подложке элементов заданной микроструктуры через поверхностную маску в результате имплантации ионов серебра с энергией 4-100 кэВ при дозах облучения 1.0⋅10-6.5⋅10 ион/см и плотностях тока ионного пучка 2-50 мкА/см [2]. Данная технология позволяет формировать периодические структуры с высоким оптическим контрастом без изменения рельефа поверхности.
Известный способ имеет несколько недостатков. Во-первых, имплантация является сложным и дорогостоящим с технологической точки зрения процессом. Во-вторых, внедрение примесных атомов в структуру халькогенидного материала сильно меняет его химический состав. Кроме того, атомы серебра обладают высоким коэффициентом термодиффузии и могут самопроизвольно мигрировать по поверхности и вглубь нелегированной халькогенидной пленки при температурных воздействиях. Данный факт существенно ограничивает изобретение, и делает последующий процесс применения данных структур для создания активного перестраиваемого оптического элемента затруднительным и неконтролируемым. В-третьих, геометрия создаваемых предлагаемым способом структурированных поверхностей обеспечивается геометрией маски, что усложняет процесс микроструктурирования поверхности, т.к. для каждого типа геометрии нужна отдельная маска. Применение поверхностных масок для формирования микронных и наноразмерных элементов подразумевает использование литографических процессов, что приводит к существенному увеличению стоимости данного способа.
Выбранный в качестве прототипа способ формирования периодического тонкопленочного рисунка (одномерных тонкопленочных наноструктур типа нанопроволок и периодических решеток из нанопроволок) на подложке, заключается в локальной лазерной модификации поверхности, предварительно нанесенной на подложку пленки по механизму импульсного двухфазного разрушения [3]. Облучение проводится в режиме сканирования при одновременном воздействии двух когерентных лазерных пучков, формирующих на поверхности периодическую интерференционную картину. Интенсивность излучения на поверхности пленки в области интерференционных максимумов должна быть достаточной для разогрева пленки и последующего ее разрушения в соответствии с «двухфазным» механизмом: плавление и испарение пленки за время, равное длительности лазерного импульса. В результате периодические микро- и наноразмерные структуры из материала исходной пленки будут формироваться в минимумах интерференционной картины, причем ширина создаваемых нанопроволочек будет определяться гидродинамическими процессами протекающими в процессе воздействия лазерного импульса на поверхности и в объеме пленки, а также в образующейся газовой (паровой) фазе в приповерхностной области.
Изобретение, выбранное в качестве прототипа, имеет несколько недостатков. Во-первых, формирование периодического рисунка на подложке возможно только при воздействии импульсного наносекундного излучения, поскольку режим двухфазного разрушения пленки реализуется при определенных соотношениях между длительностью лазерного импульса и его интенсивностью. При облучении пленки более короткими импульсами (например, фемтосекундной длительности) реализуется режим сублимационного удаления материала с поверхности облучаемой подложки. Во-вторых, данный способ применим для узкого класса материалов и параметры воздействия необходимо отдельно подбирать для каждой пленки и каждой подложки, выполненных из соответствующих материалов. Это связано с тем, что необходимо учитывать химическую активность материалов на границе пленка/подложка при температурах плавления/сублимации, смачиваемость материала пленки относительно материала подложки в расплавленном состоянии с целью предотвращения неконтролируемого растекания расплавленного материала по подложке в процессе облучения или формирования наплывов. Необходимо также учитывать давление насыщенных паров, поскольку данный параметр влияет на эффективность адсорбции испарившихся и сублимированных атомов и дальнейшей миграции адатомов по разогретой поверхности, т.е. влияет на качество формирующейся периодической структуры. Данные требования накладывают ограничения на использование некоторых материалов, широко используемых в оптоэлектронике. Следует отметить, что указанным способом можно сформировать только одномерные тонкопленочные наноструктуры типа нанопроволок или решетки на их основе.
Задача изобретения - формирование протяженных двухфазных периодических поверхностных структур на поверхности пленок фазопеременных халькогенидных материалов без существенного изменения морфологии поверхности.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом способе изобретения формирование двухфазных периодических структур на поверхности аморфной пленки фазопеременных халькогенидных материалов происходит в процессе периодической локальной кристаллизации материала пленки при доабляционном воздействии в поле импульсного линейно поляризованного лазерного излучения фемто- или пикосекундной длительности в режиме сканирования.
Изобретение базируется на двух последовательных физических явлениях: возникновение поверхностного плазмон-поляритона на поверхности облучаемого материала и его интерференции с падающим лазерным излучением. При этом на поверхности пленки будет формироваться интерференционная картина, приводящая к периодической модуляции температуры на поверхности халькогенидного полупроводника, которая, в свою очередь, будет приводить к кристаллизации пленки в максимумах интерференционной картины.
В этих условиях облучение поверхности фазопеременных халькогенидных материалов (РСМ) линейно поляризованными ультракороткими импульсами приводит к формированию лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ЛИППС). Особенность ЛИППС, создаваемых на поверхности РСМ, заключается в периодической модуляции фазового состояния материала в доабляционном режиме. ЛИППС, сформированные на поверхности фазопеременных халькогенидных материалов, состоят из чередующихся закристаллизованных впадин и аморфных гребней, ориентированных перпендикулярно поляризации светового поля. Изменение рельефа поверхности в таких структурах не превышает нескольких нанометров. Запись протяженных структур на поверхности РСМ материалов достигается движением пленки относительно неподвижного светового пучка, либо сканированием луча относительно поверхности пленки. Аморфные и кристаллические ЛИППС характеризуются различными оптическими свойствами, в частности, коэффициентом отражения и показателем преломления, что делает получаемые периодические структуры перспективными для создания отражающих дифракционных микроэлементов. Период формируемых структур зависит от длины волны лазерного излучения, а ориентация определяется поляризацией светового поля.
2
Создание высококачественных ЛИППС на поверхности фазопеременных халькогенидных материалов достигается тем, что на данные аморфные пленки воздействуют лазерными импульсами с длиной волны 1030±10 нм при длительности ультракоротких импульсов в диапазоне от 150 фс до 2 пс, поступающих на облучаемую пленку с частотой от 1 до 500 кГц. Диаметр лазерного пучка на поверхности структурируемого материала изменяется в диапазоне от 50 до 200 мкм, причем плотность потока энергии поддерживается на уровне от 3.0 до 3.6 мДж/см и сканировании пленки относительно пучка со скоростью от 1 до 200 мкм/с. Ориентация ЛИППС перпендикулярна направлению поляризации светового пучка. Шириной записываемой полосы можно управлять смещением образца относительно фокальной плоскости: с увеличением ширины пучка увеличивается ширина записываемой линии.
2
2
Воздействие на поверхность материала плотностями потока энергии ниже 3.0 мДж/см приводит к формированию полосы ЛИППС нерегулярной ширины, а воздействие на поверхность материала плотностями потока энергии выше 3.6 мДж/см приводит к формированию полосы постоянной ширины, но с полосой сплошной кристаллизации в центральной области записанной структуры, внутри которой отсутствует периодическое чередование двух фаз.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является формирование ЛИППС в поле сканирующего лазерного пучка в доабляционном режиме. Данный способ позволяет формировать периодические структуры с контролируемыми геометрическими параметрами на больших площадях при условии обеспечения точности ориентации образца относительно светового пучка. Принципиальная важность использования фазопеременных халькогенидных материалов заключается в возможности обратной трансформации пленки посредством термического, оптического или низкочастотного электрического воздействия из кристаллического в исходное аморфное состояние (стирание). Последующее воздействие лазерными импульсами с другой или идентичной длиной волны позволяет формировать периодические структуры с другими или идентичными параметрами в той же локальной области (перезапись). Таким образом, можно осуществлять обратимое контролируемое низкоэнергетическое переключение между различными по своим оптическим характеристикам и структурным параметрам периодическими структурами.
Изобретение поясняется представленными фиг. 1-3:
фиг. 1 - принципиальная схема модификации халькогенидной пленки пучком ультракоротких импульсов, где: 1 - лазер, 2 - аттенюатор, 3, 4, 5 - зеркала, 6 - моторизированная полуволновая пластина, 7 - фокусирующая линза, 8 - трансляционный столик на воздушной подушке, 9 - образец;
фиг. 2 - запись ЛИППС на поверхности аморфной тонкой пленки фазопеременного халькогенидного материала, движущейся относительно светового пучка ультракоротких импульсов, где: Е - поляризация светового пучка, v - направление движения пленки;
2
фиг. 3 - изображение ЛИППС, полученное с помощью оптического микроскопа, внутри области облученной фемтосекундными импульсами длительностью 185 фс, частотой следования 200 кГц, плотностью потока энергии 3.4 мДж/см и скоростью сканирования 40 мкм/с.
2
2
5
2
2
5
2
Пример. Воздействие на халькогенидную пленку фазопеременного материала, в частности на поверхность аморфной тонкой пленки GeSbTe фемтосекундными импульсами длительностью 185 фс с частотой следования 200 кГц и плотностью потока энергии 3.4 мДж/см в пучке диаметром 140 мкм при скорости сканирования 40 мкм/с приводит к возникновению температурных градиентов, приводящих к кристаллизации материала в максимумах интерференционной картины. В результате на поверхности пленки GeSbTe происходит формирование полосы шириной ~ 50 мкм, заполненной ЛИППС. Период ЛИППС определяется длиной волны записывающего сканирующего пучка и в данном примере равняется ≈ 1030 нм.
По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет:
1. формировать периодические структуры на поверхности аморфных тонких пленок фазопеременных халькогенидных материалов в доабляционном режиме при использовании низкоинтенсивного лазерного излучения, что снижает требования к энергетическим характеристикам лазерной системы;
2. формировать периодически чередующиеся области с различными оптическими параметрами на поверхности облучаемой пленки без существенного изменения морфологии поверхности, т.е. исключая процессы сублимации/плавления/абляции материала;
3. осуществлять стирание сформированных структур и повторную оптическую запись структуры с другими или идентичными параметрами в той же локальной области.
Источники информации:
1. Патент РФ №2553830.
2. Патент РФ №2687889.
3. Патент РФ №2613054 – прототип.