Устройство оптической очистки твердой поверхности от наночастиц
DEVICE FOR OPTICAL CLEANING OF SOLID SURFACE FROM NANOPARTICLES

Изобретение относится к устройствам очистки твердых поверхностей от нано- и микрочастиц и может быть использовано для удаления наночастиц с поверхности полупроводниковых пластин после их шлифовки, а также в космической оптике, оптике высокого разрешения, фотонике, иных нанотехнологиях.
Наиболее совершенными способами очистки твердых поверхностей от наночастиц являются лазерные способы, т.к. они позволяют очищать заданную область подложки, не затрагивая уже очищенные участки (локальность воздействия), и подстраивать величину воздействия под тип загрязнения (регулируемость воздействия).
3
Тем не менее, в существующих лазерных методах очистки твердых поверхностей от наночастиц развиваются высокие температуры, доходящие до 10°С, либо высокие ударные давления, достигающие нескольких ГПа. С учетом того, что воздействие на поверхность в этих методах должно быть, как правило, многократным (десятки и сотни импульсов на одну область), это вызывает большой риск повреждения очищаемой поверхности.
2
2
2
2
2
Известно устройство удаления микрочастиц с подложек направленными импульсами твердотельного лазера, основанного на испарении этих частиц. Так, в [J.M. Lee,С.Curran, K.G. Watkins. Laser removal of copper particles from silicon wafers using UV, visible and IR radiation // Appl. Phys.A73, 219 - 224 (2001)] исследовали удаление медных частиц диаметром 1 мкм с поверхности кремниевых пластин нормально направленными импульсами твердотельного лазера длительностью 10 нс в 10-кратной повторности на трех длинах волн. Было установлено, что 100% очистка поверхности от частиц для λ=266 нм достигалось при плотности энергии 0,18 Дж/см, а для λ=532 нм - при 0,46 Дж/см. Для λ=1064 нм воздействие в 0,6 Дж/смубирало только от 18% частиц, а увеличение плотности энергии до 0,8 Дж/смпривело к разрушению поверхности. Для плотности мощности 0,4 Дж/см, и λ=266, 532 и 1064 нм температура поверхности пластин во время лазерного импульса составила, соответственно, 1000, 600 и 50°С.
2
2
Исследования [A. Kearns, С.Fischer, K.G. Watkins, М. Glasmacher, Н. Kheyrandish, A. Brown,W.M. Steen, P. Beahan // Laser removal of oxides from a copper substrate using Q-switched Nd:YAG radiation at 1064 nm, 532 nm and 266 nm. Applied Surface Science, 127 -129, 773 - 780 (1998)] с теми же длинами волн, но при большей плотности мощности показали, что локальное плавление поверхности на λ=532 нм происходит при воздействии в 5 Дж/см, тогда как на λ=266 нм оно происходит при 0,1 Дж/см. Кратное увеличение плотности мощности приводит к образованию кратера на поверхности пластин. При этом, вне зависимости от наличия или отсутствия кратера, поверхность пластин после воздействия луча представляет собой застывшие концентрические волны.
Указанные результаты говорят о том, что устройства, основанные на непосредственном воздействии лазерного импульса на поверхность, хотя и позволяют достичь ее полной очистки, но при использовании инфракрасного или видимого излучения приводят к ее разрушению, что недопустимо для микроэлектронного производства. Использование же ультрафиолетового излучения, хотя и позволяет избежать механического и теплового разрушения поверхности может приводить к ее фотохимической деградации, что также недопустимо. Кроме того, мощные импульсные лазеры и особенно ультрафиолетовые, являются дорогостоящим оборудованием с ограниченным ресурсом службы (числом импульсов).
2
2
2
В [K.G. Watkins, Carmel Curran, Jong-Myung Lee. Two new mechanisms for laser cleaning using Nd:YAG sources // Journal of Cultural Heritage, 4, 59 - 64 (2003)] предложено два альтернативных способа импульсной лазерной очистки поверхности от микрочастиц и устройств на их основе. В первом устройстве луч лазера падает под скользящим углом к поверхности. При этом, хотя поверхностная плотность энергии меньше, чем в традиционном способе с нормальным падением луча, а значит меньше и коэффициент очистки, зато растет скорость процесса. Так, для достижения 100% очистки твердой поверхности импульсами с λ=1064 нм и τ=10 нс при угле падения луча 10° достаточно было поверхностной энергии 0,1 Дж/см, а при угле 90° требовалась плотность в 1 Дж/см. Температура поверхности в момент импульса для этих значений угла была рассчитана как 1800 и 400°С. В то же время скорость очистки при угле 90° была в 10 раз больше, чем при угле 10°. Во втором устройстве воздействие лазерного луча происходит не непосредственно на поверхность, что снижает вероятность ее повреждения. Пучок направляется параллельно поверхности на высоте 1 - 10 мм, а за счет электрического пробоя воздуха возникают плазменные ударные волны, удаляющие микро и наночастицы с поверхности. При плотности энергии импульса 2 Дж/сми длительности 10 нс расчетное давление плазмы составило 2,2 тыс.атмосфер. При размере частиц в 1 мкм это давление вызывает силу в 10 раз больше Вандер-Ваальсовых, капиллярных или электростатических сил, удерживающих частицы на поверхности. Однако при уменьшении диаметра частиц до 1 нм сила воздействия плазмы становится одного масштаба с силами их удерживания.
Оба устройства, предложенные в [K.G.Watkins, Carmel Curran, Jong-Myung Lee. Two new mechanisms for laser cleaning using Nd:YAG sources // Journal of Cultural Heritage, 4, 59-64 (2003)], использующие наклонное и параллельное расположение луча к очищаемой поверхности, обладают теми же недостатками, что и устройство, использующее перпендикулярный к поверхности лазерный импульс, а именно - использованием дорогостоящего мощного импульсного лазера и большим нагревом поверхности (сотни и тысячи градусов), либо большим давлением ударной волны (тысячи атмосфер), что в любом случае оказывает деструктивное воздействие на очищаемую поверхность.
2
2
В [W.D. Song,М.Н. Hong, В. Lukyanchuk, and Т.С.Chong. Laser -induced cavitation bubbles for cleaning of solid surfaces // Journal of Applied Physics 95, 6, 2952-2956 (2004)] разработаны способ и устройство удаления частиц, основанные на формировании в объеме жидкости у очищаемой подложки пузырьков газа за счет ударных волн в жидкости, созданных импульсом сфокусированного лазерного излучения. Использовали лазер с λ=248 нм и τ=23 нс, в фокусе луча которого сечением 2 ммдостигалась плотность энергии 13,5 Дж/см.
Установлено, что действовало два механизма очистки. При схлопывании пузырька непосредственно у поверхности возникало давление около 6,4 ГПа, в то время как при схлопывании на заметном расстоянии L от поверхности на частицы действовала струя воды со скоростью 140 м/с и избыточным давлением лишь 0,21 ГПа. По этой причине эффективность очистки росла с приближением луча к подложке. Для частиц кремния диаметром 1 мкм на кремниевой подложке она составила 20% при L=16 мм и 100% при L=0,1 мм при числе импульсов в обоих случаях 100 шт.
Недостатками данного способа и устройства являются использование дорогостоящего лазера, а также крайне высокое ударное давление (порядка ГПа), которое несет высокий риск повреждения очищаемых поверхностей.
Известно устройство для очистки твердых поверхностей по патенту PCT WO 03/106060 A2, Device for cleaning the surface of a component, состоящее из одного или двух лазеров, один из которых фокусирует лазерное излучение по нормали к очищаемой поверхности, а второй фокусирует лазерное излучение под углом к этой же поверхности, в предельном случае направлен параллельно очищаемой поверхности.
Недостатками данного устройства являются использование дорогостоящего лазера, а также крайне высокое ударное давление (порядка ГПа), которое несет высокий риск повреждения очищаемых поверхностей.
Таким образом, общим недостатком всех известных лазерных устройств очистки поверхностей от микро- и наночастиц является большое тепловое, фотохимическое, либо ударное воздействие на эти поверхности, что несет высокий риск повреждения очищаемых поверхностей.
Известно устройство оптической очистки твердой поверхности от наночастиц и принятое за прототип [Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Yinghui Cao, Zhenyu Liu, Yuri E. Geints & Alina Karabchevsky. Optical vacuum cleaner by optomechanical manipulation of nanoparticles using nanostructured mesoscale dielectric cuboid // Scientific RepoRtS | (2019) 9:12748 | https://doi.org/10.1038/s41598-019-49277-9], включающее источник лазерного излучения, облучающий мезоразмерную диэлектрическую частицу в форме кубоида с характерным размером не менее длины волны используемого излучения и с эффективным показателем преломления материала приблизительно равного 2, а вдоль оптической оси по кубоиду выполнено отверстие с диаметром менее половины длины волны используемого излучения.
В результате исследований было установлено, что при величине эффективного показателя преломления материала диэлектрической мезоразмерной частицы порядка 2, область фокусировки излучения перемещается к теневой поверхности частицы кубоида и при дальнейшем увеличении величины эффективного показателя преломления перемещается внутрь отверстия кубоида. В результате градиента оптических сил, наночастицы, находящиеся на твердой поверхности захватываются этими силами и перемещаются внутрь отверстия в кубоиде.
Установлено, что характерный размер мезоразмерной диэлектрической частицы должен составлять не менее длины волны используемого излучения, при меньшем размере область фокусировки излучения на теневой поверхности частицы не формируется.
Достоинством устройства является возможность очистки твердой поверхности от микро- и наночастиц с минимальным тепловым, фотохимическим, либо ударным воздействием на эти поверхности и не повреждая очищаемые поверхности.
Недостатком устройства является его низкая эффективность, обусловленная малой величиной очищаемой поверхности при минимальном риске повреждения очищаемой поверхности.
Указанная задача решена благодаря тому, что устройство оптической очистки твердой поверхности от наночастиц, содержит источник лазерного излучения, облучающий мезоразмерную диэлектрическую частицу с характерным размером (диаметром) не менее длины волны используемого излучения и эффективным показателем преломления материала приблизительно равным 2, в мезоразмерной частице выполнено отверстие с диаметром менее половины длины волны используемого излучения, новым является то, что мезоразмерная частица имеет форму цилиндра или прямоугольного параллелепипеда, облучение производят по боковой поверхности частицы, а отверстие выполнено непосредственно на теневой поверхности мезоразмерной частицы вдоль ее боковой поверхности.
В результате проведенных исследований, было обнаружено, что мезоразмерная диэлектрическая частица в форме цилиндра или прямоугольного параллелепипеда с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения в среде, с относительным показателем преломления в материале частицы относительно показателя преломления окружающей среды порядка 2, формирует непосредственно на ее внешней теневой границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4. При выполнении отверстия с характерным размером менее λ/2 непосредственно на теневой поверхности мезоразмерной частицы вдоль ее боковой поверхности область фокусировки частично заходит в тело частицы. В этой области возникает градиент оптических сил [Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. -1970. - Vol.24(4). - P. 156 - 159; Ashkin A., Dziedzic J. M. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles // Opt. Lett. - 1986. - Vol.11(5). P. 288 - 291] воздействующих на микро- и наночастицы расположенные на твердой поверхности. Эти радиационные силы используются для бесконтактного и неразрушающего захвата отдельных частиц и их перемещения внутрь мезоразмерной частицы. Размер отверстия в мезоразмерной диэлектрической частице определяет порядок величины области фокусировки и градиент оптической силы действующей на микро- и наночастицы.
На фиг.1 приведена схема устройства с мезоразмерной диэлектрической частицей в форме цилиндра, а на фиг.2 с частицей в форме прямоугольного параллелепипеда.
Обозначения: лазерное излучение - 1, мезоразмерная диэлектрическая частица в форме цилиндра - 2, отверстие в частице - 3, микро- и наночастицы - 4, твердая поверхность - 5, мезоразмерная диэлектрическая частица в форме прямоугольного параллелепипеда - 6.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Лазерное излучение 1 освещает боковую поверхность мезоразмерной диэлектрической частицы в форме цилиндра 2 или прямоугольного параллелепипеда - 6. При эффективном показателе преломления материала диэлектрических частиц 2, 6 порядка 2, на непосредственно их теневой поверхности возникает область фокусировки излучения, частично располагающаяся в материале частиц 2, 6. В этой области выполнено отверстие 3 с характерным размером менее половины длины волны излучения. В этой области возникает градиент оптической силы действующей на микро- и наночастицы 4, расположенные на твердой поверхности 5. Очищаемая твердая поверхность 5 размещается параллельно теневой поверхности мезоразмерной диэлектрической частицы 2, 6. В результате взаимодействия радиационных сил с частицами 4, частицы 4 перемещаются во внутрь отверстия 3 бесконтактным способом, не повреждая твердую поверхность 5.
Техническим результатом является создание устройства оптической очистки твердой поверхности от наночастиц с высокой эффективностью работы за счет большей поверхности одновременного удаления микро- и наночастиц с твердой поверхности бесконтактным методом.