Некоторые новые направления лазерной микро– и нанотехнологии

3

ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

НЕКОТОРЫЕ НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИИ

В.П. Вейко

Лазерные микротехнологии в настоящее время развиваются прежде всего в интересах трех важнейших направлений:

• микроэлектроника (МЭ) — осаждение тонких пленок, лазерная литография (куда входят ретушь и генерация фотошаблонов, а в более общем смысле - формирование топологии), подстройка резисторов и других электронных компонентов, запись информации, а также процессы отжига, активации, легирования микроэлектронных структур и сборочно-монтажные процессы (сварка, пайка, сверление и разделение подложек микросхем [1, 2] и т.п.);

• микромеханика (ММ) — лазерная прецизионная резка, сверление, маркировка, гравировка, скрайбирование, сварка, упрочнение и т.д. [1, 3];

• микрооптика (МО) — лазерное формирование микрооптических компонентов обработкой поверхности типа микропрофилирования, полировки, а также локальным направленным изменением структуры и свойств, например, денсификацией пористого стекла, аморфизацией стеклокерамики, закалкой и т.п., в том числе с применением дополнительных воздействий (плазмы, механических сил и т.п.) [4].

Эти три направления в совокупности обеспечивают прогресс во многих новых областях техники, таких как микросистемная, информационная, медицинская техника, связь, микроробототехника и многие другие, которые часто включают микро-, опто- и электромеханические системы (МОЭМС) как единые узлы.

В последнее время к ним добавилась фотоника (Ф) ("электроника на фотонах"), все более оформляющаяся как отдельное направление, интегрирующее основные достижения микрооптики, волоконной и интегральной оптики, микроэлектроники и оптоэлектроники.

При этом в сферу возможностей и интересов лазерной технологии включается все более широкий круг операций, к которым, наряду с перечисленными, добавляются процессы лазерного управления топологией поверхности, позиционирования микродеталей в пространстве, создание искусственных (фотонных) кристаллов и другие.

В статье рассмотрены некоторые новые направления лазерной обработки, которые являются предметом исследований кафедры лазерных технологий.

Основные физические процессы лазерного микроформообразования

1. Испарение (и абляция в расплавленной фазе) - наиболее популярный процесс, который лежит в основе большинства промышленных технологий любых материалов в МЭ, ММ, МО и Ф; в настоящее время актуальными остаются проблемы точности и качества этих процессов [5].

Вместе с тем буквально в последние годы разработаны и, главное, использованы для ЛМФО совсем иные физические принципы.

2. Нагрев до температуры размягчения (или плавления) с последующим деформированием в вязко-текучей фазе (дополненный тем или иным механическим воздействием - вытяжкой, вращением и т. п.) применяется для изготовления

ближнепольных оптических зондов, медицинского оптического инструментария и т.п. [6].

3. Направленный локальный нагрев в твердой фазе, вызывающий появление контролируемого поля напряжений, приводящего к управляемому деформированию листовых материалов (Laser forming), причем не только с целью формообразования, но и прецизионной сборки и юстировки микромеханических компонентов [7].

4. Локальный нагрев, вызывающий появление избыточного давления газа (пара) на поверхности раздела двух сред (например, пленка-подложка) с целью создания направленных микродеформаций [8].

5. Послойный синтез трехмерных объектов методом наращивания слоев, в том числе стереолитография, селективное лазерное спекание и послойная сборка из листовых материалов (laminated object manufacturing).

6. Комбинированные лазерные процессы совместного действия с другим излучением или с плазмой для инициирования поглощения и т. п..

7. Манипулирование микрочастицами (молекулярная сборка), основанное на захвате частиц в фокусе лазерного излучения давлением света и последующем построении микро- и наноструктур.

8. Формирование фотонных кристаллов на основе фемтосекундного воздействия лазерного излучения на прозрачные оптические материалы.

Далее приведены некоторые результаты исследований кафедры лазерных технологий по следующим направлениям:

1. Лазерная асферизация оптических элементов (рис. 1).

2. Лазерная полировка оптических поверхностей (рис. 2).

3. Лазерное микроструктурирование (управление микрогеометрией) поверхности (рис. 3, 4).

4. Лазерное позиционирование микродеталей (рис. 5, 6). Более подробно некоторые из них представлены в [9-10].

1. Лазерная асферизация оптических элементов.

Рис. 1, а. Лазерная асферизация оптических элементов: схема профилирования цилиндрической поверхности (на основе) лазерного

испарения стекла

1СО.ОО Уве, шш/в

О, ют

Рис. 1, б. Лазерная асферизация оптических элементов: графики изменения скорости сканирования по ширине образца Vsc (й) для получения асферической

поверхности гиперболической формы у = -(о.4-V0.16 + 4.4х2/22) с различным сжатием сканируюшей функции у (б1) и соответствующие профили изготовленных (х) и рассчитанных (-) линз (б2) [11].

2. Лазерная полировка оптических поверхностей

Рис. 2, а. Лазерная полировка стекла: электронная микрофотография стекла В-270 после механической полировки (вверху) и после дополнительной лазерной полировки (внизу), видна переходная зона между облученным и необлученным участком поверхности

Рис. 2, б. Лазерная полировка стекла: измеренные профили после механической (вверху) и лазерной (внизу) обработки стеклянных образцов [12]

Рис. 2, в. Лазерная полировка стекла: асферические цилиндрические линзы после лазерной обработки и полировки

3. Лазерное микроструктурирование поверхности

а б

Рис. 3. Микроструктуры, сформированные лазерным испарением на различных

поверхностях: а - РЭМ-изображение поверхности стальной детали, структурированной для улучшения ее трибологических свойств (ЫЬ-УДО лазер

с акустооптической модуляцией) [13], б - участок поверхности алмазного покрытия с четырехуровневым профилем цилиндрической линзы Френеля (КгР лазер) [14]; в, г - микрооптические поверхности, сформированные обработкой излучением КгР лазера (в - ИК оптический кристалл иодида цезия,

г - поликарбонат) [15]

4. Лазерное управление шероховатостью поверхности

б

в

Рис. 4, б, в. БЕМ-изображения толстых алмазных пленок до и после лазерной полировки излучением лазера на парах Си (б) и ДгР лазера (в) [17]

5. Лазерное позиционирование механических элементов в пространстве

Механизмы 1 & 2

Механизм 3

Механизм 4

Распределение температуры по сечению детали Нагревание

To >> Tu

' Tu негомогенное

To ~ Tu

пг-уп

Tu

гомогенное

To ~ Tu

*ц TP

Tu

гомогенное

Варианты деформации

Траектория облучения

Поверхностная усадка

В

Прямая

Равномерная усадка

© В

Радиус Прямая

Примеры применения

Регулировка Часть корпуса Рис. 5. Основные механизмы лазерного деформирования [7]

са

Купол Регулировка

решетчатым приводом

мост

число импульсов

двойной мост

число импульсов

угол

число импульсов

угол с выпуклостью

число импульсов

Рис. 6. Элементарные приводы на базе лазерного деформирования [7].

Литература

1. Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов. Л., Машиностроение, 1986.

2. Boyd I.W. Laser Processing of Thin Films and Microastructures // Springer Ser. Mat. Sci., Vol.3 (Springer, Berlin, Heidelberg, 1987).

3. Лазеры в технологии / Под ред. М.Ф. Стельмаха. М.: Энергия, 1975.

4. Вейко В. П. Лазерная технология формирования рефракционных оптических элементов // Известия РАН. Сер. физ. 1992. №6. С.169-176.

5. Алгаер В.В., Вейко В.П., Смирнов В.Н. Лазерная резка металлических стентов.

6. Вейко В.П., Березин Ю.Д., Чуйко В.А. и др. Лазерные технологии формирования волоконно-оптических инструментов // Известия РАН. Сер. физ. 1997. Т.61. №8. С.1627-1631.

7. Vollertsen F. Mechanisms in Laser Forming // In: M.Geiger, M.Vollertsen (editors): Laser Asssited Net shape Engineering I, Bamberg: Meisenbach (1994), p.345-360.

8. Вейко В.П., Кайданов А.И., Ковачки Х.А. и др. Локальное лазерное нанесение тонких пленок // Известия РАН. Сер. физ. 1997. Т.56. № 2. С.169-176.

9. Вейко В.П., Дышловенко С.С. Лазерное микроструктурирование поверхности / Настоящий сборник.

10. Вейко В.П., Петров А. Лазерное позиционирование микродеталей / Настоящий сборник.

11. Вейко В.П., Шакола А.Т., Яковлев Е.Б. Лазерная технология формирования асферических оптических поверхностей // Известия РАН. Сер. физ. 1997. Т.61. №8. С.1565-1572.

12. Laquarta F., Lupon N. and Armengol J. Optical glass polishing by controlled laser surface-heat treatment // Applied Optics. 1994. V.33. № 27. Р.6508.

13. G. Dumitry, V. Romano, H.P. Weber et al. Laser microstructuring of surface for improving of their tribological performance // Proceedings SPIE.. V.4157, LaserAssisted Microtechnology 2000. Р.105. 2001.

14. V.I. Konov, V.V. Kononenko, S.M. Pimenov et al. Excimer laser micromachining for fabrication of diamond diffractive optical elements // Proceedings SPIE, v.3933, Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing, p.322, 2000.

15. M. Gower. Excimer laser microfabrication and micromachining // Proceedings SPIE. 2000. V.4088. Laser Precision Microfabrication. Р.124.

16. Вейко В.П., Тучкова E.A. Способ лазерной обработки поверхности материалов. А.с. № 1107431 от 08.04.84.

17. S.M. Pimenov, V.V. Kononenko, V.I. Konov et al. Laser polishing of diamond plates // Applied Physics A. 69 (1). Р.81. 1999.