Взаимодействие лазерного излучения с алмазными пленками

Оглавление

Введение

Глава 1. Газофазный синтез алмазных пленок

1.1. Введение

1.2. Повышение плотности зародышеобразования алмаза на неалмазных подложках.

Осаждение ультратонких алмазных пленок

1.3. Лазерно-индуцированное селективное осаждение алмазных пленок

1.4. Выводы

Глава 2. Лазерная абляция алмазных пленок

2.1. Введение

2.2. Взаимодействие излучения импульсного СО2 лазера с алмазными пленками

2.2.1. Облучение свободных алмазных пленок

2.2.2. Облучение алмазных пленок на подложках

2.3. Лазерная абляция алмазных пленок импульсами эксимерных лазеров

2.3.1. Влияние микроструктуры пленок и условий облучения (длина волны, плотность энергиии, длительность лазерного импульса, окружающая газовая среда) на пороги абляции и скорости травления

2.3.2. Структура и электронные свойства лазерно-модифицированной поверхности алмаза

2.4. Выводы

Глава 3. Лазерная полировка алмазных пленок

3.1. Введение

3.2. Лазерная полировка тонких алмазных пленок

3.3. Структура и трибологические свойства лазерно-полированных алмазных пленок

3.4. Лазерная полировка алмазных пластин

Оптические свойства лазерно-полированных алмазных пластин

3.5. Выводы

Глава 4. Лазерно-индуцированная электронная эмиссия из алмазных пленок

4.1. Введение

4.2. Влияние микроструктуры пленок и параметров облучения на характер фотоэмиссии

4.3. Влияние нанесения ультратонких металлических слоев на выход фотоэмиссии

4.4. Выводы

Заключение

Список литературы



Введение

Актуальность работы

С момента первых работ по получению алмаза из газовой фазы при низких давлениях [1] и осаждению поликристаллических алмазных пленок на неалмазных подложках [2,3] достигнут колоссальный прогресс в технологиях газофазного синтеза и создании (в основном за последние десять лет) различного типа плазменных реакторов, позволяющих выращивать алмазные пленки на большой площади (от десятков до сотен кв.см) и толщиной порядка 1-2 мм [4]. Оптические, теплопроводностные и электронные свойства таких алмазных пластин, получаемых при оптимальных режимах осаждения, практически совпадают с характеристиками монокристаллов алмаза типа На [4-6], что открывает большие возможности новых применений газофазного алмаза в передовых технологиях.

Роль лазерных методов применительно к развивающимся алмазным технологиям также постоянно возрастает, и подтверждением этому могут служить материалы Международной конференции по использованию лазеров в синтезе, характеризации и обработке алмазов ("Lasers in Synthesis, Characterization, and Processing of Diamond") [7], состоявшейся в г.Ташкенте (Узбекистан) в октябре 1997 г. Если в недалеком прошлом лазеры применялись в основном для резки и маркировки алмазных монокристаллов, и в значительно меньшей степени для исследования их структуры и электронных свойств (например, методами КР спектроскопии и фотопроводимости), то с появлением алмазных пластин высокого качества появились новые возможности и новые потребности более полного использования лазерных технологий в процессах обработки и исследовании свойств газофазного алмаза. Для алмазных пленок и особенно пластин большого размера и толщиной в сотни микрон очень актуальной является проблема полировки шероховатой ростовой поверхности, а для различных применений в электронике, оптике, оптоэлектронике, микромеханике требуется разработка эффективных методов микроструктурирования и металлизации алмазной поверхности. В этих вопросах как и в других, касающихся синтеза и характеризации газофазного алмаза, лазерные методы находят самое широкое применение. Следует, в частности, отметить некоторые из последних достижений, отражающих тенденцию возрастающего взаимопроникновения лазерных и алмазных технологий, среди которых работы по лазерно-плазменному синтезу алмазных пленок при атмосферном давлении



[8], изготовлению алмазных окон для мощных СОг лазеров [5], созданию элементов алмазной дифракционной оптики для дальнего ИК диапазона методом селективного лазерного травления алмазных пластин [9,10], созданию источника терагерцового излучения на базе алмазного оптоэлектронного ключа [11].

К моменту начала исследований по взаимодействию импульсного лазерного излучения с алмазными пленками (работы в Институте общей физики АН были начаты в 1987 г.) не существовало опубликованных работ других авторов в данной области и лишь небольшое число публикаций было известно по импульсному лазерному воздействию на кристаллы природного алмаза [12-17]. Данный факт отражает, с одной стороны, реальную ситуацию середины 80-х, когда лишь немногие исследовательские группы имели достаточный научный опыт и возможности выращивать алмазные пленки с контролируемыми свойствами. С другой стороны, причины затруднений при экспериментальных исследованиях природных монокристаллов хорошо известны и связаны с их малыми размерами, обычно не превышающими нескольких миллиметров, и	высокой	стоимостью монокристаллических алмазных подложек, при	том что

кристаллы	(даже	в пределах одного типа по существующей для	алмазов

классификации) весьма разнообразны по свойствам. Поэтому появление технологий газофазного синтеза алмазных пленок и особенно прогресс в получении пленок и пластин высокого качества, близких по своим свойствам к природным кристаллам, типа Па, фактически снимает вышеуказанные для монокристаллических подложек проблемы и	открывает для	экспериментаторов отличные возможности всестороннего и

детального исследования лазерно-стимулированных процессов в алмазе. Накопленный в	ИОФАН	опыт	фундаментальных и прикладных исследований в	области

взаимодействия лазерного излучения с веществом, как и параллельное развитие работ по синтезу алмазных пленок и пластин, лежат в основе того, что многие выполненные в ИОФАН экспериментальные работы по лазерному облучению алмазных пленок имеют неоспоримый научный приоритет.

Состояние проблемы

При анализе процессов взаимодействия лазерного излучения как с алмазными пленками так и с природными монокристаллами представляется логичным провести условное разграничение между лазерно-индуцированными эффектами, происходящими



поверхности алмазных частиц. Такая обработка поверхности является широко распространенной при химическом осаждении из газовой фазы и приводит к увеличению плотности центров нуклеации до Ы(1~(2-5)Т08 см'2 [108]. Далее проводилось лазерное облучение с плотностью энергии, большей Епл, но не слишком отличающейся от порога плавления и не превышающей порога испарения кремния.

В результате в зоне облучения наблюдалось значительное уменьшение Ка; так, при действии 1500 импульсов с Е=700 мДж/см2 плотность нуклеации уменьшалась до Н]~106-105 см'2. После лазерного облучения образцы переносились в реактор, где проводилось химическое осаждение в течение 2 часов. Алмазные структуры, полученные после воздействия 3000 лазерных импульсов с Е=710 мДж/см2, приведены на рис. 8(6). Отметим полное подавление роста алмазной пленки в зоне облучения. Увеличение энергии в импульсе сопровождалось уменьшением количества лазерных импульсов, обеспечивавших полное подавление осаждения алмаза на облученных участках. При Е=1.4 Дж/см2 это происходило после действия N=500 импульсов, а в случае достижения порога испарения ~4 Дж/см2 одного импульса было достаточно, чтобы подавить рост алмаза в пятне облучения (при этом однако имел место вынос расплава из пятна облучения, что приводило к сильно неоднородному осаждению пленки на необлученных участках).



Рис. 8. Микроструктуры алмаза, селективно осажденные на кремнии методом лазерной очистки (а) и поверхностного плавления (б) [47].

Анализ причин наблюдаемого эффекта подавления осаждения алмаза при лазерном плавлении более сложен, чем в предыдущем методе лазерной очистки. Это связано, прежде всего, с двойственной природой центров нуклеации, индуцированных на поверхности кремния в процессе ультразвуковой обработки (алмазные