Aplicações de Processamento de Interferências a Laser (2)

Estruturação de filmes metálicos monocamada e multicamada

Recentemente, técnicas de interferência a laser têm sido aplicadas para a padronização periódica de longo alcance de superfícies metálicas de película fina. A técnica de interferência oferece um grande potencial para micro-usinagem e micronanestruturação de filmes finos para aplicações em microeletrônica e micromecânica. Estudos extensos têm sido conduzidos sobre a interação de padrões de interferência de laser com filmes de monocamada e multicamadas. Vários fenômenos durante tais interações incluem fusão não homogênea, transformações de fase, reações intermetálicas, etc.

Estruturação de Filmes Monolayer

Quando um padrão de interferência de laser com distribuição de energia modulada é irradiado na superfície de um filme, a energia absorvida pode causar o aquecimento espacial, fusão e evaporação do filme, dependendo dos limiares de energia para vários efeitos. Na maioria dos casos, as aplicações de estruturação de laser para filmes finos empregam energias laser suficientemente altas para induzir a fusão dos filmes. Devido à fraca condutividade dos substratos subjacentes, a maior parte da energia do laser absorvida está confinada no filme fino, resultando num tempo de duração de fusão significativamente mais longo em comparação com o tempo de pulso do laser. Os tempos de duração de fusão mais longos dão origem a processos físicos, tais como o fluxo hidrodinâmico de fusão, responsável pela texturização física das superfícies. A Figura 11.15 apresenta as estruturas periódicas típicas obtidas por padrões de interferência de dois feixes e quatro feixes irradiados em filmes de ouro de monocamada (espessura de 18nm) depositados em substratos de vidro. A formação dessas características periódicas topográficas periódicas é devida à redistribuição do material do filme derretido nas regiões “quentes” e “frias” da superfície (Kaganovskii et al. 2006).

A espessura do filme desempenha um papel importante em influenciar a formação de estruturas superficiais periódicas durante o processamento de interferência. Para o caso de películas de ouro muito finas (espessura < 17 nm) em substratos de vidro, observou-se que o rebordo (desumidificação) do filme fundido ocorre nas regiões quentes seguido pelo movimento das esferas em regiões frias. No entanto, para filmes espessos (espessura > 17 nm),

Fig. 11.13 Imagens TEM de linhas cristalizadas a laser de filmes SiGe cristalizadas a duas temperaturas diferentes: (a) 25 ° C e (b) 740 ° C. (Reimpresso de Eisele et al. 2003. Com permissão. Copyright Elsevier.) Fluxo hidrodinâmico completo do material do filme derretido (em vez de desbotar) resulta em estrutura periódica alta e estreita bem definida. Além disso, a espessura do filme determina a intensidade limite do laser (isto é, densidade de potência) necessária para induzir as alterações morfológicas e a fabricação de estruturas periódicas. A Figura 11.16 mostra que para espessuras de filme na faixa de 5 a 15 nm, a intensidade do limiar diminui com a espessura do filme; enquanto que, para espessuras de filme acima de 15 nm, a intensidade do limiar aumenta com a espessura do filme (Kaganovskii et al. 2006).

Fig. 11.14 A imagem AFM do filme SiGe cristalizou utilizando a digitalização de cristalização por interferência a laser (SLIC). A corrosão por plasma seletivo foi aplicada para visualizar os limites dos grãos. (Reimpresso de Eisele et al. 2003. Com permissão. Copyright Elsevier.)

Fig. 11.15 Estruturas periódicas produzidas em filme de ouro de 18 nm de espessura por (a) laser de dois feixes interfer et al. 2006. Com permissão. Instituto Americano de Física Copyright.

Estruturação de Filmes Metálicos Multicamadas

A maior parte do trabalho na área de processamento de interferência a laser de filmes multicamadas é conduzida pelo Prof. Mücklich e seu grupo de pesquisa na Alemanha. As combinações de uma variedade de materiais metálicos foram usadas para produzir os filmes de duas camadas e trilayer em substratos de vidro que foram subsequentemente irradiados com o laser

Fig. 11.16 Variação da intensidade de limiar calculada necessária para produzir mudanças morfológicas e formação de estrutura periódica no filme de ouro de 18 nm usando o processamento de interferência a laser. As curvas marcadas 1, 2, 3 e 4 correspondem à periodicidade de 2, 3,5, 5 e 10nm respectivamente. Os pontos experimentais mostrados na figura foram obtidos para a periodicidade de 5 nm. (Reimpresso de Kaganovskii et al. 2006. Com permissão. Copyright American Institute of Physics.) Padrões de interferência. Ao contrário dos filmes em monocamada, os filmes em multicamadas apresentam complexidade adicional devido à diferença nas propriedades termofísicas dos metais constituintes e às correspondentes respostas diferentes à irradiação do laser.

Para os filmes multicamadas com material de alto ponto de fusão na camada superior, três morfologias distintas das estruturas de interferência foram observadas, dependendo da fluência de energia do laser. Os vários sistemas estudados para interferência incluem vidro Fe-Al, vidro Fe-Ni, vidro Ti-Al e vidro Ti-Ni. Acima de certa fluência do laser, F, a energia do laser absorvida é suficiente para causar o derretimento da camada inferior, que é composta do material de baixo ponto de fusão. O derretimento da camada inferior exerce a pressão sobre a camada superior não fundida (composta de alto ponto de fusão), resultando na deformação da camada superior. As deformações externas da camada superior aparecem como um padrão periódico na superfície do filme. O mecanismo é esquematicamente apresentado na Fig. 11.17, onde A representa a camada superior do material com maior ponto de fusão e B representa a camada inferior do material com menor ponto de fusão. Se a fluência do laser é aumentada além de F, o derretimento do B

Fig. 11.17 Esquema dos mecanismos de formação de várias morfologias superficiais durante o processamento por interferência a laser de filmes de duas camadas com material de ponto de fusão mais alto (A) na camada superior e material de ponto de fusão mais baixo (B) na camada inferior: irradiação da superfície com a distribuição de intensidade modulada em padrão de interferência, (b) deformação da camada superior induzida pela fusão da camada inferior, (c) quebra da camada superior, (d) padrão periódico quando a remoção do material é iniciada, e (e) padrão periódico com grande valor de fluência a laser. (Reimpresso de Lasagni e Mucklich 2005b. Com permissão. Copyright Elsevier.)

camada continua até o ponto de fusão de A é atingido. Eventualmente, a camada A se quebra resultando na ejeção do material. Isso corresponde à fluência do laser, na qual a remoção do material é iniciada. A remoção do material no pico de interferência resulta na depressão entre dois picos consecutivos na estrutura superficial do filme. Um aumento adicional na fluência do laser além de F, causa o aumento da remoção de material com o aumento da profundidade da depressão na máxima interferência, resultando em uma estrutura periódica bem definida. Estes mecanismos foram confirmados pela observação experimental das estruturas superficiais de filmes bimetálicos irradiados com padrões de interferência a laser em várias fluências. A Figura 11.18 mostra as topografias superficiais e os perfis laterais do sistema Fe-Ni-glas, para o qual F e F correspondem a 151 e 201 mJ / cm2 respectivamente (Lasagni e Mucklich 2005a, b).

Esforços extensos de modelagem térmica foram conduzidos para compreender o comportamento de fusão das várias camadas em filmes finos multicamadas compostos de dois metais constituintes diferentes. Esses esforços de modelagem térmica foram baseados em equações de transferência de calor semelhantes à Eq. (11.4). A Figura 11.19 apresenta um desses resultados de modelagem com base na análise de elementos finitos para o filme multicamada de Ni-Al irradiado com padrão de interferência a laser. As espessuras das camadas individuais de Al e Ni foram de 20 e 30,3 nm, respectivamente, e o filme foi irradiado com laser Nd: YAG Q comutado com um comprimento de onda de 355 nm. A figura indica que uma quantidade significativa de alumínio se funde nas camadas superiores do filme causando a distorção das camadas de níquel. A fusão significativa das camadas correspondentes de níquel requer

Fig. 11.18 Várias topografias superficiais e perfis verticais de estruturas superficiais em filmes Fe-Ni – glass irradiados com padrões de interferência a laser.

maior fluência do laser devido ao maior ponto de fusão do níquel do que o do alumínio. Além disso, a estruturação periódica de filmes multicamadas com o padrão de interferência do laser está associada às mudanças na distribuição de tensões e texturas, dependendo das condições térmicas predominantes durante as interações entre material e laser (Daniel et al. 2004).