CC BY
33
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА Том 149, кн. 1 Физико-математические пауки 2007
УДК 535.3
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР
А.П. Чуклапов, Р.Г. Гатиятов, Д.А. Бизяев,
П.А. Бородин,, М.Ф. Галяутдипов, А.А. Бухараев
Аннотация
В данной работе выполнены эксперименты по изготовлению микро- и наноструктур па поверхности твердых тел. Для этого использовался метод импульсного лазерного испарения. применяющийся для модификации поверхности имплантированных стекол. Выли получены микроперемычки из пленок N1 и Со толщиной 10 20 им. Ширила перемычек составляла 2 3 мкм. Даппый тип структур может послужить основой для создания папо-коптактов магпиторезистивпых элементов спиптропики. Использование атомно-силовой микроскопии (АСМ) позволило определить с большой точностью толщину пленок металла и шприцу получаемых микроперемычек, а также визуализировать металлические папо-частицы. образовавшиеся па подложке под действием лазерного излучения. Для анализа АСМ-изображепий папочастиц и получения количественных параметров, таких как распределение частиц по размеру, использовалась компьютерная программа, разработанная авторами.
Введение
Взаимодействие оптического излучения с поверхностью различных материалов является на сегодняшний день бурно развивающейся отраслью науки и продолжает привлекать внимание исследователей. При этом можно выделить две проблемы, которым уделяется сейчас наибольшее внимание: первая изучение процессов, лежащих в основе оптической записи и считывания информации: вторая изучение процессов модификации поверхности лазерным излучением, в частности, формирование на поверхности нано- и субмикрониых структур различной природы.
В данной работе были проведены исследования по совершенствованию методов получения микро- и наноструктур на поверхности твердых тел с помощью импульсного лазерного воздействия. Эти исследования основываются, в частности, на изобретении Л*1' 1231818 «Способ формирования микрорельефа на поверхности силикатного стекла» [1]. В основе данного изобретения лежит эффект поглощения лазерного излучения топкими иаиометровыми пленками с высоким коэффициентом поглощения, сформированными на оптически прозрачной подложке. При таких условиях энергия поглощенного света практически полностью выделяется в тонком поверхностном слое. Если лазерное излучение имеет высокую плотность энергии, то это приводит к локальному испарению пленки [2].
В данной работе были поставлены две задачи: получение микроперемычек из ферромагнитной металлической пленки нано-метровой толщины. Данный тип структур может послужить основой для создания наноконтактов магниторезистивных элементов сшштроники;
выяснение возможности получения наночастиц импульсным лазерным испарением металлических иаиоплеиок с поверхности.
Рис. 1. Схема установки на базе импулвсного азотного лазера ЛГИ-21. 1 - короткофокусная линза; 2 - световод с источником света для подсветки образца; 3 - образец: тонкая металлическая пленка на поверхности стекла; 4 - держатель образца с микрометрической подвижкой; 5 - УФ-светофильтр; б - длиннофокусный микроскоп с цифровой видеокамерой, подсоединенной к компьютеру
1. Описание установок
Для испарения поглощающих свет нанопленок использовались два типа установок. Схема первой приведена на рис. 1. Основным ее элементом является импульсный азотный лазер ЛГИ-21 (А = 337 нм, тимп = 10 не, частота следования импульсов - 100 Гц, средняя мощность - 4 мВт), используемый для формирования структур заданной конфигурации путем локального испарения полупрозрачной металлической пленки сфокусированным лазерным излучением.
Диаметр сфокусированного лазерного пятна на образце составлял 10-25 мкм. Образец крепился на двухкоординатной микроподвижке, перемещающей образец с точностью 2-3 мкм в плоскости, перпендикулярной падающему лучу лазера. Объектив длиннофокусного микроскопа размещен за образцом и отделен от него ультрафиолетовым (УФ) светофильтром, поглощающим излучение лазера. Наличие встроенной в микроскоп цифровой видеокамеры, подключенной к компьютеру, позволяло в реальном времени контролировать процесс испарения металлической пленки при перемещении образца относительно луча лазера.
Вторая установка использовалась для получения микроструктур с помощью интерференционного лазерного испарения полупрозрачных металлических пленок (рис. 2). Основа этой установки - твердотельный лазер на основе стекла с N<1 (лазер марки ЛТИП4-1, А = 1.06 мкм, тимп = 30 не, плотность энергии - до 2 Дж/см2). Половина лазерного луча проходит через преломляющую призму, затем оба луча фокусируются на поверхности образца. В месте их падения на образец формируется интерференционная картина с периодом, который определяется выражением <і = А/2 ят(а/2), где А - длина волны лазерного излучения, а - угол между лучами, падающими на образец. В местах расположения пнтерференцпон-
2
для локального испарения поглощающей свет нанопленки.
2. Эксперименты и обсуждение результатов
Исследованные образцы представляли собой металлические пленки Со пли N1, нанесенные термическим напылением в вакуумной установке ВУП-5. В качестве
2)
ЛТИП4-1 1
л
Рис. 2. Схема установки на базе импульсного N(1-лазера ЛТИП4-1: 1 - луч лазера, 2 -призма для разделения луча на две компоненты, 3 - диафрагма, 4 - образец
Рис. 3. Формирование микроперемычек сфокусированным лазерным излучением: а) исходная структура, полученная напылением Ni на Si02 через маску (изображение получено в режиме просвечивания: Ni - темный, подложка - светлая); б) получение микроперемычки путем сканирования образца сфокусированным лазерным излучением, 1 -участки, с которых лазерным излучением удален металл; в) микроперемычка шириной в 2 мкм, полученная с помощью лазера
мером 5x5x2 мм. Условия напыления подбирались такими, чтобы пленки были полупрозрачными, то есть поглощали от 30 до 70% падающего излучения. Для получения нужной конфигурации пленки поверхность перед напылением защищалась специальной маской. Таким образом были получены образцы с металлическими перемычками шириной от 100 до 200 мкм между макроскопическими участками, которые используются в дальнейшем как контактные площадки.
Всего данным способом было получено более 100 образцов. Использование атомно-силовых микроскопов (ACM) Solver Bio и Solver Р47 (фирмы НТ-МДТ) позволило с высокой точностью контролировать различные параметры нанесенных на подложку металлических пленок, в том числе толщину пленки, которая в зависимости от режима напыления, лежала в интервале от 20 до 100 нм. Пример АСМ-изображения границы пленки приведен на рис. 4.
Результаты проведенных исследований показали, что импульсное лазерное взаимодействие с поглощающими свет нанопленками может быть успешно использовано для формирования на поверхности микро- и наноструктур. Для локального испарения полупрозрачной нанопленки достаточно плотности энергии порядка 1 Дж/см2 . Контролируемое с помощью оптического микроскопа и видеокамеры перемещение сфокусированного луча лазера позволило получить микроперемычки в нанопленках Ni и Со шириной в 2 мкм (рис. 3, б и в). Это означает, что разработанная нами методика не уступает по латеральному разрешению известным методам фотолитографии с использованием фоторезистов. В то же время, наш метод имеет
ит
35
О
Рис. 4. АСМ-изображение ступеньки - края пленки N1 на подложке из ЭЮг- Толщина пленки 30 им
существенное преимущество, так как в нем не используются «мокрые» процедуры по химическому травлению засвеченного через фотошаблон фоторезиста и последующей отмывке образцов. Конечно, ширины микроперемычки в 2 мкм еще не достаточно для получения достаточно большого магниторезистивного эффекта. Однако очевидно, что с помощью разработанного нами метода можно получать структуры более сложных конфигураций (например, зигзагообразные и спиралевидные). которые обладают большим магнитосоиротивлением [3]. Кроме того, полученные памп структуры можно использовать как исходные для дальнейшего формирования на их основе магниторезистивных наиоконтактов с помощью ионного или электрохимического травления [4].
Методом интерференционного лазерного испарения были получены периодические структуры, представляющие собой N1 полоски шириной в 2 мкм (рис. 5. о), находящиеся друг от друга на расстоянии также около 2 мкм. Полученные структуры имеют две особенности: у них достаточно неровные края и на поверхности присутствуют ианочастицы. Многочисленные эксперименты по лазерному интерференционному испарению показали, что в результате данного процесса на поверхности образуется большое число частиц. Причем количество частиц на единицу площади сильно зависит от их размера. Горизонтальные размеры наночастиц лежат в интервале от 200 до 600 нм. высота достигает 350 нм (рис. 6). Механизм их формирования еще не совсем ясен. Вероятнее всего, испаренный с поверхности металл осаждается на поверхности уже в виде наночастиц.
Для количественного анализа наночастиц была применена программа, разработанная на основе предложенного ранее алгоритма [о]. Этот алгоритм специально адаптирован для анализа данных АСМ. он позволяет более корректно, по сравнению с существующими алгоритмами обработки изображений, применяющимися, в частности, в электронной микроскопии [6]. строить гистограммы распределений частиц по размерам по размерам в случаях сильно неровных поверхностей и наличия большого количества слипшихся частиц. На рис. 5. б и в приведен пример использования программы для обработки экспериментальных данных. В данном случае анализировался эффективный диаметр = (4Я/п)1/2 наночастиц, которые были получены при интерференционном испарении N1 нанопленки. Из приведенной на рис. 5. в гистограммы следует, что размеры наночастиц лежат преимущественно в интервале от 100 до 250 нм. наибольшее число наночастиц имеет размер около 180 нм.
а) б) в)
Рис. 5. а) АСМ-изображение N1 микрополосок с наночастицами, полученных с помощью интерференционного лазерного испарения нанопленки; б) АСМ-изображение тех же полосок при большем увеличении, белые оконтуренные объекты это наночастицы; в) гистограмма распределения частиц по размерам полученная при анализе рисунка (б)
Рис. 6. АСМ-изображения наночастиц, полученных с помощью импульсного интерференционного лазерного испарения металлической нанопленки
3. Выводы
Таким образом, в данной работе развиты методы формирования микро- и наноструктур путем локального испарения сфокусированным лазерным излучением полупрозрачных металлических нанопленок, осажденных на кварцевое стекло. Использование АСМ позволило с высокой точностью контролировать толщину и структуру получаемых нанопленок. Минимальные латеральные размеры микроперемычек из нанопленок, полученных лазерным испарением, составили 2 мкм, что сравнимо с разрешающей способностью традиционной фоторезистивной литографии. Продемонстрировано, что с помощью импульсного лазерного испарения металлических нанопленок можно получать наночастицы с размерами от 100 до 250 нм.
Дальнейшее изучение локального импульсного лазерного воздействия на нанопленки в сочетании с АСМ должно привести к более глубокому пониманию фундаментальных процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом, будет способствовать созданию новых нанотехнологий и, в перспективе, может быть использовано для разработки новых наноразмерных устройств.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта НШ 10200.2006.2.
Summary
А.P. Chuklanov, R.G. Gatiyatov, D.A. Bizyaev, P.A. Borodin, M.F. Galyauttlinov, A,A, Bukharaev. Forming micro and nanostructures using impulse laser influence.
In this work the experiments for forming micro and nanostructures 011 solid surfaces using impulse laser evaporation are performed. This method was designed for modification of the ion implanted glasses. Ni and Co films with a thickness of 20 30 11m were grown 011 quartz glass and then micro-junction was made under impulse laser evaporation. These structures are suitable for nano-contact, formation which is the main magneto-resistant, unit of spint.ronics. The film thickness and the micro-junction width were measured with high precision using at.omic-force microscopes (AFM). Also nanoparticles formed 011 a substrate under impulse laser evaporation were visualized with AFM. To estimate particle size distribution the special computer algorithm was applied.
Литература
1. Вухараев А.А., Казаков А.В., Mananoe P.А., Хайбуллип И.В., Яфаев H.P. Офици-
альный Бюллетень Государственного Комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР «Открытия. Изобретения». 1995. Л'! 18. С. 256.
2. Bukharaev A.A., Jantluganov V.M., Samarsky Е.А., Berdunov N.V. Atomic force microscopy of laser induced sub-micrometer periodic structures 011 implanted fused silica and silicon j j Appl. Surf. Sci. 1996. V. 103, No 1. P. 49 54.
3. Taniyama Т., Nakatani I., Namikawa Т., Yamazaki Y. Resistivity due to domain walls in Co zigzag wires // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82, No 13. P. 2780 2783.
4. Гатиятов P.P., Бородин П.А., Вухараев А.А., Бтяев Д.А. Прсцгоиоппыеизмерепия магпитострикции в никелевых структурах, используемых для получения мапшторе-зистивпых папокоптактов // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, Л'! 19. С. 72 78.
5. Chuklanov А.P., Bukharaev A.A., Ziganshina S.A. Computer program for the grain analysis of AFM images of nanopart.icles placed 011 a rough surface // Surf. Interface Anal. 2006. V. 38, No 4. P. 679 681.
6. Kittler J., Illingworth J., Foglein J. Threshold selection based 011 a simple image statistic // Computer Vision, Graphics, and Image Processing. 1985. V. 30, No 2.
P. 125 147.
Поступила в редакцию 22.01.07
Чукланов Антон Петрович аспирант лаборатории физики и химии поверхности Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
E-mail: achuklanovekfti.knc.ru
Гатиятов Руслан Гумарович студент Казанского государственного университета, инженер Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
Визяев Дмитрий Анатольевич младший научный сотрудник лаборатории физики и химии поверхности Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
Бородин Павел Александрович младший паучпый сотрудник Казанского фи-зико-техпического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
Галяутдинов Мансур Фаляхутдинович кандидат физико-математических паук, старший паучпый сотрудник лаборатории молекулярной фотохимии Казанского физикотехнического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
Вухараев Анастас Ахметович доктор физико-математических паук, профессор, заведующий лабораторией физики и химии поверхности Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.
