CC BY
42
ЛАЗЕРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ ФОТОСИТАЛЛОВ
Г.К. Костюк, А.Н. Рачинская
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.П. Вейко
Экспериментально показана возможность лазерной кристаллизации фоточувствительных стеклокерамик под действием излучения С02-лазера. Лазерная кристаллизация стеклокерамики представляет новые возможности для разработки и производства неизвестных оптических микроматериалов, компонентов и устройств.
Введение
Традиционно стеклокерамики широко использовались в различных научных и прикладных областях, таких как фотоника, оптоэлектроника, химия, а также в декоративном искусстве и строительстве [1]. Одним из типов стеклокерамик, содержащих фоточувствительные центры, позволяющие контролировать осаждение химически растворяемой керамической фазы, являются фоточувствительные стеклокерамики (ФС). Существенное различие в скоростях химического травления кристаллической и аморфной фазы ФС определило использование этих керамик для создания периодических структур [2], в том числе и дифракционных решеток на их поверхности [2], а в последние годы, с появлением наносекундных лазеров УФ-диапазона и фемтосекундных лазеров ближнего ИК-диапазона - объемных периодических структур и сложных трехмерных изображений в материале этих стеклокерамик [3].
Промышленно распространенными фоточувствительными стеклокерамиками (ФС) являются щелочные алюмосиликаты, содержащие кремниевый каркас с добавлением стабилизирующих примесей в виде оксидов щелочных металлов, таких как оксид лития Ы20, оксид натрия №20, оксид калия К20, а также незначительные доли фотоинициатора - оксида церия Се203 и нуклеирующее вещество - оксид серебра Л§20 [1].
Традиционные методы кристаллизации
Процесс формирования областей химически растворимой керамической фазы внутри стеклянной матрицы ФС был подробно изучен в 50-60 годы XX века [1]. Обязательными стадиями этого процесса были следующие стадии:
1. облучение в течение 10-15 минут поверхности образца через маску излучением УФ-диапазона;
2. двухэтапная термообработка, первый этап который заключается в нагреве образца в течение двух часов при температуре 400-500 0С, второй - в повторном нагреве в течение 15 минут до температуры 550-650 0С.
Результатом первого этапа термообработки является образование на облученных участках субмикроскопических коллоидио-дисперсных частиц Л§, вызывающих желтоватый окрас поверхности облученных участков, в результате второго этапа возникают центры кристаллизации Ы20 и БЮ2 вокруг образованных на первом этапе термообработки коллиодных частиц Л§, и происходит рост кристаллов. Обязательным этапом формирования периодических структур является травление образцов в плавиковой кислоте ИБ.
Современным усовершенствованием традиционного процесса микроструктурирования является облучение образцов ФС-излучением УФ-лазера за счет программированного перемещения луча без использования маски [3].
Недавно сообщалось об изучении процесса аморфизации стеклокерамики СТ-50 и ее повторной кристаллизации излучением С02-лазера [4-6]. Длина волны 10,6 мкм лежит в области фундаментального поглощения стекла и стеклообразных материалов. В работе [7] изучался процесс кристаллизации аморфных областей, сформированных из-
лучением С02-лазера на стеклокерамике СТ-50 и титаносодержащих стеклах. Процесс аморфизации и кристаллизации СТ-50 при лазерном воздействии протекает значительно (в 100-1000 раз) быстрее, чем при «печном» нагревании.
Исследование процессов локального зарождения и роста кристаллической фазы в аморфных веществах и превращение вещества в аморфное из кристаллического при локально-термическом воздействии лазерного излучения предоставляет большой интерес для усовершенствования методов создания миниатюрных устройств в полупроводниковой электронике, оптоэлектронике и приборостроении.
В настоящие время все больше внимание уделяется исследованию процессов термической кристаллизации аморфных веществ, протекающих в нехарактерных для традиционных методов условиях, когда в образце создается большой градиент температуры за очень короткое время. Применение лазерного излучения для кристаллизации аморфных веществ дает возможность реализации термического воздействия локально, что существенно как для прямого формирования полосами, так и для устранения воздействий на соседние зоны. К тому же, применение лазеров может существенно ускорить процесс кристаллизации, который обычно является весьма длительным при традиционных методах.
Известно, что степень кристаллизации аморфных веществ и размер кристаллов в их объеме определяются двумя факторами: скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов, значения которых зависят от состава образца и степени его переохлаждения ниже температуры плавления кристаллов. Процесс кристаллизации может быть осуществлен как при охлаждении расплава, так и при нагревании холодного аморфного вещества. Для увеличения скорости зародышеобразования кристаллов в состав аморфного вещества (стекла) вводят кристаллизаторы, в частности, в ФС их роль исполняют Се203.
В работах [6, 7] исследовалась кинетика процесса локальной кристаллизации ФС в рамках традиционного способа изготовления, неотъемлемыми стадиями которого являются предварительное облучение образцов излучением УФ-диапазона и двухстадий-ная термообработка.
Целью настоящей работы было исследование процесса лазерной кристаллизации образцов ФС 1 и исключение длительной двухстадийной термообработки.
Для проведения эксперимента по кристаллизации использовались ФС (ФС1). Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.
Локальная двухстадийная лазерная кристаллизация стекла ФС1
сферическое зеркало
С02 лазер
кремниевая подложка
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Излучение С02-лазера с длиной волны 10,6 мкм падает на полупрозрачную пластинку (2), которая делит пучок на две части, условно названные силовым (рабочим) каналом и каналом подогрева, причем в рабочий канал отводится более 70% излучения. Пучок рабочего канала после отражения от полупрозрачной пластины (2) фокусируется собирающей линзой из 2пБе с/=15 см в пятно размера ~ 1 мм, что обеспечивает в плоскости обработки плотность мощности ^-2,5-10 Вт/м . Смещением плоскости обработки по отношению к фокальной плоскости линзы можно варьировать q в пределах от 2-105 до 6-105 Вт/м2. Пучок канала подогрева после прохождения полупрозрачной пластинки, отражаясь от медного сферического зеркала (4) с/=40 см, фокусируется им в плоскости обработки в пятно размером не более 6 мм, причем зеркало позволяет варьировать размер зоны подогрева в пределах 1-6 мм, изменения его положения. Подогрев образцов стекла ФС1 до температур порядка 500-900 °С необходим для предотвращения растрескивания образцов.
Рис. 2. Фотография образца ФС1, снятая в отраженном свете, кристаллизованного излучением С02-лазера: 1 - исходное прозрачное стекло, 2 - закристаллизованная лазером область
Исследование процесса кристаллизации пластин толщиной 0,1 мм ФС1 (БЮ2 -79%, ^О - 9%, Ш2О - 2%, К2О - 2,5%, А^Оз - 7,5%, А§С1 - 0,002%, Се02 - 0,02%), прошедших предварительное облучение УФ излучением (Не-Сё-лазер с длиной волны 325 нм), но не прошедших двухстадийную тепловую обработку, позволило установить, что при плотности мощности q=3•10 Вт/м достаточно произвести облучение С02-лазером в течение 60-90 с, чтобы в области воздействия сформировалась непрозрачная область молочно-белого цвета (рис. 2). Сравнение спектров поглощения исходного и кристаллизованных областей (рис. 3, 4), позволило сделать вывод о том, что основу закристаллизованной области составляют кристаллы Ы20 и БЮ2 с небольшим количеством А§20.
Рис. 3. Спектр поглощения исходного образца
Оценка температуры кристаллизации проводилась по известным плотности мощности q и длительности импульса т с использованием формулы [7]:
т = А + т
ж к
0 :
где а - коэффициент температуропроводности (а=6,5-10"7 м2/с ), к - коэффициент теплопроводности (к =1,45 Вт/м-к). Полученное по формуле значение (470 К) сравнивалось с температурой, измеренной с помощью цифрового пирометра с разрешением 10 К, и различие в результатах не превысило 50 К.
о о
CN
CN CN
СО CN СО СО
CD СО СО
О ^ CN CD
СО CN ~ Ю
CD <J>
О
LO LO LO СО СО
СО CN
СО CN
0
Рис. 4. Спектр поглощения образца, облученного Не-СЬ-лазером, после чего кристаллизованного излучением С02-лазера
Исследование скорости травления закристаллизованных и исходных прозрачных областей в плавиковой кислоте ИБ показало различие порядка 10 раз, что хорошо согласуется с данными работ [2].
Заключение
В работе показана возможность кристаллизации ФС1 без использования двухста-дийной термообработки. О формирование кристаллической фазы свидетельствует различие в спектре поглощения исходного ФС1 и кристаллической области. Различие в скоростях травления в плавиковой кислоте свидетельствует о том, что под воздействием лазерного излучения формируется кристаллическая фаза.
Литература
1. Бережной А.И. Ситалы и фотоситалы. М.: Машиностроение, 1966. 368 с.
2. Nikonorov N. Infgluence of ion-exchahge treatment on the physicochemical properties of glass and waveguide surfaces. // Glass Phasics and Chemistry. 1999. 25. №3. P. 207-232.
3. Livingston F.E., Adams P.M., Helvajan H. Active Photo-Physics Processes in the Pulsed UV Nanoseconds laser Expoure of Photostructurable. // Proc. SPIE. 2003. 4830. 189.
4. СкибаП.А. Лазерная модификация стеклообразных материалов. Минск: Белоруссия, 1999. 132 с.
5. Вейко В.П., Киеу К.К., Никоноров Н.В. Лазерно-индуцированное изменение структуры и свойств стеклокерамик. // В печати.
6. Вейко В.П., Киеу К.К. Лазерная аморфизация стеклокерамик. // В печати.
7. Вейко В.П., Метев М. Лазеры в микроэлектронике. София: Болгарская академия наук, 1991.
