CC BY
20
УДК 535.339.04
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОВОДИМОСТЬ СОЗДАВАЕМЫХ СТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО
АЛМАЗА
М.С. Комленок1,2, М.А. Дежкина2, В. В. Кононенко1'2, А. А. Хомич1'3, А. Ф. Попович1'3, В. И. Конов1'2
С помощью эксимерного KrF-(X = 248 нм, т = 20 нс) и Ti:Al203-(X = 400 нм, т = 120 фс) лазеров на поверхности поликристаллического алмаза созданы графитизиро-ванные структуры. Продемонстрировано, что в случае облучения эксимерным лазером проводимость образованных структур не зависит от плотности энергии и числа импульсов на точку поверхности, в то время как для фемтосекундного Тг:А1203-лазера установлена такая зависимость. Обсуждаются причины зависимости проводимости поверхностных структур от параметров лазерного облучения.
Ключевые слова: лазерная графитизация, алмаз, проводимость, микроструктурирование поверхности.
Введение. Лазерное микроструктурирование поверхности и объема алмаза является одной из актуальных задач технологии обработки прозрачных материалов с целью создания новых элементов фотоники и электроники [1, 2]. Интерес к этой задаче обусловлен в первую очередь полярными электрическими и оптическими свойствами алмаза и графитизированного материала, возникающего в результате лазерного воздействия на исследуемый образец. Например, объемная графитизация алмаза может использоваться для создания фотонных кристаллов [3, 4], а поверхностная - для детекторов ионизирующего излучения [5, 6]. Для создания графитовых каналов в объеме предпочтитель-
1 ИОФ РАН, 119991 Россия, Москва, ул. Вавилова, 38.
2 НИЯУ МИФИ, 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31; e-mail: m.a.dezhkina@gmail.com.
3 Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, 141190 Россия, Фрязино, Московская обл., пл. ак. Б. А. Введенского, 1.
но использовать короткие (фемтосекундные) длительности импульсов, т.к. увеличение длительности приводит к растрескиванию алмаза и уширению графитовых нитей [7, 8]. В то же время проводимость создаваемых структур в объеме на 3 порядка ниже, чем на поверхности [9]. В связи с этим проводятся исследования для увеличения проводимости графитовых каналов в объеме. Так, Сан и др. добились снижения удельного сопротивления получаемых нитей на 2 порядка до 0.022 Ом-см за счет увеличения числа проходов лазерного луча [10], однако достигнутые значения все еще остаются выше сопротивления поверхностных структур. В случае формирования проводящих дорожек на поверхности, напротив, используют лазерные источники с наносекундной длительностью импульса, поскольку считается, что фемтосекундное излучение вызывает лишь абляцию алмаза, оставляя слишком тонкий слой графита на поверхности [11]. В нашей работе продемонстрированы условия использования фемтосекундного излучения для создания поверхностных структур, а также проведено сравнение проводимости графи-тизированного слоя, возникшего на поверхности алмаза после лазерного воздействия импульсами фемтосекундной и наносекундной длительности.
Эксперимент. В качестве подложки для проводящих графитизированных полосок была использована CVD поликристаллическая алмазная пластина толщиной 580 мкм. В одной серии опытов проводящие линии создавались на поверхности с помощью эк-симерного KrF-лазера (Optosystems Ltd., CL 7100, т = 20 нс, Л = 248 нм), плотность энергии излучения которого варьировалась от 10 до 40 Дж/см2, число импульсов - от 1 до 30. При этом облучение осуществлялось с использованием проекционной схемы через квадратную маску размером 225x225 мкм2 с уменьшением в 15 раз. Таким образом, на поверхности размер лазерного пятна составлял 15x 15 мкм2. В случае облучения Ti:Al2O3-лазером (Л = 400 нм, вторая гармоника, т = 120 фс) для фокусировки использовалась линза 35 мм, и гауссов диаметр пятна на поверхности составлял 9.5 мкм по уровню 1/e2. Плотность энергии в этом случае менялась от 1.4 до 80 Дж/см2, а число импульсов от 1 до 200. В обеих схемах облучения образец устанавливался на трансляционный стол и двигался с постоянной скоростью относительно лазерного пятна так, чтобы на точку приходилось заданное число импульсов. Сопротивление графитизированных структур было измерено на установке ASEC-03, позволяющей снимать вольт-амперные характеристики (ВАХ) исследуемых материалов. К созданным контактам прикладывалось напряжение в диапазоне от -10 до 10 В. По наклону ВАХ вычислялось значение удельного сопротивления с учётом геометрических параметров исследуемой графитизированной линии. Глубина и ширина создаваемых структур измерялась с по-
мощью интерференционного микроскопа (New View 5000, Zygo Corp.) до и после отжига графитизированного слоя в печи при температуре 600 °С в течение 1 часа. Результат лазерного воздействия анализировался с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) на приборе LabRAM HR800 Horiba (длина волны возбуждающего лазера 473 нм).
Рис. 1: Спектры КР (Лвозб. = 473 нм) исходного алмаза и после лазерного воздействия: (а) Л = 248 нм, т = 20 нс с плотностью энергии 35 Дж/см2 и 4 импульсами; (б) Л = 400 нм, т = 120 фс.
Результаты и обсуждение. При облучении эксимерным лазером порог одноим-пульсной графитизации составлял 12 Дж/см2. Измерения толщины графитизированного слоя показали значения от 200 до 250 нм, что хорошо согласуется с данными, приведенными в статье Кононенко и др. [12], в которой отмечалось, что толщина графитового слоя порядка величины (хт)1/2 = 400 нм (х = 0.08 см2/с - температуропроводность модифицированного слоя, т = 20 нс - длительность импульса) для наносекундного излучения. В результате проведенных электрических измерений были получены значения удельного сопротивления р в диапазоне от 1.4 до 2.1 мОм-см. Однако какой-либо корреляции полученных значений толщин графитизированного слоя и сопротивлений с параметрами облучения установлено не было. Спектроскопия КР тоже не выявила отличий в степени графитизации структур: после лазерного воздействия наблюдаются две широких полосы с центрами на 1360 см-1 и 1580 см-1 (Д- и С-полоса соответственно), отвечающие нанокристаллическому графиту (рис. 1(а)), а алмазный пик на 1332.5 см-1, наблюдаемый в исходном образце, отсутствует.
При использовании фемтосекундного излучения необходимо разделять одноим-пульсный и многоимпульсный режимы облучения. В первом случае алмаз прозрачен на длине волны 400 нм, и поглощение излучения носит нелинейный характер [13]. При многоимпульсном облучении поглощение происходит линейно в графитизированном слое, образовавшемся в первом импульсе. Проведенные эксперименты показали, что порог одноимпульсной графитизации алмазного образца составил 5 Дж/см2. При увеличении плотности энергии от 11 до 80 Дж/см2 толщина модифицированного слоя росла в диапазоне от 50 до 90 нм, а удельное сопротивление р уменьшалось с 6.7 до 3.4 мОм-см. Измеренные значения толщины соответствуют оценочной величине 30 нм, полученной в статье [14]. Рост проводимости может быть объяснен изменениями свойств образующегося графитизированного слоя. Спектры КР, представленные на рис. 1(б), демонстрируют значительное различие для случаев облучения с максимальной и минимальной плотностями энергии. При минимальной энергии интенсивность алмазной линии падает в 15 раз по сравнению с исходным значением, однако С-полоса, свидетельствующая о наличии вр2 фазы, едва различима. В то же время для максимальной плотности энергии интенсивность С-полосы превышает интенсивность алмазной линии. При этом толщина образованного графитизованного слоя достигает своего максимального значения - 90 нм. Необходимо отметить, что толщина модифицированного слоя определяется распределением температуры в образце после поглощения лазерного импульса: зона нагрева алмаза свыше 800 К графитизуется, свыше 4000 К испаряется. Следовательно, температура на поверхности образца тоже достигает своего максимального значения, соответствующего порогу испарения, при максимальной плотности энергии.
В многоимпульсном режиме облучения при увеличении числа импульсов на точку толщина графитизированного слоя уменьшается, что вызвано, по всей видимости, развивающейся абляцией и резким уменьшением глубины поглощения лазерного излучения. В отличие от одноимпульсного облучения каждый последующий лазерный импульс взаимодействует с графитизированным слоем, коэффициент оптического поглощения которого а ~ 2 • 105 на длине волны 400 нм [15] и на 5 порядков превышает значение для алмаза, что вызывает резкое увеличение температуры на поверхности и, как следствие, испарение почти всего образовавшегося слоя. Возможно, поэтому Ь^ошагапо и др. [11] утверждали, что фемтосекундное излучение не подходит для создания проводящих структур на поверхности. Что касается удельного сопротивления, то оно значительно растет с увеличением числа импульсов на точку. При плотности энергии 80 Дж/см2 и увеличении числа импульсов с 1 до 4 оно возрастает на 2 порядка с 3.4 до 500 мОм-см.
Толщина графитизированного слоя при этом уменьшается с 90 до 25 нм. Спектроскопия КР (рис. 1(б)) при этом демонстрирует значительные отличия: интенсивность алмазной линии максимальная после 4 импульсов среди образцов, облученных ТкА1203 -лазером, что также подтверждает минимальную толщину графитизированного слоя. Такие изменения в проводимости могут свидетельствовать о неравномерности свойств образованного слоя по глубине, обусловленной разной температурой. Можно предположить, что увеличение температуры улучшает степень кристаллизации слоя, что в свою очередь приводит к увеличению его удельной проводимости. Так, вблизи границы фаз алмаз-графит, где температура лазерного нагрева была минимальна и близка к порогу графитизации (800 К), проводимость модифицированного слоя минимальна. При увеличении толщины графитизированной области, что соответствует росту температуры, проводимость структуры растет. Также следует отметить, что при облучении с плотностью энергии 1.4 Дж/см2 (ниже порога одноимпульсной графитизации) и 200 импульсами на точку, на поверхности образца происходит возникновение трещин. При этом проводимость таких структур исчезает.
Заключение. Полученные результаты показали, что проводимость и толщина создаваемых графитоподобных структур на поверхности поликристаллического алмаза коррелируют друг с другом и зависят от плотности энергии и числа импульсов на точку в случае облучения лазерными импульсами фемтосекундной длительности и не зависят от параметров облучения в случае наносекундной длительности. Установлено, что максимальная проводимость и толщина достигается при максимальной плотности энергии (80 Дж/см2), используемой в данных экспериментах, в одноимпульсном режиме облучения. Увеличение числа импульсов на точку приводит к падению удельной проводимости. Наблюдаемая зависимость проводимости от параметров лазерного облучения объясняется неравномерностью свойств образованного слоя по глубине. Сравнение удельного сопротивления графитизированного поверхностного слоя, возникшего после лазерного воздействия импульсами фемтосекундной и наносекундной длительности, показало близкие значения: 3.4 и 1.4 мОм-см, соответственно. Таким образом, продемонстрировано, что фемтосекундное лазерное излучение может быть использовано наряду с наносекундным для создания проводящих структур на поверхности алмаза.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов 16-32-60179 мол-а-дк, 17-52-04085 Бел-мол-а и Программы Повышения Конкурентоспособности НИЯУ МИФИ.
ЛИТЕРАТУРА
[1] V. I. Konov, Laser & Photonics Reviews 6(6), 739 (2012).
[2] В. И. Конов, Квантовая электроника 45(11), 1043 (2015).
[3] T. V. Kononenko, P. N. Dyachenko, V. I. Konov, Optics Letters 39(24), 6962 (2014).
[4] M. Shimizu, Y. Shimotsuma, M. Sakakura, et al., Optics Express 17(1), 46 (2009).
[5] M. Pacilli, P. Allegrini, M. Girolami, et al., Journal of Instrumentation 8(02), C02043
(2013).
[6] M. Pacilli, P. Allegrini, G. Conte, et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 738, 119 (2014).
[7] T. V. Kononenko, M. Meier, M. S. Komlenok, et al., Applied Physics a-Materials Science & Processing 90(4), 645 (2008).
[8] T. V. Kononenko, M. S. Komlenok, V. P. Pashinin, et al., Diamond and Related Materials 18(2-3), 196 (2009).
[9] T. V. Kononenko, V. I. Konov, S. M. Pimenov, et al., Diamond and Related Materials 20(2), 264 (2011).
[10] B. Sun, P. S. Salter, M. J. Booth, Applied Physics Letters 105(23), 231105 (2014).
[11] S. Lagomarsino, M. Bellini, C. Corsi, et al., Diamond and Related Materials 43, 23
(2014).
[12] В. В. Кононенко, Т. В. Кононенко, С. М. Пименов и др., Квантовая электроника 35(3), 252 (2005).
[13] V. V. Kononenko, V. M. Gololobov, M. S. Komlenok, V. I. Konov, Laser Physics Letters 12(9), 096101 (2015).
[14] V. V. Kononenko, V. M. Gololobov, V. I. Konov, Applied Physics A 122(3), 1 (2016).
[15] H. J. Hagemann, W. Gudat, C. Kunz, Journal of the Optical Society of America 65(6), 742 (1975).
По материалам VI Международной молодежной научной школы-конференции "Современные проблемы физики и технологий".
Поступила в редакцию 21 июля 2017 г.
