Applications du traitement des interférences laser (2)

Structuration de films métalliques monocouches et multicouches

Récemment, des techniques d'interférence laser ont été appliquées pour la structuration périodique à longue portée de surfaces métalliques en film mince. La technique d'interférence offre un grand potentiel de micro-usinage et de micronanostructuration de films minces pour des applications en microélectronique et en micromécanique. Des études approfondies ont été menées sur l’interaction des modèles d’interférence laser avec des films monocouches et multicouches. Divers phénomènes au cours de telles interactions comprennent la fusion non homogène, les transformations de phase, les réactions intermétalliques, etc.

Structuration de films monocouches

Lorsqu'un motif d'interférence laser à distribution d'énergie modulée est irradié à la surface d'un film, l'énergie absorbée peut provoquer le réchauffement spatial, la fusion et l'évaporation du film en fonction des seuils d'énergie pour divers effets. Dans la plupart des cas, les applications de structuration laser pour films minces utilisent des énergies laser suffisamment élevées pour induire la fusion des films. En raison de la faible conductivité des substrats sous-jacents, la plus grande partie de l'énergie laser absorbée est confinée dans le film mince, ce qui entraîne une durée de fusion nettement plus longue que celle de l'impulsion laser. Les temps de fusion plus longs donnent lieu à des processus physiques tels que le flux de fonte hydrodynamique responsable de la texturation physique des surfaces. La figure 11.15 présente les structures périodiques typiques obtenues par des motifs d'interférence à deux et à quatre faisceaux irradiés sur des films d'or monocouches (18 nm d'épaisseur) déposés sur des substrats de verre. La formation de telles caractéristiques périodiques topographiques périodiques est due à la redistribution du matériau du film en fusion dans les régions «chaudes» et «froides» à la surface (Kaganovskii et al. 2006).

L'épaisseur du film joue un rôle important dans la formation de structures de surface périodiques lors du traitement par interférence. Dans le cas de films d’or très minces (épaisseur <17 nm) sur des substrats de verre, il a été observé que le perlage (démouillage) du film en fusion se produisait dans les régions chaudes suivi du mouvement des billes vers les régions froides. Cependant, pour les films épais (épaisseur> 17 nm),

Fig. 11.13 Images TEM de lignes cristallisées au laser de films de SiGe cristallisés à deux températures différentes: (a) 25 ° C et (b) 740 ° C. (Reproduit de Eisele et al. 2003. Avec autorisation. Copyright Elsevier.) Un écoulement hydrodynamique complet du film fondu (au lieu d'un démouillage) donne une structure périodique haute et étroite bien définie. En outre, l’épaisseur du film détermine le seuil d’intensité du laser (c’est-à-dire la densité de puissance) requis pour induire les changements morphologiques et la fabrication de structures périodiques. La figure 11.16 montre que pour des épaisseurs de film comprises entre 5 et 15 nm, l’intensité de seuil diminue avec l’épaisseur du film; tandis que, pour des épaisseurs de film supérieures à 15 nm, l'intensité de seuil augmente avec l'épaisseur du film (Kaganovskii et al. 2006).

Fig. 11.14 Image AFM d'un film de SiGe cristallisé à l'aide d'une cristallisation par interférence à balayage laser (SLIC). Une gravure sélective au plasma a été appliquée pour visualiser les joints de grains. (Reproduit de Eisele et al. 2003. Avec autorisation. Copyright Elsevier.)

Fig. 11.15 Structures périodiques produites sur un film d'or de 18 nm d'épaisseur par (a) un laser à deux faisceaux interféré et al. 2006. Avec permission. Copyright Institut américain de physique.)

Structuration de films métalliques multicouches

Le professeur Mücklich et son groupe de recherche en Allemagne dirigent l'essentiel des travaux dans le domaine du traitement par interférence laser de films multicouches. Les combinaisons de divers matériaux métalliques ont été utilisées pour produire les films bicouches et tricouches sur des substrats de verre qui ont ensuite été irradiés au laser.

Fig. 11.16 Variation de l'intensité de seuil calculée requise pour produire des changements morphologiques et formation d'une structure périodique dans le film d'or de 18 nm à l'aide d'un traitement par interférence laser. Les courbes marquées 1, 2, 3 et 4 correspondent à la périodicité de 2, 3,5, 5 et 10 nm respectivement. Les points expérimentaux représentés sur la figure ont été obtenus pour une périodicité de 5 nm. (Reproduit de Kaganovskii et al. 2006. Avec autorisation. Copyright Institut américain de physique.) Motifs d'interférence. Contrairement aux films monocouches, les films multicouches présentent une complexité supplémentaire en raison de la différence des propriétés thermophysiques des métaux constitutifs et des réponses correspondantes différentes à l'irradiation laser.

Pour les films multicouches avec un matériau à haut point de fusion dans la couche supérieure, trois morphologies distinctes des structures d'interférence ont été observées en fonction de la fluence de l'énergie laser. Les différents systèmes étudiés pour les interférences comprennent le verre Fe – Al – verre, Fe – Ni – verre, Ti – Al – verre et Ti – Ni – verre. Au-dessus d'une certaine fluence laser F, l'énergie laser absorbée est suffisante pour provoquer la fusion de la couche inférieure composée du matériau à bas point de fusion. La fusion de la couche inférieure exerce la pression sur la couche supérieure non fondue (composée d'un point de fusion élevé), ce qui entraîne la déformation de la couche supérieure. Les déformations extérieures de la couche supérieure apparaissent sous forme de motif périodique à la surface du film. Le mécanisme est présenté schématiquement sur la figure 11.17 où A représente la couche supérieure du matériau à point de fusion plus élevé et B représente la couche inférieure du matériau à point de fusion inférieur. Si la fluence du laser est augmentée au-delà de F, la fusion du B

Fig. 11.17 Schéma des mécanismes de formation de diverses morphologies de surface lors du traitement par interférence laser de films à deux couches avec un matériau à point de fusion plus élevé (A) dans la couche supérieure et un matériau à point de fusion plus bas (B) dans la couche inférieure: (a) irradiation de la surface avec la distribution d'intensité modulée dans le motif d'interférence, (b) déformation de la couche supérieure induite par la fusion de la couche inférieure, (c) rupture de la couche supérieure, (d) motif périodique lors du début de l'enlèvement de matière, et (e) motif périodique à grande valeur de fluence laser. (Reproduit de Lasagni et Mucklich 2005b. Avec autorisation. Copyright Elsevier.)

couche continue jusqu'à ce que le point de fusion de A soit atteint. Finalement, la couche A se brise, ce qui entraîne l'éjection du matériau. Cela correspond à la fluence laser, à laquelle commence l'enlèvement de matière. L'enlèvement du matériau au niveau du pic d'interférence entraîne la dépression entre deux pics consécutifs dans la structure de surface du film. Une augmentation supplémentaire de la fluence laser au-delà de F entraîne l'augmentation de l'enlèvement de matière avec la profondeur croissante de la dépression aux maxima d'interférence, ce qui donne une structure périodique bien définie. Ces mécanismes ont été confirmés par l'observation expérimentale des structures de surface de films bimétalliques irradiés avec des motifs d'interférence laser à diverses fluences. La figure 11.18 montre les topographies de surface et les profils latéraux du système Fe – Ni – glas pour lequel Fand F correspond à 151 et 201 mJ / cm2 respectivement (Lasagni et Mucklich 2005a, b).

Des travaux de modélisation thermique approfondis ont été menés pour comprendre le comportement à la fusion des différentes couches dans des films minces multicouches composés de deux métaux constitutifs différents. Ces efforts de modélisation thermique ont été basés sur des équations de transfert de chaleur similaires à Eq. (11.4). La figure 11.19 présente un tel résultat de modélisation basé sur l'analyse par éléments finis du film multicouche Ni – Al irradié avec un motif d'interférence laser. Les épaisseurs de couche des couches individuelles d'Al et de Ni étaient respectivement de 20 et 30,3 nm et le film était irradié avec un laser Nd: YAG à commutation Q avec une longueur d'onde de 355 nm. La figure indique qu'une quantité importante d'aluminium fond dans les couches supérieures du film, entraînant la distorsion des couches de nickel. La fusion significative des couches de nickel correspondantes nécessite

Fig. 11.18 Différentes topographies de surface et profils verticaux de structures de surface dans des films de verre Fe – Ni – verre irradiés avec des motifs d'interférence laser.

fluence laser plus élevée en raison du point de fusion du nickel plus élevé que celui de l'aluminium. En outre, la structuration périodique des films multicouches avec le motif d'interférence laser est associée aux modifications de la répartition des contraintes et des textures en fonction des conditions thermiques prévalentes lors des interactions laser-matériau (Daniel et al. 2004).