способ профилирования тугоплавких и химически стойких материалов

Формула изобретения

1. Способ профилирования изделий из тугоплавких и химически стойких материалов путем травления их поверхности наносимым на поверхность слоем взаимодействующего с ними вещества при нагреве, отличающийся тем, что нанесение слоя вещества производят локальным воздействием переднего фронта лазерного импульсного облучения, для чего поверхность изделия подвергают одновременному воздействию лазерных импульсов и паров летучего соединения, пиролитически разлагающегося с получением указанного вещества, причем амплитуда лазерного импульса достаточна для испарения вещества.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при травлении тугоплавких и химически стойких окислов в качестве слоя вещества используют пленки тугоплавких металлов или тугоплавких карбидов и окислов.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что периодически уменьшают амплитуду лазерных импульсов до значений меньших, чем необходимо для указанного испарения, причем длительность периода модуляции амплитуды составляет более двух периодов следования лазерных импульсов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют вещество, растворяющее при температуре лазерного облучения подвергаемый травлению материал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам термохимического травления тугоплавких химически стойких материалов, в частности к методам локального травления их поверхности, например, с использованием локального лазерного облучения.

Известные методы травления тугоплавких химически стойких материалов путем воздействия на них ионным ускоренным потоком в вакууме имеют недостатки: скорость травления мала; требуется сложное вакуумное оборудование.

В качестве наиболее близкого аналога выбран известный способ профилирования изделий путем травления их поверхности, наносимым на поверхность слоем взаимодействующего с ними веществом (US 3095341 от 25.06.1963).

Недостатком указанного способа является сложность его осуществления, обусловленная его многостадийностью: сначала нанесение взаимодействующего вещества, затем избирательное облучение, затем удаление вещества. На каждой стадии необходимо обеспечивать свои оптимальные условия проведения процессов.

Задача изобретения: упростить известный способ и распространить процесс профилирования на тугоплавкие и химически стойкие материалы, например сапфир, другие тугоплавкие окислы или карбиды.

Решение задачи достигается тем, что при профилировании изделий из тугоплавких и химически стойких материалов путем травления их поверхности наносимым на поверхность слоем взаимодействующего с ними вещества при нагреве нанесение слоя вещества производят локальным воздействием переднего фронта лазерного импульсного облучения, для чего поверхность изделия подвергают одновременному воздействию лазерных импульсов и паров летучего соединения, пиролитически разлагающегося с получением указанного вещества, причем амплитуда лазерного импульса достаточна для испарения вещества.

Кроме того, предлагается также при травлении тугоплавких и химически стойких окислов в качестве слоя вещества использовать пленки тугоплавких металлов или тугоплавких карбидов и окислов.

Кроме того, предлагается также периодически уменьшать амплитуду лазерных импульсов до значений меньших, чем необходимо для указанного испарения, причем длительность периода модуляции амплитуды составляет более двух периодов следования лазерных импульсов.

Кроме того, предлагается также использовать вещество, растворяющее при температуре лазерного облучения подвергаемой травлению материал.

Предложение производить покрытие поверхности изделия слоем вещества-травителя посредством воздействия переднего фронта лазерного импульса, для чего поверхность изделия подвергают одновременному воздействию лазерных импульсов и паров летучего соединения, пиролитически разлагающегося с получением вещества-травителя, причем амплитуда лазерного импульса достаточна для испарения вещества и продуктов его химической реакции с изделием, позволяет такие операции, как нанесение травителя, процесс его реагирования с изделием, удаление травителя и продуктов реакции, производить в одном цикле, за время лазерного облучения изделия, не прибегая к отдельным операциям типа напыление реагента в одной установке, травление - в другой, удаление травителя - в третьей.

Разложение летучего соединения вещества-травителя происходит за время лазерного импульса в адсорбированном на поверхности слое этого соединения, а также при попадании молекул этого соединения на уже горячую поверхность из газовой фазы.

За время одного лазерного импульса происходит попеременное нанесение активно взаимодействующего с поверхностью вещества и его испарение вместе с продуктами взаимодействия

Предложение использовать в качестве слоя вещества-травителя пленки тугоплавких металлов или тугоплавких карбидов или окислов металлов позволяет проводить травление за счет протекания химической высокотемпературной реакции типа.

для травления алмаза, или типа

для травления сапфира.

Предложение периодически уменьшать амплитуды лазерных импульсов до значения меньше необходимого для указанного испарения, причем длительность периода модуляции амплитуды более двух периодов лазерных импульсов, позволит осаждать на травящуюся поверхность слой вещества-реагента большей толщины и на более длительное время, что увеличивает эффективность его взаимодействия с травящейся поверхностью и скорость травления. Объяснение заключается в том, что за один лазерный импульс осаждается менее одного монослоя вещества. В этом случае попеременное нанесение активно взаимодействующего с поверхностью вещества и его испарение вместе с продуктами взаимодействия происходят за время, равное периоду модуляции амплитуды лазерных импульсов.

Величина периода модуляции амплитуд лазерных импульсов со стороны малых его значений физически ограничена длительностью двух периодов следования лазерных импульсов.

Предложение использовать вещества, растворяющие травящийся при температуре лазерного нагрева материал, предполагает, что удаление атомов поверхности происходит их внедрением в нанесенный слой вещества-травителя путем диффузии. При испарении нанесенного слоя реагента, которое происходит взрывным образом, удаляются внедренные при диффузии атомы поверхности.

Таким образом, новые предложения обеспечивают достижение поставленных задач.

Рассмотрим примеры реализации изобретения

Для травления алмаза предлагаем использовать элементоорганические соединения железа, никеля, рения, других переходных металлов (например, карбонилы Fe(CO)₅, Ni(CO)₄, Re₂(CO)₁₀). Железо и никель могут и растворять углерод, и химически с ним взаимодействовать с образованием карбидов. Можно применять также элементоорганические соединения и неметаллов: положительные результаты получены с соединением кремния (C ₆H₅)₃SiH.

Для травления тугоплавких окислов, например сапфира (окись алюминия), можно применять в качестве веществ-травителей металлы титан, цирконий, молибден, вольфрам, хром, а также кремний и другие вещества. Металлы пиролитически высаживаются на травящиеся поверхности из паров элементоорганических соединений или паров галоидных соединений; кремний, как в случае с алмазом, - из паров трифенилсилана.

Применявшаяся в эксперименте лабораторная установка позволяла с визуальным контролем под микроскопом сфокусировать пучок излучения азотного лазера (длина волны 0,334 мкм) с длительностью лазерного импульса 6 нс на поверхность монокристалла алмаза. Сфокусированное пятно имело форму квадрата со стороной 10-20 мкм. К пятну подавался реагент в виде парогазовой струи (пары трифенилсилана в азоте).

Алмаз находился при температуре, близкой к комнатной. Плотность мощности в лазерном пятне достигала 5·10⁷ Вт/см². На поверхности алмаза высаживалась пленка, как предполагается, чистого или частично окисленного кремния (цвет осадка коричневый, такой цвет в тонких слоях имеют эти вещества). При повышении лазерной мощности пленка испарялась, оставляя после себя углубление в алмазе. Скорость травления алмаза была равна 1 мкм/мин и при оптимизации процесса, несомненно, может быть увеличена.

Рассмотренные примеры реализации изобретения показывают достижимость заявленных целей.

Промышленное применение способ найдет как способ гравирования рисунка на поверхности твердых химически стойких материалов, в частности алмаза; при профилировании алмазных или полученных из тугоплавких и химически стойких материалов пленок и подложек (получение микрорельефов в микроэлектронном производстве).