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Cr膜Nd-YAG脉冲激光的氧化与刻蚀

徐晴  
【摘要】:近年来非真空合成金属氧化物膜的方法有了很大的进展。例如:通过退火从多晶Pd膜合成有序的PdO2膜,关于这方面的报道首次在Science 上发表;还有用原子力探针技术对Ti膜进行选区阳极氧化得到TiO2膜,或者是通过微弧氧化在Ti基片上形成TiO2膜等等,各种方法层出不穷。由于原子力探针技术不但可以获得相应的金属氧化膜,而且可以精确实现选区氧化,精度可以达到几个纳米,因此已经成为一种重要的通过直接氧化金属表面获得氧化膜的方法。除此之外,可以利用脉冲激光对金属或金属薄膜表面的光化学辐射过程得到金属氧化膜,这种方法在合成功能薄膜和无掩膜光刻加工方面有很大的应用前景。其研究意义在于两个方面:第一为实现无掩膜光刻提供了有价值的实验基础,并且建立了该领域的理论基础。我们知道无论是原子力刻蚀还是广泛应用的有掩膜光刻方法,都无法实现三维图形的刻蚀,而激光选区氧化由于使用了柔性能量载体-激光作为加工手段,并且配合精确控制的三维工作台和激光自动聚焦系统,将会达到较高的精度,有可能成为解决三维光刻问题的方法;第二为金属表面通过直接的人为氧化方法获得致密的氧化膜提供了一种有利的方法和手段。我们知道室温条件下铝的钝化膜非常致密,而且一般的金属氧化物:比如氧化铬和氧化铝,都具有较高的硬度,完全可以作为抗氧化的钝化层和强化层。 以前关于脉冲激光氧化金属或金属薄膜表面的报道,大多数是从光学角度研究激光束的写分辨率和热场的问题,在激光氧化中这些研究当然十分重要。然而,氧化膜的微观结构和氧化反应动力学却很少被研究。在该论文中,利用SEM, FESEM 和 XRD对激光氧化Cr膜的微观结构进行了 WP=62 分析和研究,结果表明脉冲激光参数对纳米晶Cr膜的氧化行为影响很大。通过实验发现,在合适的激光能量下,即在20~35mJ以内时,将形成60~100nm晶粒度的无裂纹金属氧化膜。我们知道,脉冲激光作用在材料表面的温度场为一非稳态-瞬态温度场。在脉冲激光氧化时,非稳态的氧化反应和非稳态的晶体生长现象,还有可能出现的非线性光学现象往往使理论和实验研究变得十分困难,而本研究发现,在Cr膜的脉冲激光氧化过程中,当氧化膜表面晶粒度小于500nm时,非线性光学引起的材料的非线性现象,并没有出现。这是由于在氧化物的生长过程中,残余应力的产生和界面组织结构的变化使截面变得不十分平整,使得要发生干涉等非线性现象的条件难以满足,因此在本研究中将激光氧化过程中的非线性光学进行简化,是有根据的。即使这样,材料中非线性扩散过程仍然十分复杂。 本文通过系统研究和综合分析,得到了以下几个结论:(1)激光束向金属表面层的热传递是通过“逆韧至辐射效应实现的金属表层和其所吸收的激光进行光-热转换,由于光子能穿透金属的能力极低,故激光一般被认为是具有典型的表面热源的性质,而激光表面氧化过程中虽然有可能存在除热传导之外的如化学作用、汽化等,基于表面热源的基本的热传导定律仍然是适用的,从薄膜表面所能达到的最高温度随不同激光能量单脉冲作用的变化曲线,可见随激光作用能量的增加,薄膜表面的温度也随之升高,激光能量和表面温度最大值的关系为一线性关系;(2)原始织构到受激光辐照氧化初期,在小的激光能量下氧化物表面仍然保持类织构态,当激光参数加大,或者脉冲作用时间加长时,出现了烧结现象,通常认为烧结速度由扩散慢的离子的扩散速度决定,在金属氧化物中氧离子的扩散要比金属离子的慢的多,因此其烧结速度由氧的体或界扩散决定,由于铬的向外扩散,在金属和薄膜界面产生空位,使Cr2O3 薄膜容易从衬底上剥落下来,金属的向外扩散使得在氧化物薄膜和金属衬底中形成了空位 WP=63 和孔洞;(3)假设原始的多晶薄膜沉积在基片上时,处于无应力状态,作者从微观的角度解释了薄膜中存在的应力现象。随着晶粒的生长,晶界体积分数的减少(晶界密度比块材料低),将导致薄膜体积的减少。如果膜厚不变,薄膜面积就会减小。然而,基片和膜之间由于热物理系数的差异,出现了残余拉应力。在激光氧化薄膜表面时,由于Cr2O3薄膜的次表层Cr层会产生热导,因此表面氧化膜的应力状态将受次表层的影响。随着氧化膜的增长,次表层Cr层中的拉应力越来越大,如果次表层中的应力小于氧化膜表面的拉引力,则氧化膜表面呈无裂纹状态,然而随着晶粒的长大和团聚,将产生更大的应力,如果超过了表面的拉应力,生长压应力的产生将会导致氧化膜表面出现褶皱


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