книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения

на расстоянии 1,9 мм от фокальной плоскости. Этого было доста­ точно, чтобы в результате расфокусировки лазерное излучение перекрывало обе проволоки, вызывая их одиовремениое сварива­ ние. Толщина зоны теплового воздействия составляла около 0,05 мм, так что отпуска пружины из фосфористой бронзы не про­ исходило. Поперечный разрез этого сварного соединения был показан на фиг. 8.5, где видио перемешивание свариваемых мате­ риалов. Сварное соединение имело не меньшую прочность, чем исходная проволока диаметром 0,25 мм.

Эти примеры были выбраны для того, чтобы дать представле­ ние об условиях успешного использования лазеров. Мы останови­ лись лишь иа некоторых из существующих технических проблем. Повышение выпуска продукции и увеличение ее надежности при пспользоваиии лазерных способов обработки может сделать при­ менение лазеров экономически оправданным. В обоих описанных выше примерах использовались лазеры на рубине. Для точечной сварки желательно получать энергию в несколько джоулей при длительности импульсов в несколько миллисекунд. Это позволит получать несколько соединений одновременно, что было бы весьма желательно для прикрепления вводов в интегральных схемах. Приведенные соображения позволяют заключить, что лазеры на рубине и неодимовом стекле могут использоваться для точечной сварки.

2. Удаление материала

Свойство лазеров испарять тонкопленочные покрытия на прозрачных подложках можно использовать для формирования структуры интегральных схем. При испарении лазерным лучом в тонкопленочных структурах можно управляемым способом изготавливать сопротивления и емкости. Исчерпывающее описа­ ние лазерной обработки тонких пленок и интегральных схем

с периодической модуляцией добротности посредством вращаю­ щегося зеркала. На выходе получалась последовательность импульсов с мощностью порядка 1 кВт, длительностью импульса около 200 нс и частотой повторения 400 Гц. Лазерный луч фокуси­ ровался объективом микроскопа в пятно диаметром около 8 мкм; глубина фокуса была при этом достаточной для того, чтобы обраба­ тывать даже неоднородные поверхности. Перемещая лазерный луч по обрабатываемой области, можно было методом испарения про­ черчивать линии в тонких металлических пленках, нанесенных на кварцевые или сапфировые подложки. Материалом пленок служили золото и нихром. Полученные линии имели ширину

около 1 мкм для золота и 0,4 мкм для нихрома. При скорости прочерчивания линии порядка 2,5 мм/с образовывались незначи­ тельные повреждения подлояши. Отсутствовало загрязнение линии частичками металла.

Путем вырезания системы тонких линий в тонких пленках из Та — Сг — Ан в эксперименте были изготовлены щелевые конденсаторы. Обкладками емкости служили два противополож­ ных края разреза. Таким способом можно производить конденса­ торы с емкостью порядка 20 пФ, причем величина емкости воспро­ изводима с хорошей точностью. Емкость щелевых конденсаторов легко регулируется изменением ширины щели. Таким же способом можно изготавливать тонкопленочные маски.

Из приведенных примеров ясно, как можно использовать уда­ ление материала лучом лазера для изготовления элементов цепей. Лазеры могут также способствовать подгонке элементов цепей путем избирательного удаления материала. При помощи описан­ ного выше лазера с периодической модуляцией добротности на иттрий-алюминиевом гранате была осуществлена калибровка тонкопленочных танталовых резисторов путем изменения разме­ ров резистора или выжигания в нем небольших отверстий. При

Особенно полезен лазер при калибровке сопротивлений из тол­ стых пленок. Здесь его преимущество состоит в отсутствии загряз­ нений. На фиг. 8.14 показаны разрезы, сделанные в резисторе из толстой пленки лучом импульсного периодического С02-лазера. Доводка с малыми допусками осуществляется при этом выключе­ нием лазера в тот момент, когда достигается, желаемая величина сопротивления. После доводки края разреза закрывают. Стои­ мость подгонки сопротивлений при массовом производстве может составлять около одного цента за резистор [37].

Для обработки пленок можно использовать различные лазеры, в том числе импульсные С02-лазеры [37], импульсные гелийнеоновые лазеры [38], аргоновые лазеры [39] и С02-лазеры непре­ рывного действия [40]. Наилучшим вариантом является лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом в режиме периоди­ ческой модуляции добротности; достаточно хорош также лазер с периодической модуляцией добротности на С02. Использование модуляции добротности желательно для того, чтобы удалять материал быстро, без передачи тепла в подложку. Это сводит к минимуму повреждение подложки. Ограниченное количество испаренного вещества при модуляции добротности не является препятствием при работе с тонкими пленками. По сравнению с лазером на С02 лазер на иттрн^алюминиевом гранате имеет преимущества в меньшей ширине реза, более высоком поглощении излучения металлическими пленками и меньшем поглощении

Лазеры способны уже сейчас занять место в производственных линиях и выполнять регулярную работу по изготовлению приборов микроэлектроники. Для этой цели имеется специально сконструи­ рованное промышленное оборудование, включающее координат­ ные столы, микрометрические устройства, фокусирующую оптику л микроскопические прицелы.

§ 5. СПЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Лазер стал полезным инструментом для микроспектрального химического анализа. Лазерный луч испаряет неболь­ шое количество подлежащего анализу материала, а свет, испускае­ мый парами, исследуется спектральными методами. Для увеличе­ ния интенсивности спектральных линий во многих случаях производится еще дополнительный электрический разряд в облаке испаренного вещества. При первом применении этого метода был использован миллисекундный импульсный рубиновый лазер; образующаяся плазма закорачивала промежуток между дополни­ тельной парой электродов [41]. Возникающая искра повышала пнтенсивность испускаемого излучения и в результате удавалось получить полный спектр элементов, входящих в испаренное вещество.

Этот метод был далее развит путем применения лазеров с моду­ лированной добротностью, в результате чего отпала необходи­ мость в дополнительном возбуждающем искровом разряде. Лазеры с модулированной добротностью дают факел достаточной интен­ сивности, так что спектральный анализ можно проводить непо­ средственно на облаке испаренного материала [42]. Этот метод был использован для анализа состава сплавов, причем при исполь­ зовании стандартизованных образцов его удалось сделать количественным. Метод основан на регистрации интенсивностей пар спектральных линий. Например, если сплав содержит никель и железо, то для сплавов с известным содержанием никеля

и железа измеряется отношение интенсивностей линии 3414,77 А

никеля и линии 3443,79 А железа. Интенсивности пар линий были записаны на микрофотометре и их отношение было отложено как функция известного содержания никеля; была получена воспроизводимая калибровочная кривая. Эти эксперименты пока­ зали возможность количественного спектрального анализа

спомощью лазера. Были установлены дополнительные преимуще­ ства этого метода, состоящие в том, что он пригоден для работы

стугоплавкими металлами, применим для анализа в вакууме или в инертной атмосфере, позволяет проводить анализ распла­ вленного материала в печи.

Дальнейшие исследования были направлены на более полное изучение возможностей лазера как инструмента для спектраль-

иого анализа [43, 44]. Характеристики эмиссионных спектров исследовались как при наличии дополнительного возбуждения искрой, так и без него. Было установлено, что вспомогательная искра дает спектры, состоящие из более резких линий с меньшим самопоглощеннем и возрастанием интенсивности более чем на порядок. Было сделано заключение, что возбуждение искрой приводит к лучшим результатам и что лазерный спектральный анализ полезен для исследования микрообразцов и включений с размерами порядка 50—100 мкм. Был проведен анализ более десятка элементов и различных материалов, включая стали, высокотемпературные сплавы и цинк. Для однородных образцов, допускающих взятие нескольких проб для обеспечения стандарти­ зации, можно было провести количественный анализ. Однако в случае микрообразцов провести количественный анализ обычно не удается г).

Методами лазерного спектрального анализа были проведены исследования химического состава гранатов [45], изучены при­ меси в металлах и графите [46], проведен анализ расплавленного железа в печи [47] и следов элементов в порошках [48].

Лазерный метод спектрального анализа обладает рядом преиму­ ществ. С его помощью можно исследовать образцы с размером порядка 15 мкм и массой около 1 мкг. Образцы не обязательно должны быть электропроводящими, как в случае обычного искро­ вого или дугового спектрального анализа. Отсутствует непосред­ ственный контакт с образцом, что исключает возможность его загрязнения. Методика исследования проще, чем при обычных способах анализа, в том отношении, что не требуется приготовле­ ния образцов. Можно произвести анализ в любом избранном месте образца, и при этом другие материалы, находящиеся вблизи исследуемой области, не дают вклада в излучение. Поэтому можно изучать отдельные малые включения в больших образцах без получения спектральных линий от основной матрицы. Промыш­ ленность производит приборы для лазерного спектрального ана­ лиза. По сравнению с электронным микроанализом лазерный микроанализ обладает тем преимуществом, что позволяет исследо­ вать как легкие, так и тяжелые элементы, и, кроме того, он отно­ сительно недорог. Однако ошибки при количественных измере­ ниях этим методом иногда оказываются несколько выше, а мини­ мальный размер пятна — больше, чем в случае электронного микроанализа.

Лазерный микроанализ представляется особенно полезным при исследовании биологических объектов [50]. До появления

3)Лазерные методы спектрального анализа развивались в цикле работ [128—131]. В частности, вопрос о влиянии искрового довозбуждения на характер спектра исследован в работе [128].— Прим. ред.

в биологических образцах без специального отбора пробы. Пре­ имущество лазерного метода состоит в чрезвычайном упрощении процедуры приготовления образцов биологических материалов. Можно селективно исследовать малые включения. Таким образом, лазерный спектральный анализ может оказаться полезным мето­ дом для специальных целей, особенно если образцы имеют малые размеры, являются непроводящими, расположены в недоступных местах или внедрены в матрицу, которая при обычных способах анализа могла бы исказить результаты.

Вальтернативном методе анализа для исследования состава пара, полученного с помощью лазера, используется масс-спектро­ метр. Вещество, испаренное под действием лазера с модулирован­ ной добротностью, можно ионизовать с помощью электронного пучка. Часть ионов проходит через входную щель масс-спектро­ метра и попадает на детектор. Этот метод применим для обнаруже­ ния элементов, концентрация которых в материале составляет порядка 0,0001 %, что не позволяет их исследовать спектрографи­ ческим методом, а также для анализа таких элементов, как угле­ род, водород, азот и кислород, которые трудно обнаружить по их спектрам испускания.

Вработах [50—54] было отмечено уникальное свойство сфоку­ сированного луча мощных импульсных лазеров: его способность испарять и ионизовать малые количества вещества, которые потом могут использоваться для исследования во времяпролетном масс-спектрометре. Лазерный импульс образует ионы в течение очень короткого отрезка времени; времяпролетный спектрометр оказывается идеальным инструментом для получения полного спектра за одну лазерную вспышку. В одной серии экспериментов

[50]использовался рубиновый лазер с модулированной доброт­ ностью и пиковой мощностью порядка 300 кВт, излучение кото­ рого фокусировалось на площадку размером примерно 2 *10-5 см2. При фокусировке на фольги из лития, бериллия, бора, углерода, алюминия, железа, меди, серебра, олова, свинца и золота каждая

лазерная вспышка образовывала примерно 2 -1013 атомов и 6 -1011 ионов. Ионы ускорялись приложенным потенциалом, свободно дрейфовали в трубе длиной 1 м и регистрировались сциитилляциоиным детектором. Поскольку при постоянном уско­ ряющем напряжении легкие ионы движутся быстрее, происходит разделение по массам. Разрешенные во времени импульсы, соот­ ветствующие разным массам, регистрировались с помощью осцил­ лографа. На фиг. 4.13 показан спектр масс от пленок алюминия, серебра и золота, нанесенных на стеклянную пластинку. Пики от разных металлов легко идентифицировать. Были исследованы также растворы различных соединений, например солей металлов. Это производилось для изучения спектров масс, полученных

на непрозрачной пленке и прожечь в ней отверстие. Записанную таким образом информацию можно считывать оптическим методом. Аналогичным образом под действием лазерного излучения можно вызвать почернение таких материалов, как теплочувствительная бумага или бумага, используемая в светолучевых осциллографах. Эти простые методы были положены в основу построения систем накопления информации, использующих лазеры. Они действи­ тельно оказались удобными для некоторых приложений. Было показано, что с помощью маломощного гелий-неонового лазера можно вести запись на светочувствительной бумаге со скоростью более 50 см/с. В системе для накопления большого количества цифровой информации [62] было использовано прожигание микро­ скопических отверстий диаметром около 5 мкм в покрытии, нане­ сенном на специальную полиэфирную пленку. Для записи инфор­ мации использовалось модулированное излучение аргонового лазера мощностью 1 Вт. Единица записывалась в виде выжженной лазером точки, нуль — в виде неповрежденного участка пленки. Такую информацию можно считывать с помощью лазера меньшей мощности. Оценки показывают, что по плотности записи и стои­ мости этот метод имеет преимущество перед магнитным.

Был также предложен способ плотной записи на фотоплен­ ку [63]. В одной из систем [64] с помощью гелий-неонового лазера производилась запись на диски, покрытые фотоэмульсией. Полный объел! записи оценивается в 109 бит при плотности

10° бит/см2.

Практическая осуществимость лазерного метода записи была проделюнстрирована в работе [65], где использовался луч гелпйнеонового лазера с максимальной мощностью 38 aiB t . Запись производилась на тонких пленках, нанесенных на стеклянные подложки. Были опробованы покрытия из свинца и тантала толщиной 500 А и слои трифеииллгетанового красителя толщиной 1 мкм в пластмассовой основе. Было продемонстрировано высокое разрешение вдоль линии записи при использовании теплового воздействия лазерного луча. Типичная ширина линий составляла около 2 мкм при скорости записи порядка миллиона точек в секун­ ду. Печатный материал можно записывать с помощью оптиче­ ского сканирующего устройства ультразвукового дифракционного затвора, используемого для модуляции луча. Печатный материал переносится на пленку с разрешением, определяемым возможно­ стями считывающего устройства. Такая запись с высокил! разре­ шением была получена при помощи фокусирующей оптики, имею­ щей достаточную числовую апертуру.

Эти методы позволяют накапливать информацию путем записи с высокой плотностью на двумерной поверхности и легко считывать ее затем оптическим способолк Недостаток их состоит в том, что запись невозможно стереть. Было сделано несколько предложений;

1/2 20-023

по созданию стираемой оптической памяти, основанной па исполь­ зовании лазеров и различных фотоцветных или магнитооптиче­ ских эффектов. Одним из возможных применений лазерной техники обработки информации является создание машинной памяти па основе оптических методов. Характеристики управляемой лучом оптической памяти делают удобной ее для записи большого

с помощью полупроводниковых устройств и магнитных сердеч­ ников. Существующая техника менее удовлетворительна при записи большого объема информации, поскольку время выборки может оказаться слишком большим. Для накопления большого количества информации используются барабаны, диски, карты и лепты; во всех случаях применяется магиитный способ записи, который позволяет получить плотность записи 104 бпт/см2. Пре­ дельная плотность ограничена переналожеипем записи и связана с шириной дорожки, скоростью лепты и расстоянием от лепты до головки. Максимально достижимая плотность несколько превы­ шает 105 бпт/см2. Прн лазерной записи фокусировка когерентного светового луча в пятно, размер которого определяется дифракцион­ ными эффектами и равен примерно длине волны, позволяет прн соответствующем расстоянии между пятнами в принципе получить плотность записи порядка 107 бит/см2.

Общей особенностью предлагаемых оптических устройств памяти является использование в них лазера, что связано с необ­ ходимостью иметь источник большой яркости. Для записи и считы­ вания информации требуется дефлектор луча. Предпочтительнее, чтобы дефлектор не был механическим. Для того чтобы это приме­ нение лазера стало практически возможным, необходимо дальиехгшее усовершенствование методов отклонения луча. Лазерный луч проходит через управляющую систему и посылается в заданную точку на плоскости, предназначенной для записи. Высокая мощ­ ность лазерного луча вызывает пагреваппе среды, в которой записывается информация, и производит изменения, которые можно затем считывать оптическим методом. Один и тот же свето­ вой луч можно использовать для записи и для считывания. Интен­ сивность луча при считывании модулируется информацией, содержащейся па пластине памяти. На приемнике возникают электрические сигналы, соответствующие единицам и нулям. Эти общие соображения привели к нескольким конкретным предложениям относительно оптических систем памяти электрон­ ных вычислительных машин [66]. Для иллюстрации основных характеристик таких устройств мы опишем одно из этих предло­ жений, основанное иа использовании пленок из сплава марганца с висмутом, а затем кратко упомянем о других возможных мате­ риалах.