Формирование объёмных микроструктур на подложках для создания микромеханического оптического пассивного затвора

МИРЭА

Физико-технологический институт (ФТИ)

Кафедра наноэлектроники

__________________________________________________________________

	Допущен к защите
	Зам. заведующего кафедрой _____________ И.В. Гладышев
	«___» ________ 2017 г.

 

Панов Александр Сергеевич

 

ФОРМИРОВАНИЕ ОБЪЁМНЫХ МИКРОСТРУКТУР НА ПОДЛОЖКАХ ДЛЯ СОЗДАНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОПТИЧЕСКОГО ПАССИВНОГО ЗАТВОРА

Направление подготовки 28.04.01 Нанотехнологии и микросистемная техника

Магистерская программа «Нано- и микросистемная техника»

Магистерская диссертация

 

Научный руководитель	подпись	Профессор, доктор технических наук Прудников Н.В.
Рецензент	подпись

 

МОСКВА 2017

 

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Московский технологический университет»

МИРЭА

Институт Физико-технологический наименование института (полностью)

Кафедра Наноэлектроники наименование кафедры (полностью)

 

СОГЛАСОВАНО		УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой ____________		Директор института ________________
«____» __________2017 г.		«____» __________2017 г.

 

ЗАДАНИЕ

На выполнение выпускной квалификационной

Работы (магистерской диссертации)

 

Магистрант Панов Александр Сергеевич

Шифр 15Э0240

Группа ЭНМО-1-15

Направление подготовки

28.04.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника»

Магистерская программа

26 «Нано и микросистемная техника»

1. Тема магистерской диссертации: Формирование объёмных микроструктур на подложках для создания микромеханического оптического пассивного затвора

2. Обоснование актуальности темы: Создание микромеханического оптического пассивного затвора с наносекундным временем срабатывания, релаксирующего к прежнему состоянию после прекращения воздействия.

3. Объект исследования: Микромеханический оптический пассивный затвор

4. Цель исследования: Разработка конструкции и схемотехнического решения по созданию микромеханического оптического пассивного затвора с наносекундным временем срабатывания.

5. Задачи исследования: Обоснование требований к микромеханическому оптическому пассивному затвору с наносекундным временем срабатывания, анализ воздействия лазерного излучения большой мощности на металл, полупроводниковые элементы, органы зрения, анализ существующих технологий защиты от лазерного излучения, моделирование и принцип работы затвора, анализ реультатов.

 

6. Методы исследования: Сбор информации, принцип действия оптического затвора, анализ результатов.

 

7. Ожидаемые результаты исследования: Технология создания термоиндуцированных наноразмерных поверхностных деформаций с наносекундным временем срабатывания за счет энергии лазерного излучения.

 

8. Документация по работе, представляемая к защите: Выпускная квалификационная работа (магистерская диссертация), тезисы докладов научно-технической конференции, автореферат, отзыв на автореферат, отзыв на магистерскую диссертацию, рецензия.

 

9. Руководитель и рецензент магистерской диссертации

Функциональные обязанности	Должность (должность в МТУ МИРЭА)	ФИО	Подпись
Руководитель проекта	профессор, доктор технических наук Н.В. Прудников	Прудников Н.В.
Рецензент

 

Задание выдал		Задание принял к исполнению
Руководитель ВКР__________ / Н.В. Прудников /		Магистрант_________/ Панов А.С. /
«___»___________20__ г.		«___»___________20__ г.

АННОТАЦИЯ

Диссертация содержит 71 с., 18 рис., 2 табл., 55 формул, 16 источников.

Ключевые слова: наноразмерные поверхностные деформации, защита от лазерного излучения, микромеханический светоклапан.

Объектом исследования являются факторы поражающего действия лазерного излучения и быстродействующие защитные системы.

Цель работы – разработка микромеханических светоклапанных устройств с наносекундным временем срабатывания за счет использования энергии излучения.

Проводилось исследование факторов лазерного воздействия на полупроводниковые мишени, металлические подложки и органы зрения.

В результате проведенных работ были обоснованы требования к наноразмерным поверхностным затворам, приводящимся в действие за счет энергии облучения. Разработаны оптические схемы устройств, в которых могут быть использованы наносекундные микромеханические затворы. Выполнено экспериментальное и теоретическое исследование, выбор перспективных материалов элементов микромеханических затворов, разработаны методы расчета конструкционных и функциональных параметров затворов.

Разработана теоретическая модель создания оптического пассивного микромеханического самосрабатывающего затвора, закрывающегося под действием наносекундного лазерного импульса излучения и восстанавливающегося после его окончания.

 

По результатам работы подготовлена следующая публикация:

Прудников Н.В., Грудинин В.А., Егоренков В.М., Леонова Е.А., Панов А.С. «Панорамные оптико-электронные устройства кругового и секторного обзора. Области возможного применения» // сборник 11-ой Всероссийской научной конференции «Технологии и материалы для экстремальных условий» - 2016. – С. 22-31.

 

Результаты диссертации использованы при выполнении следующих научно-исследовательских работ:

 

Работа была выполнена...

 

 

 

 

Содержание

 

Введение.. 7

1. Анализ механизмов воздействия лазерного излучения на элементы фотоприемных устройств.. 10

1.1 Воздействие лазерного наносекундного излучения на металлические слои и подложки 10

1.2 Действие наносекундных лазерных импульсов на поверхность полупроводниковых мишеней. 22

1.3 Действие лазерного излучения на органы зрения. 24

1.4 Анализ факторов поражающего действия лазерного излучения. 27

1.5 Исследования характера радиационного и теплового воздействия лазерного ослепляющего облучения на элементы приемных устройств. 39

2. разработка концепции построения и математической модели функционирования микромеханического затвора с наносекундным быстродействием... 43

2.1 Основные требования к защитным быстродействующим затворам. 43

2.2 Возможность создания светоклапанного устройства защиты. 45

2.3 Конструкция устройства светоклапанного зеркала. 47

2.4 Результаты лабораторного эксперимента...........................................................49

3. методы расчета конструкционных и функциональных параметров затворов.. 55

3.1 Перспективные типы быстродействующих оптических затворов................55

3.2 Метод LCVD.........................................................................................................58

3.3 Соединения, используемые для LCVD металлов..............................................61

4. Практические рекомендации по применению наносекундных микромеханических затворов.....................63

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................69

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................70

 

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

МДП – металл-диэлектрик-полупроводник

МОП – металл-оксид-полупроводник

ФПЗС – фотоприбор с зарядовой связью

ФЭУ – фотоэлектронный усилитель

ЭОП – электронно-оптический преобразователь

LCVD (Laser-induced Chemical Vapor Deposition). - лазерно-индуцированное химическое осаждение

USB (Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина

WEB-камера — малоразмерная цифровая видео- или фотокамера, способная в реальном времени фиксировать изображения, предназначенные для дальнейшей передачи по сети Интернет.

 

Введение

Источник ослепляющего облучения - лазерное устройство, излучающее световой пучок в виде направленного потока в сторону предполагаемого наблюдателя. Облучение приемных устройств наблюдателя может производиться как в режиме сканирования лучом области размещения наблюдателя, так и в режиме предварительного прицеливания с последующим «световым выстрелом».

Необходимо разработать микромеханические светоклапанные устройства с наносекундным временем срабатывания. Эти устройства должны приводиться в действие за счет использования энергии излучения. Поглощение поверхностью светоклапанного устройства энергии падающего излучения приводит к возникновению множества деформационных микровыступов на отражающей зеркальной поверхности микромеханической структуры и рассеянию отраженной от этой поверхности излучения.

Предполагаемая дальность действия ослепляющего облучения и требования необходимости необратимого повреждения приемных устройств диктуют значения возможных параметров лазерного пучка:

- расходимость ≈ 10^-4 рад; в этом случае при дальности 10³ м лазерное
пятно имеет диаметр 0,1 м, что близко к апертурам оптических устройств приемников и обеспечит эффективное использование энергии пучка;

- облучение имеет импульсный характер, что вытекает из требования портативности и экономичности ослепляющего устройства; длительность импульса и его энергия должны обеспечивать поражение цели за время одного импульса, так как при периодическом импульсном облучении могут успеть сработать соответствующие защитные устройства у наблюдателя. В качестве предварительной оценки, базирующейся на общедоступной информации о технических проблемах создания портативных импульсных лазеров,
можно обозначить диапазон длительностей импульсов - от единиц до сотни наносекунд; длина волны излучения должна соответствовать длинам волн оптических приемников у наблюдателя, т.е. должна находиться в диапазонах видимого и ближнего ИК-спектров, которые используются в пассивных устройствах наблюдения и обнаружения. В настоящее время существуют мощные твердотельные импульсные лазеры диапазона длин волн вблизи λ ≈ 1 мкм, например, на алюмо-иттриевом гранате; такие лазеры обладают параметрами ослепляющих средств.

Лазерный излучатель с точки зрения наблюдателя, ведущего осмотр некоторой «сцены наблюдения», является элементом этой сцены и оптическими приборами наблюдателя излучение лазера фокусируется в точку на фоточувствительной площадке приемного устройства. Размер этой точки определяется качеством оптики, и тем меньше, чем меньше пятно рассеяния, обеспечиваемое оптикой, то есть, скорее всего, определяется дифракционной расходимостью на апертуре объектива наблюдательного оптического устройства.

Энергия лазерного импульса поглощается веществом фоточувствительного приемного устройства локально и нагревает освещенный участок до температуры его разрушения: участок может расплавиться или испариться. Зона раз­рушения вследствие теплопроводности вещества может увеличиваться; послед­ствия разрушения могут распространиться на всю поверхность фотоприемника вследствие, например, возникших разрушений или замыканий электрических цепей приемника или нарушений элементов его схемотехники.

В различных типах фотоприемных устройств процессы инициированного лазерным импульсом разрушения могут протекать по-разному.Рассмотрим воздействие ослепляющего лазерного облучения на три типа объектов:

- матричные фотоприемные устройства на основе кремния или других полу­проводниковых веществ;

- электронно-оптические преобразователи (ЭОП) и фотоэлектронные усилители (ФЭУ), фоточувствительный слой которых может быть тонкопленочным (например, многощелочные фотокатоды) или в виде тонкого слоя полупроводника (ЭОП третьего по­коления);

- оптические бинокли, перископы, используемые при визуальном наблюде­нии; при этом лазерное облучение приводит к повреждению глаз наблюдателя. Во всех этих случаях поражающим фактором, как показано выше, является тепловое воздействие лазерного луча.

 

Метод LCVD

В современной литературе для обозначения лазерно-индуцированного химического осаждения на подложку различных материалов, в том числе и металлов, из паровой фазы исходных соединений широко исполь­зуется аббревиатура LCVD (Laser-inducedChemicalVaporDeposition).

Основной областью применения локальных и низкотемпературных LCVD является производство интегральных микросхем, технология изготовления которых непрерывно совершенствуется. Регулярно проводятся международные конференции, посвященные этой тематике. Универсальность лазерно-индуцированных химических процессов проявляется и в том, что можно отказаться от литографического способа создания топологии в функциональных слоях и непосредственно создавать микрорисунки с помощью методов лазерно-индуцированного химического осаждения необходимого материала на поверхности подложки. Одностадийным и, следовательно, наиболее технологичным из них является метод LCVD.

В общем случае метод LCVD заключается в следующем: летучее соединение осаждаемого элемента переводится в газовую фазу и разлагается на поверхности подложки или в паровой фазе при воздействии лазерного излучения, при этом образуются газообразные продукты и твердый осадок на поверхности подложки. На рисунке 3.1 представлена схема метода LCVD металлической пленки и основные составляющие типичной системы осаждения пленок.

В зависимости от длины волны, плотности мощности падающего излучения в приповерхностной области твердого тела и длительности его воздействия, на границе раздела твердое тело/газ происходят различные физико-химические процессы. Лазерное излучение воздействует:

- На газовую фазу с генерацией возбужденных молекул, радикалов или ионов;

- На адсорбированный слой с генерацией в нем возбужденных адсорбированных молекул, радикалов или ионов;

- На материал подложки с возбуждением его электронов, решетки и нагреванием локальных областей.

Лазерное излучение

Оптическая система

Подложка

Газовая фаза

G

ML

M

Реакционная камера пониженного давления

 

Рис. 3.1 Схема метода LCVD металлической пленки и основные составляющие этой системы: G - молекулы газа-носителя или буферного газа; ML - молекулы исходного соединения металла М

 

Таким образом, при LCVD металлов может происходить как лазерноиндуцированный фотолиз, так и лазерно-индуцированный пиролиз исходного летучего соединения металла, молекулы которого находятся как в газовой фазе, так и в адсорбированном слое.

Общая химическая схема процесса как фотолитического, так и пиролитического лазерно-индуцированного разложения исходного соединения металла имеет следующий вид:

, (3.1)

где ML - исходное соединение. Как правило, это координационное соединение металла с органическими лигандами или металлоорганическое соединение. В этом случае L - координационная сфера металла М.

G - буферный газ или газ носитель, который, как правило, является химически инертным газом;

М⁰ - металл в несвязанном состоянии;

Мⁿ⁺ - металл в ионном соединении;

M - металл в более устойчивом координационном соединении;

Р - продукты реакции, которые могут быть как газообразными, так и твердыми или жидкими.

Кроме того, одновременно с разложением ML могут протекать реакции с участием мономеров координационной сферы L: L → Р.

Таким образом, процесс LCVD металлов может осложняться вторичными реакциями и процессами соосаждения примесей. Кроме того, в результате лазерного воздействия на исходное соединение может образоваться несколько твердых продуктов. Осаждение чистого металла методом LCVD обусловливается свойствами осаждаемого металла и его исходного соединения, используемым лазерным излучением, давлением и составом газовой смеси.

В последнее время методы лазерной термохимии в газовой фазе успешно применяются для высокотемпературного синтеза ультрадисперсных порошков (пудр) химических элементов (С, Si), простых соединений (SiGe, А₂О₃, Si₃N₄), а также различных смесей. Такие порошки используются при разработке но­вых материалов с повышенными механическими, термическими и химически­ми свойствами. Это, прежде всего, конструкционные композитные материалы, свойства которых резко изменяются при внедрении в матрицу исходного материала частиц, сильно воздействующих на параметры межзёренных границ. Из этого условия вытекает требование иметь частицы с характерными размерами 3...30 нм при практически сферической форме с малым разбросом диаметров. Требуемые характеристики порошков достигаются, когда химические реакции разложения и/или синтеза проводятся непосредственно в объеме газовой фазы, и в условиях, когда происходит нуклеация (образование кластеров) твердофазных продуктов в зоне реакции.

Таким образом, изучение LCVD металлов в зарубежных странах (США, Японии, странах западной Европы) и стимулируется развитием микроэлектронной технологии.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации проведено теоретическое обоснование кон­цепции построения микромеханического оптического пассивного затвора, обес­печивающего защиту оптических приемных устройств, и оптико-электронных устройств различного назначения.

В работе проведен анализ поражающих факторов, экспериментальное иссле­дование на моделях и мишенях характера радиационного и теплового воздей­ствия лазерного ослепляющего облучения на элементы приемных устройств.

Исследована концепция оптического пассивного микромеханического затво­ра с наносекундным быстродействием.

Проведена количественная оценка поражающего действия лазерного излучения фотоэмиссионных приборов с многочисленным фотокатодом и с катодом с отрицательным электронным сродством, фотоэмиссионных полупроводниковых приборов на основе кремния, органов зрения.

Разработана математическая модель процессов поражающего воздействия лазерного излучения на структуру микромеханического затвора (включая ба­зовую физическую модель).

Проведены предварительные расчеты и макетирование оптиче­ских схем устройств, использующих наносекундные микромеханические затво­ры.

Выполнено экспериментальное и теоретическое исследование, выбор пер­спективных материалов элементов микромеханических затворов, разработаны методы расчета конструкционных и функциональных параметров затворов.

Разработана теоретическая модель создания оптического пассивного микромеханического самосрабатывающего затвора, закрывающегося под действием наносекундного лазерного импульса облучения и восстанавливающегося после его окончания.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Взаимодействие лазерного излучения с металлами / А.М. Прохоров, В.И. Конов, И. Урсу, И.Н. Михэилеску. – М.: Наука, 1988.

2. Лезнева Э.Ф. Лазерная десорбция. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1990.

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 2 т. Т.2.Термодинамика и молекулярная физика – М.: Наука, 1989.

4. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. – М.: Мир, 1986.

5. Действие излучения большой мощности на металлы / С.И. Анисимов, Я.А. Имас, Г.С. Романов, Ю.В. Ходыко. – М.: Наука, 1970.

6. Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов. – Л.: Машиностроение, 1986.

7. Арутюнян Р.В., Баранов В.Ю., Большов Л.А. Воздействие лазерного излучения на материалы. – М.: Наука, 1989.

8. Емельянов В.И., Семиногов В.Н. Лазерно-индуцированные неустойчивости рельефа поверхности и изменение отражательной и поглощательной способности конденсированных сред // Итоги науки и техники. Сер. Физ. основы лазер. и пучковой технологии. – Т.3. – М.: ВНИТИ, 1989. – 57-91 с.

9. Волновые процессы в слоистых средах / Р.И. Нигматулин, А.И. Темроков, А.Ю. Кишуков // Сборник научных трудов РАН под редакцией ак. Фортова В.Е., 1992г.

10. Карлов Н.В., Кириченко Н.А., Лукьянчук Б.С. Лазерная термохимия: Основы и применения. – М.: ЦентрКом, 1995. – 368 с.

11. Карлов Н.В., Кириченко Н.А., Лукьянчук Б.С. Лазерная термохимия. – М.: Наука, 1992. – 296 с.

12. Ахманов А.С. Лазерная и традиционная полупроводниковая технология – сравнительный анализ. Применение лазерографии в технологии интегральных схем // Итоги науки и техники. Сер. Физ. основы лазер. и пучковой технологии. – Т.3. – М.: ВНИТИ, 1989. – 4-39 с.

13. Вьюков Л.А., Емельянов А.В., Ермолов А.В. Лазерные процессы в технологии микроэлектроники // Изв. АН СССР, Сер. Физ. – 1987. – Т. 51, №6. – 1203-1210 с.

14. Прудников Н.В. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. – Москва: МИРЭА, 2009. – 34-44 с.

15. Чесноков В.В., Чесноков Д.В. Модуляция света упругими волнами в мембранных волноводах. Труды международной конференции «Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация производства оптико-электрических приборов в машиностраении». – Новосибирск: СГГА, 1995. – ч.2.-57-59 с.

16. Прудников Н. В., Чесноков В. В., Чесноков Д. В., Шлишевский В. Б. Применение термоиндуцированных наноразмерных поверхностных деформаций для ослабления импульсных световых потоков // Оптический журнал, том 76, №2, 2009. – 36-41 с.

МИРЭА

Физико-технологический институт (ФТИ)

Кафедра наноэлектроники

__________________________________________________________________

	Допущен к защите
	Зам. заведующего кафедрой _____________ И.В. Гладышев
	«___» ________ 2017 г.

 

Панов Александр Сергеевич

 

ФОРМИРОВАНИЕ ОБЪЁМНЫХ МИКРОСТРУКТУР НА ПОДЛОЖКАХ ДЛЯ СОЗДАНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОПТИЧЕСКОГО ПАССИВНОГО ЗАТВОРА

Направление подготовки 28.04.01 Нанотехнологии и микросистемная техника

Магистерская программа «Нано- и микросистемная техника»

Магистерская диссертация

 

Научный руководитель	подпись	Профессор, доктор технических наук Прудников Н.В.
Рецензент	подпись

 

МОСКВА 2017

 

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Московский технологический университет»

МИРЭА

Институт Физико-технологический наименование института (полностью)

Кафедра Наноэлектроники наименование кафедры (полностью)

 

СОГЛАСОВАНО		УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой ____________		Директор института ________________
«____» __________2017 г.		«____» __________2017 г.

 

ЗАДАНИЕ