Результаты лабораторного эксперимента

Проведена серия предварительных экспериментов, которые показали возможность управления микромеханическими устройствами за счет энергии наносекундных лазерных излучений. Одиночным импульсом сфокусированного лазерного пучка азотного лазера с длительностью импульса 6 нс воздействовали на двухслойную тонкопленочную структуру на подложке. Смежный с подложкой слой испарялся и давлением паров наружный слой формовался в виде купола высотой 1 мкм и диаметром у основания 10 мкм. Плотность падающей энергии составляла 0,5 Дж/ . Эксперимент подтвердил достижимость требований по быстродействию и мощности срабатывания, и возможность управления микромеханическими устройствами за счет энергии наносекундных лазерных излучений.

Рассмотрим более детально физические и технологические процессы, сопутствующие решению данной задачи и, главным образом, возможность применения механического ударного воздействия лазерного луча в технологии микромеханики - формирование пустотелых герметичных микрообъектов и микроканалов в многослойной структуре на подложке.

На подложке сформирована двухслойная структура, верхний слой которой - золото толщиной 1 мкм, а нижний - легко испаряющийся при лазерном нагреве слой, например, слой хрома.

Структура локально освещается сфокусированным лазерным лучом с плотностью мощности сквозь прозрачную подложку. Прослойка испаряется и давление пара пластически деформирует слой золота.

Так как избыточное давление газа действует с равной силой на всю внутреннюю поверхность золотой пленки, последняя будет стремиться приобрести сферическую форму. Величину давления пара p, необходимую для формирования из тонкой пленки толщиной d тонкостенного сферического купола, можно вычислить по формуле:

где - механическое напряжение в стенке купола; - радиус купола.

Формовка имеет место в том случае, если механическое напряжение в стенке превышает некоторое пороговое значение, например, напряжение предела прочности материала. Для оценки воспользуемся значением напряжения предела прочности при постоянной нагрузке:

Для образования золотого купола с радиусом сферы 5 м, толщиной стенки м при =600 МПа, температуре 60 , необходимо давление формовки:

Считая купол полусферой объемом V и предполагая, в первом приближении, что атмосфера внутри купола является идеальным газом, можно записать для массы m этого газа:

Подставляя (2.5) в (2.4), получим:

где - универсальная газовая постоянная; М - молярная масса вещества прослойки.

Для образования данного количества пара необходимо испарить слой вещества толщиной с плотностью p, лежащей в основании полусферы:

Если использовать хром ( р=7,2 кг/ , М=24 кг/моль) в качестве материала слоя, испаряющегося и создающего избыточное давление, то получим м.

При фазовых переходах вещества пленки, «запечатанной» внутри прозрачной многослойной структуры и нагреваемой лазерным лучом, могут возникать импульсы давления. Рассмотрим случай изохорического локального нагрева такого поглощающего слоя внутри прозрачной структуры.

В принятом приближении все поглощенное слоем излучение расходуется только на увеличение его внутренней энергии.

Теплоемкость хрома равна 614 Дж/(кг*К) при температуре 1000 К и давлении 0,1 МПа. При переходе из твердого состояния в жидкое теплоемкость металла меняется незначительно. Примем коэффициент поглощения излучения равным А=0,5, тогда интенсивность излучения, необходимая для повышения температуры слоя толщиной d=3,6 м (от комнатной, без учета теплоты плавления и кипения) за время импульса с до температуры:

- Плавления 1877 К, равна 9,6 Вт/ ;

- Кипения 2672 К, равна 1,2 Вт/ .

Эти расчеты свидетельствуют о том, что мощности используемого лазерного излучения достаточно для расплавления и доведения до кипения слоя хрома. Относительное увеличение объема при фазовом переходе из твердого в жидкое состояние для большинства металлов составляет 4%. Если считать, что расплавленный участок слоя окружен абсолютно жесткими стенками, величина возникающего избыточного давления составит:

где - сжимаемость жидкого металла.

Для хрома избыточное давление составляет =4 Па. Существенное увеличение давления ведет к росту температур плавления и кипения, то есть реальная мощность излучения, необходимая для осуществления фазовых переходов, будет выше.

Последовательное нагревание участка слоя до температур плавления и кипения приведет к его тепловому расширению. Коэффициент объемного термического расширения большинства жидких металлов составляет . Дополнительное увеличение давления за счет термического расширения можно рассчитать по формуле:

где - коэффициент линейного термического расширения в твердой фазе.

Для хрома =11,8 при 1200 К. Тогда =13,61 Па.

Суммарное увеличение давления составляет:

Таким образом, при фазовых переходах микрообъемов вещества внутри прозрачной пластины, инициируемых импульсным нагревом лазерным излучением, могут возникнуть импульсы давления, превышающие пределы прочности вещества, при сравнительно умеренных плотностях мощности излучения.

Экспериментальная проверка проводилась на лазерной установке с азотным лазером, излучающим пучок мощностью в импульсе 3 кВт и длительностью 6 нс. В экспериментах использовались стеклянные подложки. Формируемая пленка толщиной в 1 мкм была изготовлена из золота. Промежуточные слои выбирались из сравнительно легко испаряющихся материалов, имеющих малую температуропроводность – титана и никеля (при их общей толщине 0,3 мкм) или хрома ( до 0,5 мкм).

Процесс являлся безреакторным и шел в атмосфере воздуха. Процедура лазерной обработки пленок контролировалась под микроскопом с увеличением в 30 . при использовании единичных лазерных импульсов и неподвижной подложки на ее лицевой поверхности образовывались выступы куполообразной формы.

Высота выступов и их диаметр у основания увеличивались с ростом мощности лазерного излучения, вплоть до разрыва тонкой пленки. В последнем случае образовывалось сквозное отверстие с характерными рваными краями и отогнутыми взрывным воздействием участками золотой фольги. Максимальная высота выступов, образованных без нарушения целостности покрытия, составила 1 мкм при диаметре основания 10 мкм.

В целом полученные данные согласуются с теорией и позволяют создать контролируемый процесс.