Перспективные типы быстродействующих оптических затворов

В п. 2.1 сформулированы основные требования к защитным быстродействующим оптическим затворам, в том числе:

- Наносекундное время срабатывания;

- Пассивный характер затвора (функционирование за счет энергии «ослепляющего» излучения);

- Малое время релаксации.

Кроме рассмотренных в разделе 2 конструкций микромеханических затворов, сформулированным выше требованиям могут удовлетворять устройства, построенные на пороговом изменении под действием лазерного излучения оп­тических характеристик среды, например, поглощательной способности (коэф­фициента пропускания).

Главная проблема подобного рода устройств заключается в противоречиво­сти предъявляемых к ним требований. С одной стороны, они должны быть прозрачны во всем спектральном диапазоне фотоприемника, а с другой сторо­ны, за счет проходящего через их рабочую среду излучения (поглощая часть его энергии) резко увеличивать свою поглощательную способность. Сочетание таких противоположных требований возможно только в рамках лазерно-индуцированных химических реакций, начало протекания которых характеризуется энергией активации, т.е. носит выраженный пороговый характер.

Использование лазерно-индуцированных реакций для управления поглоща­тельной способностью активной среды оптического затвора, работоспособного в широком диапазоне оптического спектра и обладающего быстродействием, налагает определенные ограничения на выбор типа таких реакций.

Как показано выше, такие химические реакции не могут иметь резонансный характер, поэтому фотолитические процессы, возбуждаемые фотонами определенной энергии, также не могут стать основой для оптических затворов, управляемых световыми потоками большой спектральной ширины.

Можно также предположить, что большим быстродействием потенциально обладают реакции разложения молекул, а не их синтеза. При разложении первой элементарной стадией реакции является поглощение молекулой энергии в результате столкновений с горячей стенкой реакционной камеры или другой молекулой в газовой фазе; следующая стадия - молекула находится в возбужденном состоянии до тех пор, пока не произойдет следующего столкновения с другой молекулой и обмен энергией (столкновительный механизм релаксации возбуждения); третий этап - термический распад молекулы исходного соедине­ния и разлет продуктов разложения (частей молекул), вследствие чего усили­ваются процессы поглощения и/или рассеяния света, например, как результат появления непрозрачного осадка на оптических границах раздела, или локаль­ного увеличения коэффициента преломления за счет кратковременного роста плотности (так как реакции разложения идут с увеличением концентрации мо­лекул в среде).

В случае реакций синтеза первой элементарной стадией также является поглощение молекулами реагентов энергии в результате столкновения их с горячей стенкой или другой молекулой в газовой фазе; следующая стадия – соединение молекул разных реагентов в новую молекулу – требует нескольких столкновений исходных молекул, является статистически довольно длительным процессом, так как не каждое столкновение молекул приводит к их соединению, а только такие столкновения, при которых молекулы ориентированы друг по отношению к другу определенным образом.

Кроме того, результатом реакции синтеза может быть существенное умень­шение концентрации молекул в среде, так как, например, из двух реагирующих молекул возникает одна. В то же время при реакции разложения наоборот, концентрация увеличивается, например, при термолизе одной молекулы декакарбонила дирения возникает 12 новых молекул.

Важным фактором, заставляющим проводить исследования лазерно-индуцированных химических реакций для использования их в оптических затворах, является малая в ряде случаев энергия активации химических реакций в сравнении с теплотами плавления и сублимации, играющими ключевую роль в определении чувствительности оптических затворов, рассмотренных в разделах 2 и 3. Так, декакарбонил дирения может разлагаться при нагреве до 400 °С (плавление и испарение металлов требует температур 1000...3000 °С)

Проведенный анализ позволяет предложить два основных подхода при использовании лазерно-индуцированных химических реакций для целей разработки быстродействующего оптического затвора:

1) Использование химических реакций, протекающих в объеме газовой (или жидкой) фазы. Образующиеся при этом продукты реакции могут в процессе воздействия «ослепляющего» излучения выступать как центры поглоще­ния, а при кластеризации - и как центры рассеяния, уменьшая, тем самым, долю прошедшего излучения. Конструктивно такой затвор может представ­лять собой цилиндр, имеющий на торцах прозрачные окна, заполненный парогазовой смесью (или жидкой фазой), установленный коаксиально с оптической осью системы наблюдения.

2) Использование химических реакций, протекающих на поверхности прозрач­ных подложек. Образующийся при этом непрозрачный пленочный осадок может существенно изменить как поглощательную способность поверхности, так и коэффициент отражения. Конструкция основанного на таком подходе затвора может содержать множество участвующих в процессе по­верхностей для увеличения эффективности модуляции падающего излучения.

В качестве модели таких химических реакций и для определения применимости таких подходов для создания быстродействующих оптических за­творов были проведены экспериментальные исследования осаждения тонких пленок рения на стеклянные подложки при использовании метода лазерноиндуцированного парофазного химического осаждения (ЛПФХО) или LCVD.

Такой выбор был обусловлен, главным образом научным и технологи­ческим заделом. Проведение таких исследований, однако, позволяет создать модель процессов, протекающих как на поверхности подложек, так и в газовой фазе.

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.