Файл: Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения.pdf

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-