A lézerek látványos fejlődése, új lézertípusok megjelenése, a már beváltak egyre kompaktabbá, nagyobb hatásfokúvá válása nemcsak az immár klasszikusnak számító acéllemezvágás vagy autókarosszéria-hegesztés minőségének, hatékonyságának, s így gazdaságosságának folyamatos javulását eredményezi, hanem újabb elemekkel bővíti mind a megmunkálható anyagok, mind az alkalmazható technológiák palettáját.
Miért használunk felületmegmunkálásra lézereket? Mert a kis divergencia miatt a lézersugárzás különféle közegekben nagy távolságra is könnyen továbbítható, a felhasználás helyén pedig az energia mikroszkopikus méretű területekre koncentrálható. A kibocsátott fotonok számának és az impulzus hosszának beállításával az energiabevitel és a kölcsönhatás ideje finoman szabályozható, sőt, ez utóbbi megfelelő megválasztásával a lézer hullámhosszán átlátszónak gondolt anyagok is megmunkálhatók nemlineáris folyamatok segítségével.
Hol van a lézerek felhasználásán alapuló módszerekkel kialakítható mintázatok laterális méretének alsó határa? Egy TEM00 alapmódusú lézernyaláb - diffrakciólimitált leképezést lehetővé tevő optikai elemek alkalmazásával - kb. a hullámhosszának megfelelő méretű területre fókuszálható. A lézeres mikromegmunkálási folyamatok elérhető laterális feloldása azonban a mintázat létrehozásának mechanizmusától is függ: mikrokémiai módszerekkel az optika törvényei által megszabott alsó határ alatti laterális méretű mintázatokat is létre tudunk hozni. Ez a gyakorlatban néhány száz nanométert jelent. Az UV tartományban működő excimer lézereket fényforrásként alkalmazó fotolitográfiai eljárásokkal 100 nm alatti mérettartományba eső mintázatok kialakítása lehetséges.
A következőkben döntően az MTA-SZTE Lézerfizikai Kutatócsoportjában, ill. a SZTE Optikai és Kvantumelektronikai Tsz-en elért eredményekre alapozva példákkal illusztráljuk a lézeres anyagszabászat mikrovilágbeli lehetőségeit, az egyes módszerek teljesítőképességét és korlátait. Felvázoljuk, miért fordul megkülönböztetett figyelem napjainkban a lézerrel keltett plazmából történő vékonyréteg-építésre, miben rejlik ez új, különleges tulajdonságú anyagprototípusok előállítására is képes laboratóriumi technika sikerének titka. Két, már klasszikusnak számító felületstrukturálási technika, a lézeres direktírás és a vékonyréteg-átmásolás bemutatása után felvillantjuk azt is, hogy lehet impulzuslézeres ablációval nanoszerkezeteket készíteni.
Vékonyréteg-építés lézerrel keltett plazmából
Megfelelően nagy energiasűrűségű (teljesítménysűrűségű) lézerimpulzusok bármely anyagból plazmát tudnak képezni. A mikrotérfogatba (10-4-10-7 mm3) 10-8-10-14 s alatt betáplált, tipikusan néhány tíz vagy száz mJ energia kongruens anyagátvitelt eredményez. A vákuumban kitáguló plazmafelhő útjába helyezett hordozón kondenzálódó, a lézer paramétereitől függően néhány eV-tól több száz eV-ig változó kezdeti mozgási energiájú plazmaalkotók a targettel megegyező összetételű vékonyréteget építenek. Reaktív atmoszférában ablálva a réteg kémiai összetétele hangolható. A Pulsed Laser Deposition elnevezés betűszavaként az irodalomban PLD-ként emlegetett technika sokoldalúságát az alábbiakban azzal illusztráljuk, milyen szénmódosulatok és -vegyületek állíthatók elő ugyanazon grafittarget ablálásával.
A vákuumban épülő gyémántszerű szén- (DLC) rétegek szerkezetét és így tulajdonságait meghatározó sp2/sp3 arány a szénatomok és -klaszterek mozgási energiájának függvénye. A plazmaalkotók energiája a hullámhossz rövidítésével és az abláló impulzusok energiasűrűségének növelésével nő. Ennek megfelelően például a Nd:YAG lézeres abláció a grafitéhoz hasonló tulajdonságokat mutató rétegeket eredményez. Excimer lézerek néhányszor 108 Wcm-2 teljesítménysűrűségű (~5-10 Jcm-2 energiasűrűségű) impulzusaival keltett plazmából viszont a gyémánthoz nagyon hasonló tulajdonságú, 90 % fölötti sp3 hibridizációjú, gyakorlatilag hidrogénmentes, ún. tetraéderes amorf szén, ta-C rétegek növeszthetők.
Ha ta-C vagy gyémántréteg előállítása a cél, kihasználhatjuk, hogy az atomi hidrogén és oxigén kitüntetetten marja a grafitos (sp2) szenet. Mivel a H2 molekulák közvetlenül nem képesek a szénatomokkal reakcióba lépni, olyan nyomástartományban kell dolgoznunk, amelyben a nagy energiájú plazmaalkotókkal való ütközés következtében a H2 molekulák disszociálnak. Az oxigén molekuláris állapotban is intenzíven reagál, ezért a mechanizmus már kis nyomásokon is működik. Szobahőmérsékleten, 10-100 Pa nyomású H2, illetve 0,01-1 Pa nyomású O2 környezetben, 70 % feletti sp3 tartalmú DLC rétegeket tudunk előállítani. Gyémántrétegek heteroepitaxiális növesztéséhez magasabb hőmérsékletekre van szükség. Az ablak meglehetősen keskeny: O2 környezetben 550-600 °C-on, 15±10 Pa nyomáson, H2 atmoszférában ugyanebben a hőmérséklet-intervallumban, 500 Pa környékén sikerült gyémántrétegek növesztése grafit excimer lézeres ablációjával.
A N2 atmoszférában épített filmek atomszám szerint 30-40 % nitrogént tartalmazhatnak. A beépülő nitrogén mennyiségének változtatásával a szén-nitrid rétegek szerkezete, optikai és elektromos tulajdonságai széles tartományban hangolhatók, az alkalmazások széles skáláját kínálva. A rétegépülés során a kémiai effektus mellett a N2-molekulák szórócentrumként is működnek. Általánosan igaz, hogy a munkatérbe vezetett gáz nyomásának növelése a plazmaalkotók kezdeti mozgási energiájának folyamatos csökkenését eredményezi. A néhány Pa-nál kisebb nyomások tartományában a plazmaalkotók tükörsima, tömör, mechanikai szempontból kitűnő, kemény réteget építenek. Az 5 Pa nitrogénben épített, nanoskálán homogén réteg simaságát csupán néhány szubmikron méretű csepp töri meg (1.a ábra). A nyomás egy nagyságrendes növelése a mikroszerkezet radikális megváltozásához, porózus klaszterréteg kialakulásához vezet (1.b ábra). Ezek az óriási fajlagos felületű, porózus rétegek kemény védőrétegként ugyan nem, szenzorként viszont annál inkább beválnak. A kPa feletti nyomástartományban egyre kevésbé van értelme rétegekről beszélni, az atmoszferikus nyomáshoz közelítve pedig belépünk az individuális nanorészecskék, a fullerének, nanocsövek birodalmába.
Mikromintázatok lézeres direktírása
Egy lézernyalábot a megmintázni kívánt felület egy kiválasztott pontjára fókuszálva a felületből kiemelkedő vagy abba bemélyedő mintázatot alakíthatunk ki, vagy a felszín fizikai és kémiai tulajdonságainak lokális megváltoztatásával a megvilágított területet például vezetővé vagy átlátszóvá, netán éppen árnyékolóvá tudjuk tenni. A struktúrák méretét - a lézer- és anyagparaméterek mellett - a megvilágítás ideje határozza meg.
Kémiailag aktív környezetben a megvilágított területen vagy annak egy részén, mint egy miniatűr kályhában - ugyanúgy, mint makroszkopikus méretekben egy gázláng fölött tartott kémcsőben - reakciók indíthatók be. Heterogén fototermikus vagy fotokémiai reakciók eredményeként a felületbe bemélyedő vagy abból kiemelkedő mintázatokat egyaránt létre tudunk hozni. Kvarc hordozóra porlasztott 70 nm vastag W filmet WF6+H2 gázkeverékben 647 nm-en 176 mW-ot sugárzó Kr+ lézer 3 mikrom-re lefókuszált nyalábjával 0,07 s-ig megvilágítva például a 2. ábrán látható wolframpötty az eredmény. A pöttyöt alkotó kristályszemcsék méretének fokozatos növekedése néhány tized másodperc elteltével egykristály-növekedésbe megy át. Ha a fókuszfoltot az egykristály csúcsán tartjuk, például úgy, hogy a szubsztrátot a növekedési sebességnek megfelelő sebességgel távolítjuk, néhány perc alatt több mm hosszú W rudat növeszthetünk (3. ábra).
Ha a lefókuszált nyalábot a felületen elmozdítjuk, akkor a reakciótér a lézerfókusszal együtt végigvándorol a felszínen, a reakció eredményeként "írást", rajzolatot hagyva maga mögött. A rajzolatot alkothatja az eredetileg csupasz felszínre lerakódó anyag, a felszínről lemart vékony réteg, vagy - kémiailag inert környezetben - a felszínen lévő anyagok lokális hevítésével létrehozott új vegyület. A 4. ábrán bemutatott wolfrámcsíkokat ugyanúgy WF6+H2 gázkeverékből építettük, mint a pöttyöt vagy a tűt. A lézernyaláb mozgatása helyett technikailag könnyebben megvalósítható megoldást választottunk: a hordozót mozgattuk a lézernyaláb fókuszsíkjában, a nyalábra merőlegesen, 100 mikrom/s sebességgel, a Kr+ lézer teljesítményét 83 és 146 mW között változtatva. Természetesen a W struktúrák létrehozása csak egyetlen példa. A módszer folyadékkörnyezetben szintén működik, tovább bővítve a lehetséges mintázatanyagok körét, bizonyos alkalmazások esetében költségtakarékosabb eljárást is eredményezve.
Inaktív környezetben a lézerrel iniciált mechanikai vagy termikus hatás leggyakrabban anyageltávolítást, ablációt eredményez. Ez a folyamat, optimalizációt és technológiatranszfert követően komoly ipari alkalmazásra számot tartó területeken eredményezhet minőségi javulást a kialakítandó felszíni mintázatok tulajdonságaiban, s így az ezeket tartalmazó eszközök jellemzőiben. A közelmúlt és jelen szegedi K+F eredményei közül kettőt említve: demonstráltuk, hogy lézeres interferometrikus eljárással kiváló minőségű optikai rácsok alakíthatók ki integrált optikai szenzorok fényvezető rétegében, és eljárást dolgoztunk ki CuInxGa1-xSe2 aktív rétegű amorf vékonyréteg-struktúrájú napelemek szelektív vágására. Az üveg hordozó/Mo/CIGS/CdS/ZnO szerkezet egyes rétegeibe úgy tudunk 10-50 mikrom széles vágatokat készíteni, hogy a vágandó réteg alatti, jellemzően mikron vagy szubmikron vastagságú másik vékonyréteg nem sérül meg.
A lézerkezelés következménye lehet fázisváltozás vagy az anyagösszetétel lokális megváltozása is. Nem is kell túlzottan nagy lézerteljesítmény ahhoz, hogy például egy cink- és szelénfilmekből álló rétegszerkezetben a Zn és Se atomok reakciója ZnSe kialakulásához vezessen. A ZnSe mint széles tiltott sávú vegyület-félvezető, szemben az eredeti Zn réteggel, fényáteresztő. Az eljárás, amely természetesen nemcsak a Zn-Se anyagpárral, hanem például CdTe, AlSb, GeSe esetén is működik, alkalmas tehát optikai adattároló készítésére.
A direktírás egyetlen komoly szépséghibája az, hogy relatíve lassú. Az esetek többségében nem is versenyképes a litográfiával szemben. A direktírás akkor lehet gazdaságos alternatíva, ha kis szériában, netán egyedileg kell a rajzolatokat elkészíteni (például prototípus fejlesztésénél), vagy például akkor, amikor bonyolult 3D felületekre kell mintázatot felvinni, mert a párhuzamos processzálást lehetővé tevő technikák általában csak sík felületen működnek.
Lézeres vékonyréteg-átmásolás
A mikroelektronikai iparban alkalmazott optikai maszkok hibáinak javítása például "testhezálló" lézeres alkalmazás. A fedett hibák (felesleges átkötések) javításának kézenfekvő módja az abláció, a krómréteg eltávolítása a kérdéses területről. Az átlátszó hibák korrekciójára elvében szimpatikusan egyszerű, szabad levegőn működő alternatívát kínál a lézeres vékonyréteg-átmásolás, az angol Laser Induced Forward Transfer elnevezésből adódóan LIFT-nek nevezett eljárás. Ennél az átmásolandó anyagot egy, az alkalmazott lézer hullámhosszán átlátszó hordozóra visszük fel vékonyréteg formájában. A hordozó felől a vékonyrétegre irányított egyetlen impulzus kivágja a kívánt alakzatot, és egyben átrepíti arra a felületre, ahol a mintázatra szükség van. Bár az elv nagyon egyszerű, a konkrét esetekben a követelményeknek minden szempontból megfelelő másolat(ok) létrehozása komoly optimalizációt igénylő feladat. Egyik legelső alkalmazásként mikroméretű fémfoltok adott helyre másolását sikerült megoldanunk a hordozó és a fémréteg páros megfelelő megválasztásával és a megmunkáló lézerimpulzus energiájának, hosszának és időbeli lefutásának optimalizálásával. Megmutattuk, hogy néhány száz nm vastag wolfrám vékonyrétegeknek egy elektronikusan vezérelt, diódapumpált Nd:YAG lézer néhány száz mikroszekundum félértékszélességű háromszög-impulzusaival kiváltott átmásolásával az átlátszó hibák tökéletesen javíthatók. Az ultrarövid impulzusú lézerek egyre elterjedtebb alkalmazása, és a funkcionális anyagok vékonyréteg formában történő előállítására a biológiában és orvosi tudományokban egyre fokozódó igény látványosan szélesíti a LIFT alkalmazási körét mind a méretek csökkentése, mind a másolandó anyagok körének bővítése irányában. Hopp Béla és munkatársainak e számunk 1530. oldalán közölt cikke például hőre és fényre érzékeny biológiai objektumok irányított átvitelére optimalizált LIFT konfigurációt mutat be.
Nanostruktúrák, még mindig lézerrel
Lézerrel keltett plazmából megfelelően választott körülmények között nanostruktúrák is létrehozhatók. Az ötlet 1985 szeptemberéből származik, amikor is a Rice Egyetem ötfős kutatócsoportja lézerrel keltett szénplazma nagy nyomású héliummal történő hűtésével fullerén (C60) molekulákat állított elő. A felfedezésért egyébként 1996-ban Robert Curl, Harold Kroto és Richard Smalley kémiai Nobel-díjat kapott. Az eredmény hihetetlen lökést adott a fullerének vizsgálatának, és jelentősen hozzájárult a nanotechnológia kezdeti szárnybontogatásához. A nanostruktúrák lézerplazmából történő előállításának technológiája mára odáig fejlődött, hogy egy impulzuslézer, egy kályha, egy gázkeringető rendszer és némi finesz segítségével változatos összetételű nanorészecskék, sőt akár e nanorészecskék által katalizált további folyamatok segítségével epitaxiális nanoszálak vagy nanoszálakban kialakított szuperrácsok (superlattice) is növeszthetők ezzel az eljárással.
Kulcsszavak: felületstrukturálás, lézer, nanostruktúrák, plazma, vékonyrétegek
IRODALOM
Bäuerle, D. (2000): Laser Processing and Chemistry. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York
Chrisey, D. B. - Hubler G. K. (eds.) (1994): Pulsed Laser Deposition of Thin Films. John Wiley & Sons, New York
Curl, R. F. (1997): Reviews of Modern Physics. 69, 691.
Duan, X. - Lieber C. M. (2000): Advanced Materials. 12, 298-302.
Gudiksen, M. S. - Lauhon L. J. - Wang J. - Smith D. C. - Lieber, C. M. (2002): Nature. 415, 617.
Kroto, H. (1997): Reviews of Modern Physics. 69, 703.
Smalley, R. E. (1997): Reviews of Modern Physics. 69, 723.
