Импульсное лазерное испарение или абляция

В этом процессе лазерное излучение используется для "выбивания" многокомпонентных материалов из поверхностных слоев мишени и их нанесения на подложку с образованием стехиометрических моно- и многослойных покрытий с особыми свойствами. Особенности взаимодействия лазерного излучения с веществом создают уникальные возможности для напыления тонкопленочных структур. Лазерное излучение обеспечивает самую высокую плотность энергии на распыляемой поверхности. Это ставит метод лазерной абляции практически безальтернативным методом получения сложных оксидных систем, в состав которых входят элементы с различными коэффициентами распыления.

Схема лазерной напылительной установки изображена на рисунке 2.1.

Рис.2.1. Схема импульсного лазерного испарения (абляции).

В простейшем случае мишень облучается импульсным УФ излучением эксимерного (KrF, СО₂) или Nd:YAG лазера. Интенсивность излучения составляет 10⁸–10⁹ Вт/см², длительность — несколько наносекунд, что достаточно для абляции вещества (металлов, оксидов металлов) в точке нагрева мишени. Режим лазерного воздействия и геометрия установки определяются поставленной задачей. Взаимодействие высокоэнергетического лазерного импульса с материалом мишени приводит к образованию целого ряда продуктов, среди которых присутствуют не только электроны, ионы и нейтральные частицы, но и твердые микрочастицы материала мишени, отрывающиеся при взрывообразном испарении материала. Траектория дальнейшего движения этих частиц и их распределение по энергиям существенно зависят не только от интенсивности, продолжительности и частоты лазерных импульсов, но и от давления в рабочей камере. Проведение лазерной абляции в глубоком вакууме приводит к образованию узкого факела продуктов, в котором велика доля заряженных частиц, а при образовании пленки в этих условиях велика роль процессов вторичного распыления конденсата высокоэнергетическими заряженными частицами. Напротив, при повышеннном давлении в камере облако продуктов абляции состоит преимущественно из нейтральных частиц и приближается по свойствам к пару низкого давления.

В начале лазерного импульса происходит разогрев мишени и испарение небольшой дозы вещества. Степень ионизации газа увеличивается с ростом температуры, при этом растет и коэффициент поглощения проходящего через него излучения. В некоторый момент наступает тепловой пробой, пар полностью ионизуется и поглощение в нем резко возрастает. В дальнейшем только малая часть излучения будет доходить до мишени, а основная энергия импульса пойдет на разогрев плазменного облака. К концу лазерного импульса испаренным оказывается приповерхностный слой мишени толщиной ~ 0,1 мкм, а над облученной областью формируется плотный плазменный сгусток, нагретый до температуры T~10 эВ. Затем плазма разлетается в вакуум. Ее температура, то есть энергия хаотического движения частиц, падает, в то же время вследствие газодинамического и электростатического разгона растет кинетическая энергия ионов. На некотором расстоянии от мишени плотность плазмы уменьшается настолько, что столкновения частиц практически прекращаются, и наступает стадия инерциального разлета. К этому времени формируется диаграмма разлета испаренного вещества, максимум которой совпадает с нормалью к поверхности мишени. Впереди летят самые быстрые ионы с энергией Е>1000 эВ, а замыкают движение наиболее медленные частицы - в основном нейтральные атомы с энергией Е<1 эВ. Взаимодействие этого потока с подложкой определяет свойства слоя, сформированного за один лазерный импульс. Так как процесс повторяется, то основные его закономерности можно проследить на одном цикле.

К числу основных преимуществ метода лазерной абляции относится, прежде всего, высокая степень соответствия катионной стехиометрии, формируемых пленок, составу материала мишени, что вызывает серьезные трудности во многих других методах и особенно важно при осаждении многокомпонентных материалов. Высокая степень перенасыщения при конденсации продуктов абляции приводит к интенсивному зародышеобразованию по всей поверхности подложки и высокой морфологической однородности формируемой пленки. Метод характеризуется также весьма высокой для тонкопленочных методов скоростью напыления, которая, однако, позволяет получать пленки высокой степени кристалличности. Немаловажным фактором является и практически полное отсутствие загрязнений пленки компонентами материалов камеры и вспомогательных устройств за счет малой ширины луча. В обобщенном виде к преимуществам метода относятся:

· высокое качество напыляемых пленок;

· высокая степень соответствия катионной стехиометрии, формируемых пленок, составу материала мишени;

· высокая морфологическая однородность формируемой пленки;

· весьма высокая для тонкопленочных методов скорость напыления;

· практически полное отсутствие загрязнений пленки компонентами материалов камеры.

К недостаткам метода относятся малый геометрический размер зоны однородного напыления при абляции в вакууме, обусловленный малым диаметром факела продуктов абляции, а также возможность загрязнения пленки твердыми частицами и каплями расплава материала мишени при высоких скоростях осаждения.

В процессе импульсного лазерного испарения параметры лазерного излучения (плотность энергии, длина волны, длительность импульса, частота повторения импульсов) и технические параметры процесса (расстояние между мишенью и подложкой, газовая среда), оказывающие сильное влияние на характеристики напыляемого материала, могут направленно изменяться, что позволяет создавать покрытия самых разных составов и свойств

Поиск по сайту: