Импульсное лазерное испарение или абляция

Электронно-лучевое испарение.

Испарение в электрической дуге.

Между катодом и анодом в вакууме инициируется электрическая дуга, которая испаряет материал катода. Процесс идет в среде инертного газа при низких давлениях 0,133–13,3 Па (0,001-0,1 торр) и при более низкой, чем в методах термического испарения, температуре.

На маленький участок испаряемого вещества (мишени), служащей анодом, направляется поток электронов силой 100—500 мА, эмитируемых катодом - вольфрамовой нитью накала, находящейся вне поля прямого видения со стороны испаряемого вещества, и ускоряется высоким напряжением 3— 10 кВ до энергии в несколько кэВ, что приводит к локальному плавлению и испарению атомов металла. Некоторые соединения перед испарением претерпевают диссоциацию и от испаряемого вещества в первую очередь отделяется компонент, который имеет более высокое давление пара. Для преодоления этого эффекта различные компоненты соединения испаряются из отдельных источников со скоростями, соответствующими молекулярному составу конденсата. Испарение электронным лучом лишено недостатков присущих резистивному нагреву.

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

Дата добавления: 2014-12-25