Лазерный нагрев и получение диэлектрических тонких пленок в вакууме

Уникальные свойства лазерного луча, его когерентность, монохроматичность, минимальная расходимость, управляемость позволили использовать его достоинства практически во всех областях деятельность человека. В самом деле, сверхтонкие операции микрохирургии глаза и общей хирургии, нанотехнологии, строительстве, геодезии, микроэлектроники.

Мощные лазеры нашли применение во многих технологиях машиностроения и военном деле. Ни один природный и даже искусственный источник излучения не дает таких плотностей мощности и энергии, как это реализовано в лазерах.

Сфокусированный солнечный луч дает плотность мощности всего 10 Вт/см². Электронный луч после фокусировки дает величину - 108 Вт/см². Яркость, или светимость, лазерного луча в миллионы раз ярче солнечного света, а плотности мощности для непрерывных лазеров это - 1010 Вт/см², а для импульсных лазеров это - 1018 Вт/см², при этом расходимость луча от прямолинейности составляет единицы миллирадиан, опять же, недостижимых в других видах излучения.

В результате, лазерный луч может почти все: плавить, испарять, резать, сваривать, легировать, закалять и термоупрочнять инструменты, сверлить микроотверстия, производить подгонку параметров микроэлементов, стимулировать физико-химические процессы и реакции, разделять изотопы, наконец, участвовать в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза. Серьезным преимуществом метода лазерного напыления является размещение испарителя вне вакуумной камеры.

Это, с одной стороны, упрощает технологию, а, с другой стороны, позволяет проводить напыление в условиях сверхвысокого вакуума, что для электронно-лучевого напыления является проблемой. В зависимости от поставленной задачи применяют режимы импульсного или непрерывного испарения мишени. Импульсное лазерное напыление (ИЛН) характеризуется достоинствами:

- в отличие от резистивного испарения, лазерный луч непосредственно воздействует на мишень, избегая тем самым загрязнений пленок веществами самого резистивного испарителя;

- возможность испарять самые тугоплавкие материалы, так как температура на мишени может достигать несколько тысяч градусов, Это обстоятельство позволяет получать стехиометрические покрытия, в виду того, что при таких высоких температурах компоненты вещества мишени испаряются конгруэнтно, т.е. одинаково;

- высокие мгновенные скорости напыления позволяют формировать беззародышевые сплошные мономолекулярные пленки, близкие по своим параметрам к пленкам, полученных способом молекулярно-пучковой эпитаксией.

Одним из объяснений этого факта считается, что при импульсном частотном режиме за время между импульсами скорости миграции адатомов не хватает для образования зародыша и на подложку успевают адсорбироваться новые адатомы;

- контролируемое нанесение отдельных слоев в каждом импульсе толщиной от 0,1 до 10 Å/с, позволяет автоматизировать процесс напыления воспроизводимых пленок;

Выбор режима напыления определяется материалом мишени и назначением покрытия. В настоящее время существует большая номенклатура типов и режимов лазерных систем. На практике чаще используются иттрий-алюминиевые (𝛌 = 1.06 мкм) и газовые СО2 – лазеры (𝛌 = 1.06 мкм) в импульсном и непрерывном режимах. Лазеры с короткими импульсами менее 10 нс и острой фокусировкой дают плотность мощности излучения на мишени

более 1010 Вт/см² позволяют получать наноструктуры, типа сверхрешеток. Эксимерные газовые лазеры позволяют обрабатывать поверхности разной природы, испаряя верхний атомный и молекулярный слой в результате действия ударной волны, без нагревания материала. Длины волн лазеров на основе инертных газов, фтора и хлора от 157 нм до 351 нм. Частоты от 1 до 300 Гц.

Средняя мощность современных эксимерных лазеров до 400 Вт и длительность импульсов от 10 до 70 нс. Эти характеристики эксимерных лазеров позволяют использовать их в получении молекулярных пучков для эпитаксиального роста сверхтонких пленок. Эффективность испарения материала мишени можно определить как отношения испарившейся массы к энергии отдельного импульса.

Так в режиме миллисекундных импульсов имеем около 0,1 мг/Дж, а в режиме наносекунд – 0,01 мг/Дж.

Весь материал - в документе.