Лазерное испарение материалов

Современные лазеры – уникальные приборы, позволяющие варьировать температуру, время и скорость нагрева, точно дозировать количество испаряемого вещества, что позволяет получать пленки с уникальными свойствами. Лазеры могут работать в различных режимах: непрерывном, свободной генерации, модулированной добротности и т.п.

Традиционными достоинствами лазерной обработки являются:

        высокая локальность зоны испарения и зоны нанесения пленки;

        возможность достижения высокой температуры (порядка сотен тысяч градусов);

        высокая степень чистоты процесса;

        возможность изменения в широком диапазоне скорости испарения;

        сохранение стехиометрического состава испаряемого материала;

        возможность нанесения пленок в контролируемой среде заданного состава;

        большая гибкость процесса, возможность его полной автоматизации.

Однако широкое промышленное внедрение лазерных испарителей сдерживается сложностью обеспечения ввода лазерного пучка в вакуумную камеру, поскольку в процессе нанесения пленки устройства ввода пучка покрываются испаряемым материалом и меняют свои оптические свойства. Кроме того, возникают сложности с формированием потока испаряемого вещества и его стабилизацией во времени (возможность выброса крупных паровых частиц), а также проблемы получения равномерных по толщине слоев на большой площади, поскольку высока локальность зоны нанесения.

Частично проблемы экранирования элементов ввода пучка решаются при использовании лазеров с трубчатой формой пучка, при которой окно ввода пучка может быть заэкранировано от испаряемого вещества центральным экраном. Однако зеркала, фокусирующие и отклоняющие лазерный пучок, все равно будут запыляться, что ограничивает длительность процесса осаждения и непрерывность цикла обработки.

Процесс лазерного испарения можно разделить на три основные стадии:

1)     взаимодействие лазерного излучения (ЛИ) с материалом мишени, включающее поглощение мишенью ЛИ, нагрев мишени и ее испарение в зоне действия ЛИ, формирование приповерхностной лазерной плазмы и лазерного эрозионного факела (ЛЭФ);

2)     разлет и эволюция ЛЭФ, происходящие вследствие поглощения ЛИ и различных рекомбинационных явлений в лазерной плазме;

3)     образование пленки при столкновении продуктов эрозии с поверхностью в результате конденсации и кристаллизации.

Поток испаряемого материала содержит жидкую и паровую фазы, соотношение между которыми зависит от плотности мощности ЛИ и теплофизических характеристик испаряемого материала.

Характерная структура ЛЭФ при воздействии моноимпульса ЛИ очень высокой мощности представляет собой движение нескольких зон, скорость перемещения которых зависит от плотности мощности ЛИ. Например, при плотности мощности импульса ~1011 Вт/см2 (~1 ГВт/мм2) у поверхности образуется плотное плазменное ядро, скорость движения которого составляет ~4×104 м/с, после которого образуется светящийся слой быстрых ионов сравнительно малой плотности, движущихся со скоростью ~6×104 м/с, за ним следует нейтральная граница (зона нулевого потенциала), перемещающаяся со скоростью ~2×105 м/с, а внешнюю оболочку факела составляют быстрые электроны.

Средними и низкими плотностями мощности ЛИ считаются плотности ≤ 10Вт/см2. При больших плотностях (1012-1015 Вт/см2) становится заметным

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector