1.3.1. Импульсные лазерные испарители

Наиболее развивающийся способ осаждения пленок в вакууме - это испарительные системы с использованием импульсного лазера в качестве первичного источника энергии. Этот способ позволяет варьировать величину энергопотока в широких пределах (от 10⁸ до 10¹⁶ Вт/м²) и изменять длительность его воздействия от непрерывного до величины 10^-10 с. В таких испарительных системах управление энергетическими параметрами процесса испарения мишени легко достигается либо изменением степени фокусирования лазерного пучка, либо с помощью управления мощностью накачки при неизменной фокусировке.

Главным узлом технологических установок при импульсном лазерном испарении является сам лазерный излучатель, параметры которого и определяют особенности технологического процесса. Типичные характеристики используемых для этих целей излучателей представлены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики излучателей

Параметр Един. На неодимовом ТЕА- Двухкаскадный

измер. стекле СО₂- импульсный

лазер лазер на АИГ

Режим раб. - РМД РСГ РСГ РМД

_и мкм 1,06 1,06 10,6 1,06

_и с 310^-8 110^-3 210^-7 1,210^-8

Е_и Дж 1-3 10-100 3 0,3

f_и Гц 1-2 0,3 1 12,5-100

Плотн. Вт/м² 510¹² 510¹³ 510 ¹¹ До 10¹³

мощн.изл.

Среди лазеров, указанных в таблице, представляет интерес ТЕА-лазер в силу того, что он работает на длине волны 10,6 мкм и потому может быть использован для испарения как диэлектрических, так и металлических материалов. При проектировании технологического оборудования в проект часто закладывается специально разработанный для этих целей двухкаскадный лазерный излучатель на АИГ, работающий в режиме модулированной добротности.

На рис.3 представлена схема непрерывного лазерного испарителя: СО₂-лазер с длиной волны излучения 10,6 мкм размещается вне вакуумного объема. Энергия лазерного излучения поступает в вакуумную камеру через оптический ввод, выполненный из арсенида галлия. Полированная пластина GaAs устанавливается под углом Брюстера. Оптический ввод размещается ниже уровня расплава распыляемого материала, что предотвращает его запыление в процессе осаждения пленки. Поворотное и сферические зеркала - элементы оптической системы наведения лазерного луча на поверхность испаряемого материала. Сферическое зеркало находится в зоне запыления и поэтому участки зеркала заменяется перед каждым напылительным циклом. Предназначение этого зеркала - фокусировать лазерное излучение на испаряемой поверхности. Сфера зеркала покрыта для лучшего отражения слоем алюминия. Такое покрытие имеет некоторые преимущества перед линзами из солей: равномерное распределение плотности мощности по пятну, малые потери на рассеяние. За счет вращения зеркала, а также благодаря тому, что используется периферийная его часть, полезная площадь увеличивается в D₁/D₂ , где D₁ -диаметр рабочей части зеркала; D₂ - поперечный диаметр лазерного пучка.

Рис. 3. Лазерный испаритель непрерывного действия:

1 - испаряемый материал; 2 - тигель; 3 - СО₂-лазер - источник нагрева; 4 - оптический ввод из GaAs; 5 - поворотное зеркало; 6 - сменное вращающееся сферическое зеркало; 7 - экран; 8 - подложка; 9 - вакуумная камера

Сочетание трех движений: вращения сферического зеркала, смены угла поворотного зеркала и колебательных движений тигля - повышает эффективность использования всего испаряемого материала, увеличивает однородность пленок по толщине. Использование лазеров непрерывного действия в таких системах, безусловно, имеет преимущество непрерывного процесса, но теряются возможности получения больших мощностных величин в импульсе.

1.3.3. ЛАЗЕРНО - ДУГОВОЙ ИСПАРИТЕЛЬ

Надежность импульсного лазерного испарителя определяется плотностью лазерного излучения, рассеянной на элементах оптического тракта, и она не должна превышать стойкости материалов этих элементов. Чтобы обойти это противоречие с требованием иметь высокие плотности энергии лазерного излучения, используют дополнительные источники энергии (подобно лазерно-дуговой сварке - рис.5.2). Так, была рассмотрена конструкция испарителя, основанная на сочетании двух методов испарения: импульсного лазерного и импульсного дугового. Схема такого испарителя показана на рис.7.4.

Рис. 7.4. Схема лазерно-дугового дугового испарителя:

1- вакуумная дуга в парах испаряемого материала; 2 - пары испаряемого материала; 3 - подложка; 4 - мишень; 5 - лазерный луч; 6 - электрод поджига; 7 - система синхронизации лазерного и дугового импульсов

Продукты испарения от сфокусированного пучка лазерного излучения в виде разлетающейся плазмы имеют достаточно низкий импеданс. Благо-

даря этому, возникают условия для подвода дополнительного, синхронного импульса энергии в виде дугового разряда, который возникает между мишенью и электродом, размещенным вблизи. Суммарный поток испаренного материала от импульса лазерного излучения и вакуумной дуги осаждаются на подложке. При этом скорости испарения возрастают многократно, а энергию лазерного излучения в целях сохранения элементов оптики (о чем говорилось выше) можно уменьшить.

Таким образом, недостаток лазерных систем испарения - малые скорости нанесения пленок на подложку - может быть ликвидирован совместным использованием дугового испарителя и лазерного излучения. При этом лазер несет функцию управляющей и стимулирующей системы, а дуговой разряд обеспечивает основную энергетику процесса. Однако такие системы серийно еще не используются и требуют дальнейшей разработки.