1.3.5 Испарительные системы с лазером в качестве дополнительной энергии

Лазер также перспективен как источник дополнительной энергии в случае других методов вакуумного испарения. Один из возможных вариантов - использование лазера в качестве дополнительного источника энергии при электронно-лучевом или магнетронном методе испарения, так как в этих случаях в несколько раз увеличивается уровень ионизации, что позволяет

эффективнее вести технологический процесс получения пленок.

Есть возможность использовать в этих системах лазеры для активации поверхности подложек при конденсации, что повлечет за собой улучшение характеристик наносимых слоев.

1.4. Физические явления в процессе испарения

К вопросам взаимодействия лазерного излучения с веществом мы уже обращались в связи с рассмотрением в разд. 3, физических процессов при обработке материалов лазерным излучением, неоднократно обращались при описании ряда технологических операций. Здесь мы опять обратимся к рассмотрению этого вопроса еще раз, так как существует определенная специфика при взаимодействии лазерного луча с веществом в вакууме и меняется энергетика процесса за счет разлета продуктов взаимодействия в вакуум. К тому же от особенностей процессов испарения, разлета в вакуум, энергетических и пространственных характеристик лазерной плазмы (плазменного факела), частиц плазмы и продуктов эрозии при взаимодействии луча с веществом в основном зависят условия конденсации и, в конечном счете, свойства сконденсированных пленок.

В разд. 3 было указано, что в принципе механизм взаимодействия излучения с веществом проходит следующие стадии: поглощение света, передача энергии тепловым колебаниям решетки твердого тела, нагрев материала, плавление, разрушение материала за счет испарения или выброса расплава и остывание после окончания светового воздействия. Стадии нагрева, плавления или испарения материала определяются критическими (пороговыми) значениями энергетики лазерного излучения. Процесс нагрева ведется при плотности мощности воздействия, не превышающего порогового значения I_о1 (3.4), за которым наступает процесс плавления. Соответственно плавление ведется при I_о < I_о2 , где I_о2 (см.3.5) - пороговое значение энергии, за которым наступает испарение материала. И, наконец, процесс испарения происходит при значениях I_о < I_о3 , где I_о3 (см.3.6) -пороговое значение, после которого наступает интенсивное испарение.

Таким образом, при лазерном напылении пленок наблюдаются три основных физических процесса:

Во-первых, это процесс поглощения лазерного излучения, нагрев до температуры кипения поверхности и испарение некоторой дозы вещества. Рассматривая в предыдущих разделах процесс поглощения излучения и нагрева поверхности до стадии испарения, мы показали, что критической интенсивностью, достаточной для ощутимого испарения, будет величина I_о2, которая для разных материалов лежит в пределах 10⁷-10⁸ Вт/см² (см. табл. 3). И действительно, в ряде работ (например, [15]) было показано, что лишь при I_о2 > 10⁶ Вт/см² в энергетическом балансе роль процесса испарения будет превышать теплопроводность. В этом случае (согласно теории развитого испарения) температура испаряющейся поверхности

Т_и.п будет превышать температуру кипения Т_к.

Рис. 7.5. Зависимость температуры поверхности: а - мишени; б - скорости

испарения от интенсивности лазерного облучения; 1- Pb; 2 - Al; 3 - Fe

На рис.7.5 представлены зависимости Т_с и скорости испарения _и (ухода частиц пара с поверхности) от интенсивности лазерного излучения I_о для трех элементов. Приведенные на рисунках данные показывают, что величина _и при I_о = 10⁷ Вт/см² равна 1,210² для Fe и 210² см/с для Al и превышает скорости испарения даже для сублимирующихся материалов (имеющими наибольшие скорости испарения при Т = Т_п) почти на 4-5 порядков.

Поскольку при испарении Т > Т_п, то это означает, что испарение идет с поверхности расплава. Поэтому следует стремиться к более высоким значениям Т_с, а для того чтобы уменьшить вероятность выбросов расплава в результате развития тепловых неустойчивостей, длительность импульсов должна быть как можно меньше.

Во-вторых, - это процесс поглощения излучения в продуктах испарения. Вид частиц, их относительное количество в продуктах испарения зависит от температуры испаряющейся поверхности. Из рис.7.5,а видно, что весь диапазон температур испарения лежит в области 10³ -10⁴ К, а следовательно, температура пара также имеет этот диапазон. Величина ионизации частиц пара зависит от температуры по экспоненциальному закону с большим показателем. Следовательно, в продуктах испарения, помимо нейтральных атомов, находятся ионы, электроны, а также частицы конденсированной фазы (капельные образования). Последние образуются либо за счет процесса конденсации пара на подлете, либо за счет объемного кипения.

Каждая составляющая пара будет поглощать излучение. В начальный момент взаимодействия с мишенью образующийся пар имеет малую плотность и слабо поглощает излучение. С течением времени возрастает масса испарившегося вещества и, наконец, наступает момент, когда поглощение энергии излучения начинает превышать затраты энергии на расширение пара (в процессе разлета), при этом резко возрастает температура пара. В результате лавинообразно увеличивается ионизация паров, после чего следует вспышка поглощения. Происходит экранировка испаряющейся поверхности, прекращается доступ излучения на мишень. К этому моменту образующаяся плазма имеет температуру не ниже 10 эВ,

а при разлете в вакуум за счет газодинамического и электростатического разгона кинетическая энергия ионов возрастает вплоть до 1000 эВ.

На рис.7.6 показан энергетический спектр, типичный для режима испарения. Из рисунка видно, что плазма имеет в своем составе наиболее быстрые ионы с Е_i > 1000 эВ и основную массу с энергией в диапазоне от 10 до 25 эВ. При обычных плотностях энергии излучения I_о от 10¹² до 10¹³ Вт/м³ (соответствует работе лазеров в режиме РМД) эрозионный поток состоит из высокоэнергетических частиц (одно- и многозарядных, z = 4, с энергией 100-1000 эВ) и из низкоэнергетической нейтральной части, которая по объему составляет 50-70%, и имеет в среднем энергию 8-15 эВ.

Рис. 7.6. Энергетический спектр частиц

продуктов испарения (их количества)

( _и = 10^-8 с, I_о = 10⁹ Вт/см² )

Нужно помнить, что все скоростные и энергетические характеристики плазмы непосредственно влияют на состояние и свойства конденсатов.

В-третьих, - это процесс конденсации продуктов испарения на подложке, который во многом определяется энергией частиц пара. По своему действию на поверхностные слои подложки или пленки частицы можно разделить на две группы: частицы с E_i < 25 эВ, не образующие дефектов в пленке, и частицы с высокой энергией, которые, выбивая атомы из поверхностного слоя, по сути, являются дефектообразующими. Отсюда ясно, что использование только медленных ионов позволяет получать бездефектные пленочные структуры, а использование быстрых - обеспечивает интенсивную генерацию вакансий и дефектов в приповерхностном слое, за счет которых увеличивается дисперсность структуры конденсатов.

Воздействие плазмы на подложку вместе с отраженным излучением от мишени приводит к интенсивному нагреву поверхности подложки. Поэтому скорость конденсации паров будет определяться температурой, которую проще ограничить при импульсном режиме облучения. В этом случае достижимые мгновенные скорости напыления _п^о составляют 10⁶ А^о /с, что на много порядков превышает _п в других методах.

И, наконец, физика процессов испарения в результате взаимодействия луча с веществом при уровне плотности потока выше критического

(I_о > I_о2) имеет самостоятельный физический интерес.

При I_о > 10¹³ Вт/м² повышается плотность образующейся плазмы и продуктов эрозии. В результате чего резко возрастает доля поглощаемой энергии, то есть возрастает внутренняя энергия плазмы, ее газодинамическое давление начинает существенно влиять на условия испарения и конденсации.

Рассмотрим структуру плазменного факела в пространстве, определяемом размерами радиуса сфокусированного пятна r_г . Примерная схема структуры изображена на рис.7.7.

Рис. 7.7. Структура плазменного факела: