1, 2 И 3 - зоны плазменного факела, отличающиеся характером взаимодействия плазмы с излучением. Пунктиром показан фронт разлета плазмы
Зона 1 - плотное ядро факела (r << rг), из-за высокой плотности плазмы здесь происходит полное поглощение излучения. И, наоборот, при
r >> rг плотность плазмы настолько мала, что поглощение практически отсутствует. По скорости разлета плазмы можно отметить, что вблизи мишени скорость значительно меньше звуковой, на расстояниях, близких rг, скорость уже выше звуковой. Границей зоны 1 принимают поверхность, где скорость разлета плазмы равна звуковой.
Далее в области сверхзвукового течения выделяют следующие области: 2 - зона ускорения плазмы (rг < r < 10rг), в которой в результате адиабатического расширения плазмы ее тепловая энергия переходит в кинетическую энергию направленного движения.
3 - зона инерционного движения, здесь скорость постоянна, а тепловая энергия намного меньше энергии направленного движения. Важной величиной является время жизни плазмы в области ядра:
p rг / Vз, (1)
Vз = 5/3 (Zi +1) (kT / Mi), (2)
где Zi и Мi - заряд и масса ионов.
Таким образом, время жизни ядра плазмы уменьшается при увеличении температуры плазмы и при высокой фокусировке излучения. При выходе плазмы в зону 3 наступает стадия разгона без ускорения и без подвода энергии. Здесь основным процессом становится рекомбинация заряженных частиц. В связи с этим очень важно выяснить вопрос об ионизационном состоянии плазмы на стадии разлета. Разлет плазмы с высокими скоростями ( 107 см/с ) и резкое падение плотности сразу по выходе из зоны 1 позволяет осуществить закалку ионизационного состояния. При выходе плазмы в зону 2 вероятность ионизации уменьшается, а само состояние определяется уже соотношением вероятности ионизации и рекомбинации. Полностью рекомбинация прекращается по истечении времени порядка 10 rг /UTi , где UTi - тепловая скорость ионов.
1.5. Особенности процессов конденсации при лазерном испарении
При воздействии на мишень лазерного импульса с длительностью 10-100 нс и с плотностью излучения на поверхности мишени порядка Iо = 1012= -1013 Вт/м2 начинается интенсивное испарение материала мишени. Для получения пленок высокого структурного совершенства, пригодных для практического использования, испарение должно проходить с сохранением стехиометрического состава мишени и при отсутствии в паровой фазе макровключений в виде капель от жидкой фазы и осколков от твердой фазы.
Некоторое нарушение стехиометрии возможно в случае заметного отличия составляющих компонент мишени по упругости паров. Тогда в области прогрева, ограниченного площадью пучка, испарение всех элементов будет идти одновременно, а в прилегающих областях испарение осуществляется с обогащением более легколетучих фракций.
Наличие капель в парах обусловлено, как правило, выносом части жидкой фазы газовым потоком, а сам расплав может образовываться либо конденсацией паров на стенках кратера, либо расплавлением вещества вне площади лазерного пучка. Часть капель образуется конденсацией паров на подлете к подложке.
Осколки вещества могут образоваться под действием высоких давлений на мишень со стороны расширяющегося пара и газов, адсорбированных или растворенных в испаряемом материале, которые буквально взрывают участки мишени. В диэлектриках, более прозрачных для лазерного излучения, испарение часто сопровождается глубинными взрывами. Лазерное излучение, проникая глубоко в материал, поглощается всякого рода неоднородностями. Образовавшийся пар, расширяясь, разрушает мишень с выносом части твердой фазы в пар.
Повышение энергии испаренных частиц выше определенной величины приводит к уменьшению скорости напыления пленок не только за счет экранирования частицами пара и продуктами эрозии, но и за счет увеличения доли реиспаренных атомов материала с подложки, благодаря активации поверхности конденсата частицами пара с высокой энергией (рис.8). Из рисунка видно, что с увеличением интенсивности излучения уменьшается доля сконденсировавшихся частиц пара никеля.
Рис. 8. Эффект реиспарения в зависимости от потока энергии на поверхности мишени
Перечисленные факты говорят о необходимости учитывать долю поступающей энергии на мишень, которая выше определенной величины идет на активацию испаренных частиц, повышение их кинетической энергии, активацию поверхности конденсата, ионизацию, возбуждение и т.д
Причем характерно, что увеличение плотности поступающей энергии на мишень смещает и количество нейтральных частиц в сторону больших энергий. На рис.9 приведены спектры энергетического распределения атомов и ионов кобальта по нормали к мишени. Видно, что увеличение энергетической плотности в два раза приводит к увеличению энергетического состояния испаренных частиц также в два раза.
Рис. 9. Энергетическое распределение атомов и ионов кобальта в направлении нормали к мишени для различных потоков энергии Io
С некоторого порога плотности энергии лазерного излучения начинается появление в потоке пара частиц с повышенным зарядом 2, 3 и даже 4. То есть идет перекачка энергии на активацию частиц пара. Если учесть, что наиболее высокоэнергетические частицы будут располагаться вдоль нормали к мишени, заостряя диаграмму разлета частиц, то ясно, что избыток энергии приведет к усилению неоднородности получаемых пленок по толщине.
Все перечисленные явления при взаимодействии лазерного излучения с мишенью надо учитывать при разработке тонкопленочной технологии на основе импульсных лазерных испарителей.
Одной из особенностей конденсатов, полученных методом лазерного испарения, является неоднородность по толщине, обусловленная высокими показателями направленности диаграммы разлета испаренных частиц.
Рис.10. Изменение диаграммы распределения конденсата арсенида
галлия при испарении из точки и из линии, расстояние мишень - под-
ложка lм.п = 46 мм
Причиной высокой направленности являются образующиеся кратеры
на мишени в результате эрозионных процессов при воздействии лазерного излучения. Равномерность распределения пленки по толщине может быть повышена сканированием луча по мишени. Введение сканирования луча только по направлению повышает равномерность почти на 15%. На рис.7.10 приведены диаграммы распределения конденсата арсенида галлия при испарении из точки и линии сканирования.
Разработчиками создано много систем сканирования по линии или по всей поверхности как оптические, так и механического типа. На рис.4 показано устройство, очень часто используемое в технологических лазерных установках. Такая система позволяет легко осуществлять сканирование с большой скоростью и высокой точностью, в результате чего удается избежать образования глубоких лунок (кратеров), которые усиливают направленность эрозионного потока. Кроме того, образование таких лунок приводит к частичной расфокусировке и, как следствие, к увеличению капельной составляющей в парах.
Рис.11. Устройство для сканирования лазерного луча по поверхности мишени:
1 - лазерный луч; 2 - призма; 3 - серводвигатели; 4 - каретка с оптической системой.
Физические свойства пленок зависят от энергетической предыстории поступающих частиц. Так, частицы с энергией Е ~ 0 имеют малую подвижность на поверхности подложки. Им не хватает собственной энергии, чтобы занять устойчивое положение в решетке и на поверхности. Пленка получается рыхлой, с плохой адгезией. Частично этот недостаток устраняется дополнительным подогревом подложек.
При Е > 10 эВ повышаются адгезионные свойства пленок, плотность покрытия, обеспечивается сплошность уже при малых толщинах. Наличие в энергетическом спектре подавляющего количества частиц с энергией 10 - 100 эВ снижает температуру эпитаксии, способствует удалению с поверхности наращиваемой пленки газового конденсата, уменьшая тем самым долю ненужных примесей. Эта часть спектра наиболее предпочтительна.
Частицы с энергией выше 300 эВ вызывают подтравливание поверхности конденсата, распыляют некоторую часть осажденного конденсата, имплантируясь в глубь пленки, создают радиационные дефекты, которые в дальнейшем могут быть устранены только с помощью термоотжига. Но, нарушая поверхность, они, с другой стороны, увеличивают число центров кристаллизации, что в некоторых случаях способствует улучшению характеристик покрытия.