Возможности лазерного напыления пленок

Итак, наиболее важным преимуществом лазерного испарения при эпитаксиальном наращивании пленки является сохранение стехиометрического состава сложных соединений. Это достигается высокой интенсивностью излучения, позволяющего испарить все компоненты соединения или сплава в эрозионном слое за время, более короткое, чем характерное время летучести наиболее легких элементов.

Второй особенностью процесса является появление дополнительных центров кристаллизации при облучении подложки быстрыми ионами, что позволяет выращивать эпитаксиальные пленки при небольшой подвижности адсорбированных атомов и при относительно низких температурах эпитаксии Т_э, равных 250 ÷ 300 ^оС.

Исследование процессов эпитаксии показало, что морфология растущего слоя в значительной степени зависит от температуры подложки. Отсюда появилось понятие критической температуры эпитаксии, которая, тем не менее, сильно отличается для различных способов выращивания пленок. Например, для пленок GaAs, наносимых на подложки из того же материала, Т_э имеет разные значения в зависимости от способа получения (табл. 11.1). Такая разница объясняется различием энергий, с которыми частицы прилетают на подложку. Если энергия поступающих частиц и их количество являются оптимальными, то условия для эпитаксиального роста создаются независимо от температуры (даже при комнатной). Такая ситуация характерна для метода лазерного испарения.

Таблица 11.1 Температура эпитаксии для различных методов выращивания пленок

Облучение быстрыми ионами (100÷1000 эВ) позволяет создавать на поверхности кристаллов огромное количество вакансий, на много порядков превышающее равновесное для этой температуры, что, в свою очередь, на столько же порядков увеличивает коэффициент диффузии. Этот эффект был использован для создания инверсных слоев для кремниевых солнечных батарей.

От освоения мягкого рентгеновского излучения в диапазоне l = 1÷30 нм можно ожидать существенных достижений в астрономии, спектроскопии, лазерной технике, микроскопии и других областях науки и техники. Трудность заключается в отсутствии материалов, пригодных для создания необходимых оптических элементов. Выходом служат пленочные сверхструктуры, в которых отражение накапливается от многих границ раздела, разнесенных на четверть длины волны. Такая задача была решена с помощью лазерного метода нанесения пленок. Примерные сочетания полупроводниковых пар в таких сверхструктурах и толщины слоев представлены в таблице 11.2.

Таблица 11.2 Полупроводниковые сверхрешетки

Совместное действие всех положительных факторов, присущих лазерному методу нанесения пленок, позволило создать многослойные структуры из сверхтонких пленок, которые находят применение в рентгеновской и нейтронной оптике. Весьма перспективными для электронной и лазерной техники являются квантовые сверхрешетки, представляющие собой периодические структуры из сверхтонких монокристаллических полупроводниковых пленок. Только методом лазерного напыления удалось получить сверхрешетки нового типа − с аморфными барьерными слоями.

Отметим дополнительно, что множество технологических операций при изготовлении изделий электронной техники возможно только при использовании лазерного способа нанесения слоев. Так, получение омических контактов к полупроводниковым структурам, выполненных на основе арсенида галлия, которые желательно проводить с нанесением всех слоев, включая Ni, Mo, Ta и самого GaAs, в едином технологическом вакуумном цикле возможно только при использовании лазерного испарителя, причем одного типа. Одним из вариантов решения такой задачи является использование для этих целей импульсных лазеров.

Использование лазерных технологий для нанесения пленок, предназначенных для самого широкого применения, как правило, не только упрощает сам технологический процесс, но и позволяет повысить качество образцов. Сравнительные исследования оптических покрытий многослойных лазерных зеркал из ZrO₂-SiO₂, полученных методами лазерного и электронно-лучевого нанесения, показали, что порог разрушения для них при воздействии излучения твердотельного неодимового лазера сравним и близок к порогу разрушения стекла К8, что недостижимо никакими другими технологиями.

С помощью освоенных методов лазерного напыления в последнее время удалось получить, причем с меньшими энергетическими, материальными и временными затратами, новый вид пленочных сверхпроводящих керамических материалов на основе окислов бария, иттрия и меди, что открывает новые возможности для их использования.

Большие возможности для получения новых материалов с необычными свойствами открываются при лазерном напылении углеродных пленок. В этих материалах очень большую роль играют энергетические запасы частиц углеродной плазмы, под воздействием которых образуются новые, ранее неизвестные структурные формы (металлический углерод, алмазоподобные структуры и т.д.). Весьма широкие, но не до конца изученные, возможности предлагает использование лазерных методов осаждения слоев для получения пленок магнитных материалов в вычислительной и информационной технике.