УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к лазерной технике и технике вакуумного напыления, в частности к устройствам, применяемым для создания наноструктурированных материалов, а именно, для роста пленок, многослойных тонкопленочных структур и синтеза наночастиц полупроводников, диэлектриков, металлов, полимеров и биосовместимых материалов методом импульсного лазерного осаждения.
14
17
-3
Метод импульсного лазерного осаждения, в отличие от других существующих методов синтеза обладает возможностью в широком интервале изменять энергетический спектр (1-100 эВ), степень ионизации и плотность осаждаемых частиц и, поэтому, является одним из перспективных инструментов современных нанотехнологий. Метод импульсного лазерного осаждения обеспечивает конгруэнтность испарения мишеней любого состава и глубокий эффективный вакуум в момент осаждения благодаря высокой плотности частиц (~10÷10 см) в абляционном плазменном факеле. Одновременно достигается возможность введения легирующих примесей как из твердой фазы (мишень), так и из газовой фазы (контролируемый напуск газа в вакуумную камеру). Это дает возможность точно управлять стехиометрией состава пленок в процессе роста, а также исключает присутствие посторонних соединений в момент осаждения и роста тонких пленок, обеспечивая, таким образом, чистоту эксперимента.
Известно устройство для лазерно-плазменного напыления (свидетельство на полезную модель РФ №14405 от 20.03.2000 г., МПК-6: H01L 21/00; С23С 14/46, опубликованное 20.07.2000 г.). Недостатками данного устройства является отсутствие возможности полной сепарации напыляемых частиц, большие габариты и высокую скорость вращения сепаратора, связанную с устройством механической сепарации.
Известно устройство для лазерного напыления и исследования тонких пленок (свидетельство на полезную модель РФ №405 от 17.08.1993 г., МПК-6: С23С 14/00, опубликованное 16.05.1995 г.), содержащее герметичную рабочую камеру с измерителем параметров пленок, окно для подачи лучевой энергии, мишень и держатель подложки. Герметичная рабочая камера снабжена дополнительной герметичной камерой, в которой размещены мишень, держатель подложки и окно для подачи лучевой энергии. Недостаток известного устройства заключается в сложности конструкции (наличие двух камер), которая обусловлена необходимостью анализа получаемых сверхпроводящих пленок в вакууме вследствие деградации поверхности пленок от соприкосновения их с окружающей средой. Также отсутствует система напуска газов и не предусмотрена возможность смены мишеней, что необходимо при создании многослойных структур из различных соединений.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для лазерно-плазменного напыления (ПРОТОТИП) (свидетельство на полезную модель РФ №89906 от 06.07.2009 г., МПК-51: H01L 21/00; С23С 14/46, опубликованное 20.12.2009 г.), содержащее импульсный лазер, объектив, мишень, механизм смены мишеней, подложку с напыляемой пленкой, механизм нагрева и смены подложек, устройство сепарации напыляемых частиц. Недостатками данного устройства является ограниченная размерами сепаратора площадь напыляемых пленок и отсутствие возможности синтеза пленок со сложной геометрией поверхности.
Общими признаками прототипа и полезной модели технического решения являются:
наличие импульсного лазера, объектива, мишени, механизм смены мишеней, подложки с напыляемой пленкой, механизм нагрева и смены подложек.
Задачей полезной модели является создание универсального устройства для синтеза наночастиц, вакуумного роста тонких пленок, многослойных структур и покрытий многокомпонентного состава с плоской (клиновидной и более сложной) поверхностью, а также для исследования лазерного факела.
Устройство импульсного лазерного осаждения наноструктурированных материалов поясняется тремя рисунками. На рисунках представлено:
1 - импульсный лазер;
2 - поворотное зеркало-сканатор;
3 - собирающая линза (объектив);
4 - вакуумная камера;
5 - мишень,
6 - турель для смены мишеней;
7 - лазерный факел;
8 - подложка;
9 - нагреватель подложки;
10 - экран;
11 - система вакуумных насосов;
12 - персональный компьютер;
13 - система напуска газов;
14 - спектрометр (либо зонд Ленгмюра);
Излучение импульсного (импульсно-периодического) лазера 1 заводится с помощью поворотного зеркала, закрепленного на электромагнитном сканаторе 2, в вакуумную камеру 4 и с помощью объектива 3 фокусируется на мишень, расположенную на турели для смены мишеней 6. Лазерный факел 7, образованный в результате абляции мишени конгруэнтно переносится на расположенную напротив вращающуюся подложку 8, расположенную на нагревателе 9. Нагрев подложки может осуществляться резистивным нагревателем, высокочастотным нагревателем, либо облучением непрерывного лазера с модулируемой мощностью.
Между подложкой и мишенью в непосредственной близости от подложки располагается плоский экран 10, край которого перемещается над поверхностью подложки заданным образом для получения клиновидной и более сложной поверхности пленки и многослойных структур. Контроль толщины пленок может осуществляться количеством импульсов по заранее определенной скорости либо в процессе роста с помощью кварцевого (либо элипсометрического, либо интерферометрического) измерителя.
В процессе импульсного лазерного осаждения входное оптическое окно покрывается тонкой пленкой аблируемого материала, который начинает поглощать входящее лазерное излучение, снижая его интенсивность на мишени. Для решения этой проблемы предлагается следующее:
1. Расположить внутри вакуумной камеры механизм смены дополнительных оптических окон.
2. Входное оптическое окно отнести от мишени на максимально возможное расстояние с помощью вакуумного патрубка и использовать длиннофокусную собирающую линзу (объектив) с фокусным расстоянием не менее 50 см.
2
2
Откачка вакуумной камеры осуществляется системой вакуумных насосов 11. В процессе синтеза наноструктурированных материалов (либо в режиме постростового отжига) в вакуумную камеру контролируемо могут напускаться различные газы при помощи многоканальной системы напуска газов 13. Например, в атмосфере кислорода (О) или азота (N) происходит стехиометрический рост пленок оксидов и нитридов металлов, а в атмосфере инертных газов при абляции мишени осуществляется синтез (конденсация) наночастиц, размеры и дисперсия которых зависит от давления инертных газов в камере.
В некоторых случаях легирование пленок осуществляется лучше при внедрении не атомной компоненты газов, а ионной. Для ионизации напускаемых газов в процессе роста пленок предлагается использовать ионизатор газов, выполненный в виде стеклянной трубки с электродами, внутри которой протекает газ. К электродам подается высоковольтное высокочастотное напряжение, в результате чего в трубке загорается емкостной тлеющий разряд. Ионизатор может располагаться как внутри вакуумной камеры, так и снаружи.
Для осаждения покрытий на внутреннюю стенку полой цилиндрической подложки 8 (труба) предлагается использовать мишень 5, выполненную в виде конуса (рис.2), при этом подложка располагается соосно и совершает поступательно-вращательные движения заданным образом, что обеспечивает однородное осаждение покрытий по заданному профилю.
Для импульсного лазерного осаждения покрытий на подложку в виде ленты предлагается использовать механизм, позволяющий в процессе осаждения перематывать ленту с одного барабана на другой заданным образом (рис.3). Держатель механизма с барабанами закреплен на вращающемся основании, что позволяет после прогонки и осаждения пленки на подложку-ленту перевернуть ее и наносить покрытие на тыльную сторону ленты. Таким образом, обеспечивается осаждение покрытия на ленту с двух сторон.
2
При использовании непрерывного лазерного излучения (например СО лазера) вместо импульсно-периодического осуществляется переход от метода импульсного лазерного осаждения к термическому напылению. Осаждение материала в таком режиме при достаточно высоком давлении буферного газа (100 мТорр-1 Topp) также может приводить к конденсации наночастиц на подложке.