Лазерное нанесение покрытий

При реализации лазерного нанесения покрытий нагрев и испарение вещества осуществляются когерентным электромагнитным излучением. Схема установки для лазерного нанесения покрытий представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 – Нанесение покрытий методом лазерного испарения

Оптический квантовый генератор размещается вне вакуумной камеры. Через прозрачное для излучения окно 4 лазерный луч попадает на зеркало 1, отражается от него и направляется на поверхность мишени. Сканирование по поверхности лазерного луча осуществляется, как правило, путем колебания зеркала 1. При воздействии лазерного луча на мишень 2 происходит испарение атомов металла и последующее их осаждение на поверхности подложки 3.

Лазерная технология нанесения покрытий имеет следующие преимущества:

1. Нет необходимости в применении в устройствах для испарения источников высоких напряжений.

2. Реализуются достаточно чистые условия нанесения покрытий, так как осуществляется нагрев только мишени.

3.Возможность достижения в потоке высокой плотности энергии – 10⁸ …10⁹ Вт/см² и, как следствие этого, получение покрытий из самых тугоплавких материалов и диэлектриков.

4. Высокая мгновенная скорость напыления (10³…10⁵ нм/с), что положительно сказывается на качестве образующихся слоев; покрытие является более однородным, сплошным, имеет высокодисперсную структуру.

5. Высокая стабильность процесса испарения, так как отсутствуют жесткие требования к степени вакуума при работе лазерных испарительных систем.

6. Высокая производительность и технологичность.

Для испарения материалов используют обычно СО₂-лазеры с длиной волны излучения λ=10,6 мкм, а также твердотельные (рубиновые) лазеры с λ=0,6943 мкм и неодимовые лазеры с λ=1,06 мкм.

Часто с целью повышения эффективности испарения и управления лазерным излучением используют импульсные лазерные системы. Для испарения металлов и сплавов рекомендуются импульсные лазерные системы с частотой импульсов f = 50 Гц и длительностью импульса 10^-8с. Мощность излучения составляет 5·10⁸ …5·10⁹ Вт/см². Более эффективное испарение полупроводников имеет место при следующих параметрах лазерного излучения: частота f=10 кГц, длительность импульса ~200 нс и мощность в импульсе 10⁷…10⁸ Вт/см².

Сканирование лазерного луча по поверхности позволяет равномерно испарять мишень и получать однородные покрытия.

Важнейшим физико-химическим параметром лазерного напыления является режим работы ОКГ. Он определяет температуру в зоне испарения и скорость испарения, а соответственно, и механизм зародышеобразования, структуру, свойства образующихся покрытий.

Выделяют три основных режима работы ОКГ:

1. Режим секундного импульса (СИ). В этом режиме предоставляется возможность испарения без диссоциации даже самых сложных органических соединений. Протекающие фазовые превращения имеют относительно равновесный характер.

2. Режим миллисекундного импульса (МИ). При такой длительности импульса возможна диссоциация химических соединений в зоне действия лазерного излучения.

3. Режим наносекундного импульса (НИ). Энергия в отдельном импульсе при таком режиме очень велика, поэтому в зоне испарения возникают очень высокие мгновенные температуры, происходит полная диссоциация пара и его ионизация.

Удельная испаряемость при режиме НИ имеет значения ~0,01 мг/Дж, при испарении в режиме МИ – мг/Дж.

В случае использования порошковых мишеней выше, так как уменьшаются потери на теплопроводность.

В режиме НИ имеет место пространственно-временное разделение испаренных частиц в импульсе. При испарении под действием наносекундного импульса образуются направленные потоки, состоящие из электронов, однократно и многократно ионизированных атомов, молекул, которые имеют различную кинетическую энергию. В результате образуется перемещающийся с зоны испарения пакет частиц, передний фронт которого составляют электроны и, как правило, многозарядные ионы, имеющие более высокую скорость (рисунок 10). Их энергия составляет 100 эВ и выше.

Рисунок 10 – Структура пакета частиц, испаряемых при воздействии на

мишень лазерного излучения в режиме НИ

В середине пакета находятся относительно медленные однозарядные ионы и электроны. Замыкают пакет нейтральные частицы с энергией ~1эВ.

При действии такого пучка на поверхность подложки под действием быстрых частиц происходит частичное травление её поверхностных слоев, очистка от абсорбированных газов, происходит также нагрев. В поверхностных слоях возможно образование при таком воздействии даже радиационных дефектов.

Из данного рассмотрения следует, что при формировании покрытий в режиме НИ важным технологическим параметром является расстояние от поверхности мишени до подложки. Изменяя это расстояние, можно регулировать условия формирования покрытия. При достаточно большом пробеге пакета частиц из-за различия в скорости движение возможно их совмещение в поступающем на подложку потоке и поверхность не подвергается импульсному воздействию. Необходимо учитывать также, что при импульсном нанесении покрытий поверхность подложки испытывает циклические тепловые деформации, которые оказывают также влияние на структуру и свойства покрытий.