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.
Технической задачей полезной модели является создание универсального устройства для синтеза наноструктурированных материалов методом импульсного лазерного осаждения. Решение поставленной задачи осуществляется следующим образом:
1 - осаждение из лазерной плазмы наночастиц, пленок и многослойных структур с плоской, клиновидной и более сложной поверхностью с помощью плоского экрана, край которого перемещается над поверхностью подложки заданным образом;
2 - осаждение из лазерной плазмы наноструктурированных материалов на подложку цилиндрической формы, расположенную соосно конусной мишени и совершающую поступательно-вращательные движения заданным образом;
3 - осаждение из лазерной плазмы наноструктурированных материалов на подложку в виде ленты.
Технологические возможности устройства также позволяют осуществлять:
1 - контроль толщины пленок в процессе роста;
2 - исследование лазерного факела методами зондовой и оптической диагностики, масс-спектрометрии;
3 - напуск и ионизацию газов в вакуумную камеру;
4 - вакуумный отжиг 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.
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 14÷1017 см-3) 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.
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 2) или азота (N2) 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.
При использовании непрерывного лазерного излучения (например СО2 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.
1. Устройство для импульсного лазерного осаждения, включающее импульсно-периодический лазер, поворотное зеркало, собирающую линзу (объектив), вакуумную камеру с входными оптическими окнами, в одно из которых заводится лазерное излучение, мишень, механизм смены мишеней, располагающуюся напротив мишени подложку, механизм смены и нагрева подложек, отличающееся тем, что между подложкой и мишенью в непосредственной близости от подложки располагается плоский экран, край которого перемещается над поверхностью подложки заданным образом для получения плоской или клиновидной или более сложной поверхности пленок и многослойных структур.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мишень и подложка медленно вращаются по оси для равномерной выработки материала и однородного роста пленки соответственно.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толщина пленок в процессе роста контролируется кварцевым (либо элипсометрическим, либо интерферометрическим) измерителем.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мишень выполнена в виде цилиндра, вращающегося по оси и совершающего периодические линейные движения вдоль оси для равномерной выработки материала.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подложка выполнена в виде цилиндра или многогранника, вращающегося по оси и совершающего периодические линейные движения вдоль оси для однородного роста пленки.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мишень выполнена в виде конуса, а цилиндрическая соосная подложка поступательно-вращательно движется к мишени заданным образом.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подложка выполнена в виде ленты, перематывающейся с одного барабана на другой заданным образом в процессе напыления, а держатель подложки установлен на вращающемся основании, что позволяет наносить покрытие на ленту с двух сторон.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поворотное зеркало закреплено на сканаторе (например электромагнитном), позволяющем отклонять лазерный луч в пределе небольшого телесного угла заданным образом в процессе напыления для равномерной выработки материала мишени и однородного роста пленки.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мишень многосекционная (составная) для получения пленок сложного химического состава, сплавов, твердых растворов.
10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в одном из оптических окон вакуумной камеры расположен спектрометр с щелью, позволяющий регистрировать различные участки лазерного факела для определения возбужденных состояний атомов, ионов и молекул.
11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри вакуумной камеры расположен зонд Ленгмюра для определения кинетики разлета лазерного факела.
12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри вакуумной камеры расположен масс-спектрометр для определения химического состава лазерного факела.
13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вакуумная камера оснащена многоканальной системой напуска газов для получения пленок стехиометрического состава и дополнительного легирования, постростового термического отжига пленок в атмосфере различных газов, а также синтеза наночастиц.
14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри (снаружи) вакуумной камеры расположен высоковольтный высокочастотный ионизатор газов, позволяющий осуществлять легирование пленок в процессе роста.
15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри вакуумной камеры расположен механизм смены дополнительных окон для предотвращения загрязнения входного оптического окна лазерной плазмой.
16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что собирающая линза (объектив) длиннофокусная, с фокусным расстоянием более 50 см, а входное оптическое окно удалено от мишени на максимально возможное расстояние с помощью вакуумного патрубка для предотвращения его загрязнения.
17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что быстрый нагрев подложки осуществляется мощным непрерывным лазером с контролируемой модуляцией мощности через одно из оптических окон вакуумной камеры.
18. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние от подложки до мишени может варьироваться для изменения скорости роста.
19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри вакуумной камеры расположен источник ионов с ускоряющим потенциалом для предварительной очистки подложки (ионное травление).
