Лазерне нанесення покриттів

Малюнок 9 - Нанесення покриттів методом лазерного випаровування

Оптичний квантовий генератор розміщується поза вакуумної камери. Через прозоре для випромінювання вікно 4 лазерний промінь потрапляє на дзеркало 1, відбивається від нього і прямує на поверхню мішені. Сканування по поверхні лазерного променя здійснюється, як правило, шляхом коливання дзеркала 1. При впливі лазерного променя на мішень 2 відбувається випаровування атомів металу і подальше їх осадження на поверхні підкладки 3.

Лазерна технологія нанесення покриттів має такі переваги:

1. Немає необхідності в застосуванні в пристроях для випаровування джерел високих напруг.

2. Реалізуються досить чисті умови нанесення покриттів, так як здійснюється нагрів тільки мішені.

3.Возможно досягнення в потоці високої щільності енергії - 10 8 ... 10 9 Вт / см 2 і, як наслідок цього, отримання покриттів з тугоплавких матеріалів і діелектриків.

4. Висока миттєва швидкість напилення (10 3 ... 10 5 нм / с), що позитивно позначається на якості що утворюються шарів; покриття є більш однорідним, суцільним, має високодисперсних структуру.

5. Висока стабільність процесу випаровування, так як відсутні жорсткі вимоги до ступеня вакууму при роботі лазерних випарних систем.

6. Висока продуктивність і технологічність.

Для випаровування матеріалів використовують зазвичай СО2-лазери з довжиною хвилі випромінювання # 955; = 10,6 мкм, а також твердотільні (рубінові) лазери з # 955; = 0,6943 мкм і неодимові лазери з # 955; = 1,06 мкм.

Часто з метою підвищення ефективності випаровування і управління лазерним випромінюванням використовують імпульсні лазерні системи. Для випаровування металів і сплавів рекомендуються імпульсні лазерні системи з частотою імпульсів f = 50 Гц і тривалістю імпульсу 10 -8 с. Потужність випромінювання становить 5 · 10 8 ... 5 · 10 9 Вт / см 2. Ефективніше випаровування напівпровідників має місце при наступних параметрах лазерного випромінювання: частота f = 10 кГц, тривалість імпульсу

200 нс і потужність в імпульсі 10 7 ... 10 8 Вт / см 2.

Сканування лазерного променя по поверхні дозволяє рівномірно випаровувати мішень і отримувати однорідні покриття.

Найважливішим фізико-хімічним параметром лазерного напилення є режим роботи ОКГ. Він визначає температуру в зоні випаровування і швидкість випаровування, а відповідно, і механізм зародкоутворення, структуру, властивості утворюються покриттів.

Виділяють три основні режими роботи ОКГ:

1. Режим секундного імпульсу (СІ). В цьому режимі надається можливість випаровування без дисоціації навіть самих складних органічних сполук. Протікають фазові перетворення мають відносно рівноважний характер.

2. Режим мілісекундного імпульсу (МІ). При такій тривалості імпульсу можлива дисоціація хімічних сполук в зоні дії лазерного випромінювання.

3. Режим наносекундного імпульсу (НІ). Енергія в окремому імпульсі при такому режимі дуже велика, тому в зоні випаровування виникають дуже високі миттєві температури, відбувається повна дисоціація пара і його іонізація.

Питома випаровуваність при режимі НІ має значення

0,01 мг / Дж, при випаровуванні в режимі МІ - мг / Дж.

У разі використання порошкових мішеней вище, тому що зменшуються втрати на теплопровідність.

У режимі НІ має місце просторово-часовий поділ випаровування частинок в імпульсі. При випаровуванні під дією наносекундного імпульсу утворюються спрямовані потоки, що складаються з електронів, одноразово і багаторазово іонізованих атомів, молекул, які мають різну кінетичну енергію. В результаті утворюється переміщається з зони випаровування пакет часток, передній фронт якого складають електрони і, як правило, багатозарядні іони, які мають більш високу швидкість (рисунок 10). Їх енергія становить 100 еВ і вище.

Малюнок 10 - Структура пакета частинок, що випаровуються при впливі на

мішень лазерного випромінювання в режимі НІ

В середині пакету знаходяться відносно повільні однозарядного іони і електрони. Замикають пакет нейтральні частинки з енергією

При дії такого пучка на поверхню підкладки під дією швидких частинок відбувається часткове травлення її поверхневих шарів, очищення від абсорбованих газів, відбувається також нагрів. У поверхневих шарах можливе утворення при такому впливі навіть радіаційних дефектів.

З даного розгляду випливає, що при формуванні покриттів в режимі НІ важливим технологічним параметром є відстань від поверхні мішені до підкладки. Змінюючи яку, можна регулювати умови формування покриття. При досить великому пробігу пакета частинок через відмінності в швидкості рух можливий їх поєднання у вступнику на підкладку потоці і поверхня не піддається імпульсному впливу. Необхідно враховувати також, що при імпульсному нанесенні покриттів поверхню підкладки відчуває циклічні теплові деформації, які багатодітній родині і вплив на структуру і властивості покриттів.