Ablația laser - depunerea și obținerea de filme subțiri prin ablație laser

1 Introducere

Depunerea de filme subţiri pe substraturi se poate realiza, având în vedere utilizarea sau nu a radiatiei laser, prin metode laser, respectiv metode nelaser.

În cele ce urmează vom face o prezentare generală a depunerii de filme subţiri, prin ablaţie laser.

1.1 Ablatia laser

Din numărul mare de denumiri ce apar in literatura de specialitate pentru depunerea laser pulsată, există un număr de sinonime ce merită a fi pomenite, cum ar fi: evaporarea laser, depunerea şi tratamentul asistat laser, ablaţia laser, depunerea prin ablaţie laser, depunerea prin evaporare laser, “sputtering”-ul asistat laser etc. Ceea ce este comun tututor acestor definiţii este faptul că reprezintă întotdeauna o succesiune de două procese: o vaporizare a unui material ţintă urmată de depunerea acestuia pe un colector aflat la o anumită distanţă şi plasat, în general, plan-paralel cu ţinta

Radiaţia laser, ca sursă externă de energie, a fost folosită pentru prima dată în experimente în camere de reacţie vidate, în scopul de a vaporiza diverse materiale (semiconductori sau dielectrici) şi de a le depune sub forma de filme subţiri de catre Smith si Turner in 1965, folosind un laser cu rubin şi lucrând la presiuni joase. Autorii au găsit că filmele depuse de ei (PbCl2, MoO3, CdTe, PbTe, ZnTe) nu au reprodus stoichiometria ţintei, nu au fost uniforme din punct de vedere al grosimii şi nici aderente la substrat (sticlă, mică, BaF2 sau AsS3).

Au urmat şi alte experimente, fiind utilizate diverse tipuri de laseri, dar au trebuit să treacă mulţi ani pentru ca metoda de depunere folosind laserii pulsaţi să revină în atenţia comunităţii ştiinţifice internaţionale, odată cu dezvoltarea puternică a surselor laser din anii 1970-1980. Evoluţiile tehnologice au făcut disponibile surse laser de mare intensitate, capabile să dea pulsuri scurte cu durate de nanosecunde şi, recent, cu durate de picosecunde si femtosecunde. Un pas esenţial în acest domeniu a fost progresul laserilor de putere pulsaţi ce emit în UV, folosind fie amestecuri excimer, fie laseri cu corp solid triplaţi sau cuadruplaţi în frecvenţă. Acest lucru a făcut posibilă vaporizarea congruentă, acompaniată de iniţierea plasmei, ceea ce a dus transferul stoichiometric de substanţă de la ţintă la substrat sau la controlul reacţiilor chimice ce apar, ducând la depunerea de filme subţiri foarte uniforme si aderente. Primele experienţe de depunere laser pulsată în care s-au folosit laseri cu excimeri au fost făcute de către Srinivasan şi colab.

În anii ce au urmat, metoda de depunere cu laseri pulsaţi s-a dovedit, în principiu, aplicabilă pentru obţinerea de materiale de orice tip, asigurând controlul precis al grosimii stratului depus, cât si aderenţa materialului sintetizat la substratul colector. Astfel, au fost depuse materiale supraconductoare, metale, semiconductori şi dielectrici, materiale piezoelectrice, feroelectrice, nitruri şi carburi, compuşi binari sau terţiari oxidici, polimeri, materiale biocompatibile etc. Această multitudine de materiale demonstrează potenţialul cvasi-universal al metodei de depunere cu laseri pulsaţi pentru obţinerea de filme subţiri cu compoziţia şi structura dorite.

Termenul de "ablaţie" provine din limba engleză, cuvântul ablation având semnificaţia de "îndepărtare, expulzare".

Procesele fizice fundamentale care conduc la realizarea ablaţiei, în urma interacţiei cu radiaţia laser sunt:

(1) încălzirea materialului iradiat;

(2) topirea, evaporarea sau sublimarea materialului încălzit;

(3) formarea plasmei (în cazul intensităţilor mari ale fasciculului laser).

Pentru depunerea filmelor subţiri ne interesează să putem alege regimul adecvat de iradiere. Trebuie îndeplinite următoarele condiţii: cantitatea de material ablat să fie maximă, compoziţia şi structura filmului depus să fie corespunzătoare, proprietăţile mecanice (în primul rând aderenţa la substrat) să fie cât mai bune.

O cantitate maximă de material ablat se obţine printr-o alegere potrivită a parametrilor laser, astfel încât majoritatea energiei să fie consumată la îndepărtarea de material sub două forme: vapori şi/sau lichid şi la formarea plasmei. În multe situaţii pentru ablarea materialelor se foloseşte radiaţie laser în pulsuri, pentru a se obţine o putere de vârf mare în condiţiile în care puterea medie laser este scăzută. Pentru un puls laser de durată dată, , topirea şi vaporizarea superficială sunt procese care apar în momentul în care intensitatea radiaţiei laser depăşeşte anumite valori de prag.