Вопрос 13

Газовые и полупроводниковые лазеры, использование в технологических процессах.

Лазеры (квантовые усилители и генераторы оптического диапазона) - наиболее важные и широко применяемые приборы квантовой электроники. Это первые и пока что единственные источники интенсивного оптического излучения, обладающего высокой степенью когерентности, монохроматичности и направленности. Первый лазер был создан в I960 г. Т. Мейманом на основе рубина. В зависимости от типа используемого активного вещества различают: газовые, твердотельные (на твердых диэлектриках), жидкостные и полупроводниковые лазеры. Хотя по агрегатному состоянию активного вещества полупроводниковые лазеры формально можно отнести к твердотельным, особенности происходящих в них процессов, а также особенности их конструирования, изготовления и эксплуатации требуют вынесения этих приборов в отдельную группу.

Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточныхносителей зарядачерезp-n переходилигетеропереход,электрический пробойв сильном поле, бомбардировка быстрымиэлектронами), а квантовые переходы происходят между разрешённымиэнергетическими зонами, а не между дискретнымиуровнями энергии. Полупроводниковые лазеры — наиболее употребительный в быту вид лазеров^[24]. Кроме этого применяются в спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также вмедицине(см.фотодинамическая терапия^[25]).

Газовые лазеры— лазеры, активной средой которых является смесьгазовипаров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например,лазеры с ядерной накачкой^[27], в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе^[28], однако, без особого успеха^[29]), газодинамическиеихимическиелазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул иэксимерные лазеры^[30].

Состоит из сосуда с газом помещенного в оптический резонатор. Накачка производится с помощью высоковольтныхэлектрических разрядов, электроны соударяясь с атомами газа переводят их на возбужденные энергетические уровни. К достоинствам газовых лазеров относятся дешевизна вещества рабочей среды, высокая энергетическая эффективность и возможность работы в непрерывном режиме.

Разновидностями газового лазера являются газодинамические лазерыиэксимерные лазеры.

Вопрос6

Лазерное осаждение тонких пленок, конструкции лазерных испарителей.

7.1. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОСАЖДЕНИЯ СЛОЕВ

В основу этих методов положены те или иные химические реакции разложения или восстановления, которые идут под воздействием лазерного облучения. При этом в качестве сырьевой основы выступают металлосодержащие или металлорганические соединения.

7.1.3. ЛАЗЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗ

Использование в течение процесса электрохимического осаждения металлических пленок лазеров для подогрева электролитов дает целый ряд преимуществ по сравнению с обычными источниками нагрева: во-первых, появляется возможность вести процесс в технологической среде, активность которой определяется длиной излучения лазера; во-вторых, сфокусированный луч лазера позволяет проводить локальное термическое воздействие на формируемые пленочные структуры, в-третьих, появляется возможность нагревать локально обрабатываемые участки импульсами короткой длительности до температур порядка 10^{6 о}С без проплавления.

Использование нагрева с помощью лазерного луча позволяет ускорить процесс электролитического осаждения пленок. Механизм воздействия лазерного излучения на электролит основан на возникновении резкого температурного градиента, приводящего к интенсивной конвекции близлежащего к катоду материала электролита. В результате которого происходит быстрая замена обедненного ионами осаждаемого материала электролита на свежий с большей концентрацией этих ионов. В результате увеличивается скорость осаждения. Так, для никеля это увеличение происходит в 600-1000 раз. 

7.2. ВАКУУМНОЕ ЛАЗЕРНОЕ НАПЫЛЕНИЕ ПЛЕНОК

Методом лазерного испарения легко напыляются большинство металлов и их сплавов. Металлы с высокой температурой плавления (W, Mo, Ta, Nb и др.) требуют больших энергетических затрат, да и круг возможных способов испарения ограничен, поэтому способ лазерного испарения особенно эффективен при изготовлении пленок из этих металлов. Особенностью лазерного испарения может быть некоторая диссоциация соединений на основе селена, мышьяка, окислов железа ( Fe₂O₃ ), кремния ( SiO₂ ) и титана ( TiO₂ ). Восполнение недостающего элемента можно обеспечить испарением из дополнительной мишени либо подбором параметров испарения и условий для конденсации. Чтобы получить окислы в пленочном состоянии на подложке, распыление необходимо проводить в среде кислорода.

При этом нужно помнить, что поглощение остаточных газов при изготовлении пленок, как правило, приводит к ухудшению свойств пленок. У полупроводниковых пленок возникают необратимые изменения поверхности и тем самым электрических свойств, у магнитных пленок возрастает величина коэрцитивной силы, уменьшается намагниченность насыщения. Отсюда возникают требования к величине вакуума и его качеству (отсутствие вредных легколетучих составляющих, например углеводородов, в остаточной атмосфере).

Вакуумное осаждение пленок - наиболее распространенный и универсальный способ получения тонкопленочных структур самого широкого назначения, в том числе и сложных в производстве активных пленочных полупроводниковых структур (p-n - переходы). Развитие методов получения эпитаксиальных структур при импульсном лазерном напылении позволило получить ряд несомненных преимуществ: снижение температуры эпитаксии, резкое увеличение импульсной скорости испарения, получение сплошных пленок, начиная буквально с единиц нанометров, что невозможно достичь другими способами.

7.3. ЛАЗЕРНЫЕ УСТАНОВКИ ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНОК 

Особенности взаимодействия лазерного излучения с веществом, о которых мы рассказывали выше, позволяют напылять тонкопленочные структуры различного назначения с использованием вакуумных установок.

 Наиболее развивающийся способ осаждения пленок в вакууме - это испарительные системы с использованием импульсного лазера в качестве первичного источника энергии. Этот способ позволяет варьировать величину энергопотока в широких пределах (от 10⁸ до 10¹⁶ Вт/м²) и изменять длительность его воздействия от непрерывного до величины 10^-10 с. В таких испарительных системах управление энергетическими параметрами процесса испарения мишени легко достигается либо изменением степени фокусирования лазерного пучка, либо с помощью управления мощностью накачки при неизменной фокусировке.

Главным узлом технологических установок при импульсном лазерном испарении является сам лазерный излучатель, параметры которого и определяют особенности технологического процесса. Среди лазеров, указанных в таблице, представляет интерес ТЕА-лазер в силу того, что он работает на длине волны 10,6 мкм и потому может быть использован для испарения как диэлектрических, так и металличес-ких материалов. При проектировании технологического оборудования в проект часто закладывается специально разработанный для этих целей двухкаскадный лазерный излучатель на АИГ, работающий в режиме модулированной добротности.