Изучение лазерного факела в процессе напыления ВТОП пленок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

московски! ОРДЕНА ленина ордена октябрьской революции :í ордзна трудового красного янамт

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. R ЛОМОНОСОВА 21АУ^О-ИССЛЕДОВАТВЛЬСгШ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФКЗЯКЙ

На правах рукопкся уда 621- 378. 33

Воробьев Олег Борисович

ИЗУЧЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ФАКВЛА В ПРОЦЕССЕ НАПЫЛЕНИЯ ВТОП ÍUSHOX

Специальность - 01.04.08.- Физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени :-»ндидата физико-математических наук

VI 'У ^■ \[

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте кдеркой физики МГУ им. М. В. Ломоносова

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Официальные олноненты: доктор физико-математических иаук

Ведущая организаций: Научно - исследовательский центр

лазерно» технологии Защита состоится имРМЯ 1992 года р часов

на заседании Специализир. данного Совета N 2 НИИЯФ МГУ

Адрес: 117234, Москва,Ленинские горы, 1Ш1Ф МГУ, 19-корпус МГУ, гь'д. 2-15. , .

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке ШИЯФ МГУ.

Автореферат разослан М^ЯЛ- 1992 года-

Ученый секретарь Специализированного Совета

Ковалев А. С. ,

кандидат физико-математических каук Селезнев Б. В.

Лебедев Ф. В. ' кандидат химических наук Кауль а. Р.

им. Ы. Е Ломоносова / К 05" 05.85/.

кандидат фнз. - мат. наук

- 3 -

ОБЩАЯ' ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Лазерное испарение, изучаемое на протяжен™ более двадцати лет, стало полезным инструментом нанесения тонких оптических диэлектрических покрытий, эпитаксиальных диэлектрических слоев. Плазма лазерного факела уж з течении ряда лет применяется при поверхностной обработке металлов и сплавов, что позволяет достигать термоупрочения поверхности,измэр ния ее химичесюто состава.

С момента открытия несколько лет тому назад семейств керамических. оксидных материалов, обладающих свойством высокотемпературной сверхпроводимости с температурой перехода ь , сверхпроводящее состояние выше точки кипения жидкого азота, возникла новая , волна . научного шггереса,направленного на исследование возможности получения методом лазерного напыления тонких ВТСП пленок с высоким! электрофизическими и структурню.г.т параметрами. Основная причина интенсивных научных исследований в втой области заключается в многочисленных возможных сферах Применения тонких ВТОП пленок, обладающих в сравнении с объемными керамическими материалами Солее упорядоченной структурой, большей величиной критического тока.

•Наибольшее внимание исследователей в настоящее врем;/ привлекает керамика 'состава Y-Bar Си-О ( 1-2-3 ), кыекжц. температуру перехода в сверхпроводящее состояние 94 К. Хо-п; висмутовая и талн'.евап керамика имеют температуру перехода в сяерхпрозодгщее. состояние, превышающую ру5ек 100 К, они в процессе напыления образуют много различных фаг с различной температурой перехода, что затрудняет получение однофазных ВТСП пленок с высокой температурой перехода и упорядоченной структурой. Е.'отноеть критического тока для пленок, нанщонннх при пстжьйовсшьи кивеией из висмутовой и талдиевоЛ керамик пока

вкачйтвдьне уступает образцам,полученным при испольаоаеют керамикк состава 1-Я-З.

Получение тонких ВТСП пленок 1-2-3 с элементным соотагок Оливки^ к составу исходной мишени, высокими вначениям!?, температуры перехода к плотностью критического тока,упорядоченной кристаллической решеткой,хорошей морфологией поверхности ЯйЛйвтсЕ достаточно сложной задачей, решение которой вряд ли 908чх>гас тюташж соответствуют физических мэзсаниэмоз»

ксгорняс псзьолилс од оптимизировать процесс аалклеакк. Процесс напыления ВГСГ» пленок коже условно разделить ка зтапог: процесс испарения материала мишенк , процесс зге ¡гл*л«га и конденсации. .."оцадуру охлаждений напаренной влеакк. Уау-ину,*- .чаждого иь процессов представляет определенные у&^эегк. езяааякые с шо/окошюнентностью мишени яг керамкиж 1-■с-о, '5'.: непостоянными. механическими и теплофизическиш свойства-(плотность уюьгнэи, лспсльэуешх для нагшеник, составляет оС-?оЯ о? рентгеновское ),взаимозависимостью отдельных сторон процесс«, дошенхг. йакко указать, например, на мвогоеторонккет кислорода при яапшеак» ВТСП пленок 1-8-3, Кислород ке перекосился ъ легкой даре на подложу вместе с атомгмк металДэк пок лавэраой аблкцкк миаенэй 1-2-3,позтойу д.« сохранения кжлс-родкок ыеххо*®?рж процесс какьиенйй проводится н атмосфере :-с<«.С'род&. Зтс с одной стороны обеспечивает введение ' ссоТветст-зуэаега коягсэогье, кислорода а напыляемую планку , е с другой •города оказывает злмянк« ке разлет плазма лазерного факел?, к ого ярастратствеккуда сТзхиомегрж {¿иогоаторайийй к&рактзр ймеют сизичкекие шханиаш, яркводада© к появлению не, шайках »икро-ч&етац, суиэстгэнно ухудащю: швэрхйостйую Морфологию ядезок.

Не, аегоднаякий день вехнь№ йтейоИ ^сслэдов&йий Процесса гйяудзния ШСЙ -пленок 1-2-3 является кекаялеше

- Б -

экспериментальных результатов, касающихся отдельных сторон процесса лазерного напыления и установление взаимозависимости чэжду ними,которое позволило бы в будущем создать строгую математическую модель, процесса.

- Целью 'настоящей работы явилось экспериментальное исследование лаверною факела при напылении ВТСП клеток, образудаэгося рри абляции керамики 1-2-3 импульегаа« лазерный получением с равлн-шй длительностью импульса и длиной ' олчы.

р поставлены к решены задачи:

ичучод«* ивувграйыых спектральных характеристик плазмы лазэриого факела, ьозни-^здего при воздействии на керамику 1-2-3 лазерного излучения с различной длительностью импульса и длиной в"яны при раз.:и"ннк давлениях кислорода в напылителыюй камере;

- простракотвенно-временной эволюции плазмы лазерного факела и егл различных компонент в зависимости от расстояния до мишени,давления кислорода в напылительной камере,длины волны излучения и длительности лазерного импульс;

- разработка способов получения ВТСП пленок при лазерном распылении мишени 1-2-3 излучониш с ра°."т-чой длительностью импульса и длиной волны,установление вза . 'твисимостей меавду спектральными характеристиками -зерного факела и параметрами напыляемых пленок;

-установление закономерностей, связывающих параметры лазерного излучения, параметры плазмы лазерного факела и характер морфологии поверхности мишени и пленок;

На защиту выносятся следующие положения: 1. Экспериментальное определение интегральных спектральных параметров лазерного факела, созданного излучением лазеров различного типа. Экспериментальное д клпательство образования

оксида ТО при разлете лазерного факела в атмосфере кислорода.

2. Экспериментальное определение методом оптической вреияпродетной спектроскопии закономерностей проотранетвенно--временной эволюции компонентов лаверноГо факела в элементарной форме.

3. Экспериментальное доказательство сравнительно более направленного разлета иттрий при напылении ВТСП пленок излучением наносекундной длительности.

4. Экспериментальное определение зависимости электрофизических параметров ВТСП пленок 1-2-3 от температуры подложки во время напыления.

5. Определение закономерностей модификации поверхности мишени при многократном лазерном облучении.

• Научная новизна работы. В результате проведенных экспериментов определены интегральные спектральные характеристики лазерного факела в условиях лазерно-, го напыления ВГСП пленок в зависимости от расстояния до Мишени, длительности импульса и длины водны излучения; определены пространственно-временные зависимости разлета компонентов лазерного факела,установлен отрыв эрозионной плазмы лазерного факела в процессе разлета от поверхности Мишени; времяпролетными спектральными измерениями, исследованием элементного состава,температуры перехода в сверхпроводящее состояние напыленных -пленок установлен сравнительно более направленный характер Переноса атомов иттрия на подложу в процессе напыления; установлены ва-висимость температуры перехода в сверхпроводящее состояние ШОП пленок от температуры подложки в процессе напыления импульсным лазерным излучением,. выявлены преимущества Неодимового лазера с длительностью импульса 150 НС по сравнению с неодидавым лазером с длительностью импульса 16 не[Получены экспериментальные дока-

- ? -

-ВЕГгельства связи морфологии поверхности мишени и пленок, установлены закономерности модификации поверхности мишени при многократном лазерном облучении в процеосе напыления ВТСП пленок.

Результаты работы,отраженные в вацишаемнх положениях и выводах,носят приоритетный характер и составляют научную новизну работы.

Научная и практическая ценность работы. Результаты выполненных исследований важны для создания адекватной физической модели лазерного напыления.

Полученные данные о физических процессах, происходящих при разлете лазерного факела, модификации поверхности мишени в процессе лазерного напыления и связанным с ней изменением морфологии поверхности пленок позволяет наметить пути оптимизации процесса лазерного напыления. Предложенная методика обработки времяпролетных спектров делает возможным контроль за зтехиометрией испаренного материала мишени в процессе Напыления 1 может быть использована при выборе режима напыления, в том шсле и новых ВТСП соединений.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладовались на'III Всесоюзном ювещании по Высокотемпературной сверхпроводимости (Эйрь-:ов, 1991),научных семинарах НИИЯТ,,МГУ и опубликованы в четырех [ечатных работах.

Вклад автора. Изложенные в диссертации результаты . ¡сследований получены лично автором или в соавторстве при, епосредственном его участии. •

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТН

«

Диссертация состоит из введения, четырех глав и,,

заключения. В первой главе состоящей из двух параграфов, приведен обзор литературы, описание экспериментальной установки и методики измерений. В первой параграфе рассмотрены основные физические закономерности, выделенные широким крутой исследователей при напылении НГСП пленок, касающиеся взаимодействия лазерного излучения с керамикой 1-2-3,разлета эрозионной плазмы лазерного факела , условий напыления Ш'СП кленок! Отпечено отсутствие адекватных физических моделей, описывающих процесс лазерного напыления, корректных методик получения физической информации из оптических времяпроолетных измерений.

Рассмотрено влияние поглощения лазерного излучения плазмой при использовании для напыления лазеров с различной длиной волнь. излучения. Отмечена необходимость выбора оптимальных режимов напыления для сохранения стехиометрии состава напыляемых пленок. Указывается на роль кислорода в керамике 1-2-3 .введение которого в определенном количестве во время напыления в камеру позволяет получать сверхпроводящие пленки ties, длительного отжига в атмосфере кислорода.

В заключении S1 главы 1 на основе приведенного в не». о5зсра,формулируются конкретные задачи диссертации. В §2 главы 1 описана экспериментальная установка . и методики ¡вмэрений. Приведено описание использованных для' напыления серийных неодимовых лазеров с длительностью импульсов 15 и 160 не и эксимерных лазеров на KrF,указаны режимы их использования. Описано устройство напылительной камеры,включающее в себя устройства вращения , смены мишени и установки масок,нагревателе подложи и т.«. Приведено описание комплекса диагностической аппаратуры, включающей в себя оптический многоканальный анализатор, монохроматор, средства измерения параметров лазерного

излучения, микроскопов и т. д. Описана оптическая схема спектральных измерений, методика измерения критических параметров ВТСП пленок и создания сверхпроводящих дорожек для измерения критического тока путем лазерной модификации RTCfl пленок.

Во второй главе, состоящей из 'грех параграфов, приведен« результаты изучения интегральных спектральных характеристик лазерных факелов, созданных на мишени 1-2-3 излучением неодишвы:: ОКГ с различной длительностью импульса и эксимериого лазера. Рассмотрено изменение спектральных характеристик в зависимости от расстояния до мишени и давления кислорода в напылительной камере. Приведены оценки температуры лазерного факела в зависимости от расстояния до мишени и давления в камере,полученные в предположении о локальном термодинамическом равновесии. На основе экспериментальных данных сделан вывод о нарушении локального термодинамического равновесия в плазме лазерного факела и рекомбинационном характере этого нарушения Отмечено,что на расстоянии 1-2 см от мишени изменение интенсивности излучения в различных линиях компонентов лазерного факела происходит с одинаковой скоростью,что предполагает установление определенного равновесия между электронами плазмы и возбужденными уровнями атомов и ионов факела..

Проведено сравнение интенсивности излучения атомных и ионных линий и скорости ее уменьшении с увеличением расстояния до мишени для факелов,созданных Hdлучением кеодимоього лазера к лазера на KrF с Слизкими параметрами импульса в исследованном диапазоне давлений 10~4 - 0,1 Topp. Сделан вывод о меньшей начальной температуре плазменного образования, созданного излучением лазера на KiF и большей относительной доле материала мишени в элементарной форме, аблировачного коротковолновым ультрафиолетовые излучешшы» по сравнению с, результате и

- 10 -'

испарения мишени более длинноволновым инфракрасным излучением.

Прослежено изменение интенсивности излучения молекулярных полос УО в зависимости от давления кислорода в камере и расстояния до мишени, на основании чего сделан вывод о резком возрастании относительной интенсивности излучения молекулярных полос при скорости разлета плазмы лазерного факела около 6*10 см/с.

Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с результатами, имеющимися в литературе, отмечена непротиворечивая, как правило, идентификация сильных линий лазерного факела, схожесть спектральных характеристик индивидуальных оксидов, составляющих 1-2-3 и самой керамики 1-2-3,что позволило уточнить расшифровку спектрограмм.

Б заключении второй главы (а также двух последующих глав) формулируются выво.ы по рассматриваемым вопросам.

В третьей главе, рассмотрены результаты оптических времяпролетных измерений. Проанализирована общепринятая методика определения скорости по максимумам времяпролетных спектральных импульсов. Указано на некорректность этой методики в случае, когда за время прохода плазменного образования > 'чмо точки наблюдения заселенность возбужденных уровней значительно меняется,что, как правило, наиболее характерно для ионных линий.

ГЬл/ченная с помощью оптических времяпролетных измерений ин^-^мация о пространственно-временной эволюции лазерного факела представлена в виде распределений интенсивности излучения различных линий в зависимости от расстояния до мишени в фиксированный момент времени ( мгновенных спектральных фотографий ) . Отмечен отрыв плазменного образования " от поверхности шда'ни, который может быть объяснен конденсацией

вещества лазерного . факела на поверхности мишени. Анализ полученных экспериментальных данных в совокупности с исследованием элементного состава, напыленных пленок (глава 4), литературными данными позволил сделать вывод о оравнително более направленном переносе иттрия на поверхность подложки в процессе лазерного напыления, особенно при низких давлениях в напылительной камере.

Зарегистрировано излучение кислорода во время разлета лазерного факела в кислородной среде,отмечено торможение компонентов лазерного факела, возрастающее с увеличением давления кислорода в напылительной камере и одновременное возрастание абсолютной интенсивности линий факела,приобретение спектральными распределениями интенсивности излучения от расстояния до мишэни реакой границы по мере разлета факела. Отмечено происходящее одновременно с этим сужение области, являющейся источником излучения атомарного кислорода, приближение ее к фронту лазерного факела, нерегулярное изменение относительной интенсивности излучения молекулярных пол^с.

Указаны различия, выявленные при оптических времяпролегных измерениях, проведенных для лазерных факелов, созданных инфракрасным . и ультрафиолетовым излучением. Выявленные ос;обености подтверждают? вывод, сделанный во второй главе о относительно большей доле материала в элементарной форме в лазерном факеле,созданном излучением эксимерного лазера.

Проведенно сравнение полученных экспериментальных данных методом эмиссионной времяпролеткой спектроскопии с экспериментальными ', данными, опубликованными в литературе, особенно с данными абсорбционной времяпролетной-спектроскопии и аондовых измерений, проведенных в условиях'близких к/условиям напыления ВТСП пленок. Указано на непротиворечивый / характер.

совокупности этих данных.

В четвертой главе приведены результаты исследования режимов напыления ВТСП пленок излучением неоднмовых лазеров на различные типы подложек. Показано на основе экспериментальных результатов преимущество лазерных импульсов с длительностью импульса 150 не, связанное с более низкой температурой подложки ео время напыления и более широким диапазоном ее изменения, в котором получаются ВТСП пленки 1-2-3 удовлетворительного качества. Напыление ВТСП пленок периферийной частью лазерного факела и - последующий анали? элементного состава подтвердил,сделанный в главе 3 вывод о сравнительно более направленном перекосе иттрия в процессе лазерного напыления ВТСП пленок 1-2-3. Выявлено преимущество лазерного импульса длительностью 150 не пере;; лазерным импульсом длительностью 15 пс основной гармоники неодш.гавого лазера,заключающееся в меньшей зависимости критической температуры от угла напыления при одинаковой в обоих случаях плотности энергии на мишени и давлении кислорода в напылительной камере. -

Приведено описание экспериментально найденного оптимального режима напыления ВТСП пленок излучением ¿.ксимерного лазера на подложки из Sr-TiOj. (100). Описаны параметры полученных пленок,исследованных методом рентгеновской дифрактометрии и реаерфордовского обратного рассеяния -з решме тшчированин,указывающие на их сильную текстурированность и упорядоченность с ось» "с" фазы 1-2-3 перпендикулярной плоскости подложки. Отчина, оригинальная процедура охлаждения и насыщения тетрагончлиной- iJrwN 1-1: 3 плевки кислородом, заключающаяся в Снетки охл-члдении напыленной пленки от 780° С до 650°С при низком дил^нии кислорода и только после этого следующем напуске к напи.'^'Г'-лънуы клм-.'ру кимо[юда. Охлаждение пленки при ,низком

давлении кислорода з напылитвдьной камера, как показывает анализ,учитывающий равновесную диаграмму состояний 1-2-3 , ив меканье параметра "с" (с/3) решетки 1-2-3.,в зависимости от подавателя степени кислородного дефицита у. к соотношение параметров решеток, подложки и 1-2-3 а зависимости от температуры и давления кислорода в напылительной камере объясняют улучшение текстурирозанности пленок i-2-З с осью "с" перпендикулярно!?! подложке из титаката стронция (100),полученное при проведения указанной процедуры охладцения.

Отмечено преимущество эксимерного лазера на KrF перед основной гармоникой нэодимозых даэероэ, состоящее,з соответствии с результатами глав 2,3,4 в бол1 ■ элементарной форме эроаиокного материале, лазерного факела, создаваемым этим излучением, что тюзволкег повысит!- давление кислорода в камере во зрэмк калкяекия, результатом чего .является получение ВГСП пленок i-2-З in situ без последующего высокотемпературного сткига.

Проведено сравнение морфологии поверхности пленок, ■'.слученных при напылении лазерным излучением мнф: акрасного :>. ультрафколетовогш диапазонов. Ог мече но качественное отличие ' Поверхности зтих пленок, заключающееся а присутствии на поверхности пленок, напыленных излучением эчоимерного лазера значительно меньшего количества микрочастиц.

Приведены результаты исследования изменения морфологии поверхности мишки под действием лазерного Излучения в процессе лазерного напыления. к;явлек ряд особекосгей возникновения микроструктур на поверхности облученной мишени. Проведены оценки времекй оатываяик поверхности мишени, облученной излучением ультрафиолетового и инфракрасного диапазона к скорости движения расплава вдоль образующихся структур. Указано на совпадение* скорости движения микрочастиц н скорости движения расплава,

влияние морфологии поверхности мишени на качество поверхности пленок.

Далее сформулированны основные результаты к . выводы диссертации и приведен список использованной литературы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Впервые .систематически исследованы спектральные характеристики лазерного факела при напылении ВТСП пленок 1-2-3. Установлено нарушение локального термодинамического равновесия в плазме лазерного факела при напылении, имеющее рекомбинациошшй' характер.

2. ■ Впервые обнаружено увеличение относительной интенсивности излучения молекулярных линий лазерного факела с увеличением расстояния до мишени при его разлете в кислородной газовой среде. . ..

3. Методом оптической эмиссионной спектроскопии впервые получены спектральные фотографии' лазерного" факела с временным разрешением при напылении ВТСП пленок.- Установлено, что при разлете плазменного образования, созданного на повехности шшепи из керамики 1-2-3 ' лазерным излучением, происходит отрыв растекающегося плазменного сгустка от ее поверхности.

4. Впервые методом оптической врэмяпролетной спектроскопии установлено отличие скорости разлета атомов и ионов лазерного факела, сравнительно высокая скорость атомоЕ иттрия.

5. Проведено систематическое исследование зависимости электрофизических " параметров пленок,напыленных периферийной частью лазерного факела,в ' зависимости от угла .напыления. Обнаружен?

„^реляция этой зависимости с изменением стехиометрии пленок.

- 6. Проведено систематическое исследование морфологии поверхности пленок,модификации поверхности миаени при их напылении. Установлено влияние, на направление роста микроструктур на поверхности многократно облученной лазерными импульсами мишени газового давления лазерного факела. Обнаружено обогащение вершинной части микроструктур соединениями иттрия.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1 .Воробьев О.Б. .Ковалев А. С.Козлов В.И. .Корнеев В.Б. .Селезнев Б. В. и др. Исследование свойств тонких высокотемпературных сверхпродящих пленок, напыленных импульсами неодимового лазера различной длительности. Сверхпроводимость: физика,химия,техника, 1991,Т. 4, N10, с. 1935-1937'.

2. Воробьев 0. В. .Ковалев А. С.,Корнеев В. В. .Охрименко- В. Ы , Селезнев В. В., Ткачеко 0. ¡0. Напыление тонких пленок Y - Ва - Си - О импульсами неодимового лазера различной длительности. Сверхпроводимость: физика,химия,техника, 1990, т. 3.N8,с. 1935-1932.

3. Воробьев О. Б., Ковалев A.C. .Корнеев В. В..,Охрименко EH., Попов Ф. М. .Селезнев Б. В.4Спектральные характеристики плазменного факела,образующегося при воздействии неодимового лазера на сверхпроводящую мишень. Сверхпроводимость: физика, химия,техника, 1990,T.3,N12,Ö. 2785-2791. ...

4. Кия блин А. А., Воробьев О. Б., Ковалев А. С. , Корнеев В. Е , ч Охрименко В. Е .Селезнев В. R ,Ходырев Е А. .Чеченин Е Г. Получение и .свойства Y-Ba-Cu-О пленок к тонкопленочных структур. Харьков: III Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости 15-19 апреля 1991 г. ,2ТЖ2с.