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

московский ордена ленина ордена октябрьской революции i; орлзна трудового красного знамени государственный УНИВЕРСИТЕТ икени М. а ломоносова ¡^учко-исследовательский институт ядерной физики

изучение лазерного факела в процессе напыления вгсп .пяеяш

Специальность - 01.04.08,- Физика и химия плазмы

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукопкск УДК 621. 378. 33

Воробьев Олег Борисович

автореферат

и

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ им. М. К Ломоносова

Научные руководители: доктор физико-математических наук Ковалев А. С.

кандидат физико-математических наук Селезне и Б. Е

Официальные оппоненты: доюор физико-математических наук Лебедев Ф. а

кандидат химических наук Кауль А. Р.

Ведущая организация: Научно - исследовательский центр

лазерное технологии Защита состоится "26" имЖЛ- 1992 года в. /¡Г _часов на заседании Специализированного Совета N 2 НИИЯФ 1ЛГУ им. М. Е Ломоносова / К ОЕ-' 05. 85/.

Адрес: 117234, Москва, .'гчшнские горы, ШОПФ МГУ, 19- корпус МГУ, 2-15.

С диссертацией можно'ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан "2с ¿¿ЯЛ' 1992 года-

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Лазерное испарение, изучаемое на протяжении более двадцати лет, стало полезным инструментом нанесения тонких оптических диэлектрических покрытий, эпитаксиальных диэлектрических слоев. Плазма лазерного факела уже в течении ряда лет применяется при поверхностной обработке металлов и сплавов, что позволяет достигать термоупрочения поверхности,измег ния ее химического состава.

С момента открытия несколько лет тому назад семейсть^

керамических оксидных материалов, обладающих свойством

высокотемпературной сверхпроводимости с температурой перехода ь

, сверхпроводящее состояние выше точки кипения жидкого азота,

возникла новая волна , научного интереса,направленного на

исследование возможности получения методом лазерного напыления

тонких ВТСП пленок с высоким! электрофизическими и структурными

параметра!,т. Основная причина интенсивных научных исследований в

этой области заключается в многочисленных возможных сферах

Применения тонких ВТСП пленок, обладающих в сравнении с

объемными керамическими материалами более упорядоченной 0 -

структурой, большей величиной критического тока.

Шибольшее внимание исследователей в настоящее времп привлекает керамика 'состава У-Ва-Си-0 ( 1-2-3 ), кмзющь-температуру перехода в сверхпроводящее состояние 94 II Хотг этемутовая и таллиевая керамик'' имеют температуру перехода в сверхпроводнике. состояние, превышающую рубек 100 К, они в процессе напыления образуют много различных фа:. с различной температурой перехода, что затрудняет получение однофазных ЬТСП пленок с высокой температурой перехода и упорядоченной структурой. Платность критического тока для пленок, нагнлълшнх прт; исиохизоввньи шшеней из висмутовой и таллиевой керамич погсе.

екачктельнс уступает образцам,полученным при иаяольеояении керамики состава 1-2-3.

Получение тонких ВТСП пленок 1-2-3 с элементным соогааом близкий к составу исходной мишени, высокими значениями 'температуры перехода и плотностью критического тока, упорядоченной кристаллической решеткой,хорошей морфологией поверхности яр.ляэтсе достаточно сложной задачей, решение которой вряд ли ¡зозмотас. Зе? поникания соответствуют* физических механизмов, желне которых позволило Оы оптимизировать процесс напыления.

Процесс напыления ЗТСП алзкок мокно условно раздели» на ?«;> этояог; процесс испарения материала мишевд , процесс еге и конденсации,! родедуру охлаждения напыленной пленки. У-зуч'г нк"- лаодого из процессов представляет определенны? ч&гккэаг к, сзягашше с многокомпинентиостью мишени иа керамики 1-яевостсаннымк механическими VI теплофизическими саойства-ч:<: (плотность хкденеи, „спсдьауеыкх для напылений, ооставляе? '5С- ?5Х 01 рентгеновское ), взаимозависимостью отдельных сторон процесса накьиения. Ксяяо указать, например, не многосторонняя рсда кислорода при напылении ВТСП пленок 1-2-3. Кислород ке перекосится. ь полкой мере на йодложу вместе с атомами металлов лрк люэрнэй абляции михеней 1-2-3,поэтому дли сохранений кисло-.•эодкс*: о««хкоивтрик процесс напыления проводится в атмосфере-••отелорсда. отс с одной ссорокы обеспечивает введение ссответс:-зуэа&то .количества кислорода э Напыляемую пленку , а с другой о;,:оронь' ога^ьза-эа влияние на разлет плазмы лагерного факел?, к ого пространственную стехиометрию. Многосторонний характер имеют ©иэкческиз дохакизод приводяда® к появление на плевках микрочастиц, с.тарстаенно ухудашаде псвврхйостиуе Морфологию яленок.

Не, сегодняшний день юШ атаЦоЙ цсслвдоамш Процесса яздалзнкя ВТСП плейок 1-2-3 аддаетск Накопление

- Б -

экспериментальных результатов,касающихся отдельных сторон •роцесса лазерного напыления и установление взаимозависимости мзжду ними,которое позволило бы в будущем создать строгую Математическую модель, процесса.

• Целью ___' настоящей _Р-'^ы явилось экспериментальное

исследование лазэрно! :> факела при напылении ВТСП плевок,образу да,?гооя т-,т абляции керамики 1-2-3 импульсная лазерный излучением с ра.'.л!мл;л-т длительностью импульса и длиной

ол4ы.

Р рпбо"15 поставлена к ^¿¿йНН следующие задачи: и-чучецие иь'гегралъ;шх спектральных характеристик плазмы лазерного фдкела, ьо^ни-^тдего при воздействии на керамику 1-2-3 лазерного излучения с ¿з»личной длительностью импульса и длиной е^лны при раз.гг'ных давлениях кислорода в капылительной камере;

- кзученле пространственно-временной эволюции плазмы лазерного факела и его различных компонент в зависимости от расстоянии до мишени,давления кислорода в напылигельной камере,длины волны излучения и длительности лазерного имлульп; ,

- разработка способов получения ВТСП пленок при лазерном распылении мишэни 1-2-3 излучением е ра^'(чной длительностью импульса и длиной волны,установление пза иисимостей мезду 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 кдлательство образования

оксида Y0 при разлете лазерного факела в атмосфере кислорода.

2. Экспериментальное определение методом оптической времяпролетной спектроскопии закономерностей проатранственно--временной эволюции Компонентов лазерного факела в влементарной форме.

3. Экспериментальное доказательство сравнительно более направленного разлета иттрия при напылении ИТСП 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 характеристик лазерного факела в условиях лазерного напыления ВТСП пленок в зависимости от расстояния до мишени, длительности импульса и длины волны 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 подложку в процессе напыления; установлены зависимость температуры перехода в сверхпроводящее состояние ВТСП пленок от температуры подложки в процессе напыления импульсным лазерным излучением,. выявлены преимущества Неодимового лазера с длительностью импульса 150 не по сравнению с неодимовым лазером с длительностью импульса 16 не; получены экспериментальные дока-

- ? -

зательства связи морфологии поверхности мишени и пленок,установлены закономерности модификации поверхности мишени При многократном лазерном облучении в процессе напыления ВТСП пленок.

Результаты работы,отраженные в защищаемых 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 стехиометрией испаренного материала мишени в процессе напыления и может быть использована при выборе режима напыления, в том числе и новых ВТСП соединений.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладовались на III Всесоюзном совещании по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, 1991) .научных семинарах НИИЯТ. МГУ и опубликованы в четырех печатных работах.

Вклад автора. Изложенные в диссертации результаты . Исследований получены лично автором или в соавторстве при непосредственном его участии. •

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из вв^д^чия, четырех глав и,

- с -

заключения. В первой главе состоящей ив двух параграфов, приводен обзор литературы, описание экспериментальной установки и методики измерений. В первом параграфе рассмотрены' основные физические закономерности, выявленные широким • кругом исследователей при напылении ВГСП пленок, касающиеся взаимодействия лазерного излучения с керамикой 1-2-3;разлета эрозионной плазмы лазерного факела ., условий напыления КГСП пленок. Отмечено отсутствие адекватных физических моделей, описывающих процесс лазерного напыления, корректных методик получения физической информации на оптических времяпроолетных намерений.

Рассмотрено влияние поглощения лазерного излучения плазмой при использовании для напыления лазеров с различной длиной волни 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 беа длительного отжига в атмосфере кислорода.

В заключении Е1 главы 1 на основе приведенного в ног, обзора, формулируются конкретные задачи диссертации. В §2 главы 1 описана экспериментальная устаношса . и методики намерений. Приведено описание использованных для' напыления серийных неодимовых лазеров с длительностью импульсов 15 и 1Б0 не и эксимерных лазеров на КгР,указаны режимы их использования. Описано устройство напылителыюй камеры, включающее в себг) устройства вращения , смены миыени и установки масок,нагревателе подлога® и т. д. Приведено описание комплекса диагностической аппаратуры,включающей в себя оптический многоканальный анализатор,монохроматор,средства измерения параметров лазерного

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

Во второй главе,состоящей из трех параграфов,приведены результаты изучения интегральных спектральных характеристик лазерных факелов, созданных на мишени 1-2-3 излучением неодимовы?; ОКГ с различной длительностью импульса и зксимерного 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 мемду 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 изучением кеодимового лазера и 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 KrF и большей относительной доле материала мишени в элементарней форме, аблироввчного коротковолновым ультрафиолетовые излучением, по сравнению с. результатом

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

с

полое при скорости разлета плазмы лазерного факела около 5*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.

В заключении второй главы (а также двух последующих глав) формулируются выво, ',1 по рассматриваемым вопросам.

В третьей главе рассмотрены результаты оптических времялролетных 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.

Полученная с помощью оптических времяпролетных измерений ин<11.,>мация о пространственно-временной эволюции лазерного факела представлена в виде распределений интенсивности излучения различных линий в зависимости от расстояния до мишени в фиксировгшный момент времени ( мгновенных спектральных ^отогра|ий ) . Отмечен отрыв плазменного образования от иок-рхни ти мна-ни, который м<ш?т 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 е напылительной камере и одновременное возрастание абсолютной интенсив' эсти линий факела,приобретение спектральными распределениями интенсивности излучения от расстояния до мишени резкой 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 времяпролетных измерениях, проведенных для лазерных факелов, созданных инфракрасным и ультрафиолетовым излучением. Выявленные оцобености подтверждают вывод,сделанный во второй главе о относительно большей доле материала в элементарной форме лазерном факеле,созданном излучением эксимерного лазера.

Проведение сравнена полученных экспериментальных данных методом эмиссионной времяпролёткой спектроскопии с экспериментальными данными, опубликованными в литературе, особенно с данными абсорбционной времяпролетной спектроскопии и зондовых 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 неодимовых лазеров на различные типы подложек. Показано на основе экспериментальных результатов преимущество лазерных импульсов с длительностью импульса 150 не, связанное с более низкой температурой подложки г,о время напыления и более широким диапазоном ее изменения, в котором получаются ВТСП пленки 1-2-3 удовлетворительного качества. Напыление ВТСП пленок периферийней частью лазерного факела и . последующий анали? элементного состава подтвердил,сделанный в главе 3 вывод о сравнительно более направленном переносе иттрия в процессе лазерного напыления ВТСП пленок 1-2-3. Выявлено преимущество лазерного импульса длительностью 150 не пере;; лазерным импульсом длительностью 15 не основной гармоники неодимового 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 оксимерного лазера на подлодки из SrTiOj (100). Описаны параметры полученных пленок,исследованных методом рентгеновской днфрактометрии и резерфэрдонскаго обратного рассеяния з режиме »пш^ирования,указывающие ■ на их .сильную текстурированность и упорядоченность с осью "с" Фазы 1-2-3 перпендикулярной плоскости подложи. О/гм'-'чинн оригинальная процедура охлаждения и насыщения тетрагональной Ф'^ы 1-.: 3 пленки кислородом, заключающаяся в Систем охлчАДении напиленной пленки от 780° С до 650°С при нисклм лил-'шш кпсл>.'р''да и только после этого следующем напуске м нанмляг'-льну») ым-.'ру. кнс:ло[>олн. Оллнжд^ни^ пленки при низком

давлении кислорода а напылительной камере, как щэчазываэ? анализ,учитывающий равновесную диаграмму состояний 1-2-3 , изменение параметра "с" (с/3) решетки 1-2-3. .в зависимости от показатели степени кислородного дефицита х и соотношение параметров решеток подложки и 1-2-3 з зависимости от температуры и давление кислорода в напылительной камере объясняют улучшение текстурирозанности пленок 1-2-3. с осью "с" перпендикулярной подложке чз титанаты стронция (100).полученное при проведении указанной процедуры охлаждения.

Отмечено преимущество эхсимерйого лазера на KrF перед основной гармоникой нзодимовых лазероз, состояние,з соответствии с результатами глав 2,3,4 в болл : элементарной форме эрозионного уатериалз лазерного факела,создаваемым этим излучением,что позволяет повысить давление кислорода в камера зо вресг; напыления, результатог* чего .является получение ВТСП пленок i-2-3 in. situ без последующего высокотемпературного откига.

Проведено сравнение морфологии поверхности пленок, полученных при напылении лазерным излучением инф:^красного у. ультрафиолетовогво диапазонов. Отмечено качественное отличиэ' АоЬерхности зтих пленок, заключающееся з присутствии на поверхности пленок, напыленных излучением зксимерного лазере, значительно меньшего количества микрочастиц.

Приведены результаты исследования изменения морфологии поверхности мишени под действием лазерного излучения з процессе лазерного напыления. Й^явлег ряд особеностей возникновения микроструктур ча поверхности облученной мишени. Проведены оценки зремекй остьйакчя поверхности мишени, облученной излучением ультрафиолетового к инфракрасного диапазона к скорости движения расплава вдоль образующихся структур. Указано яа совпадение скорости двииэняя w/крсчаоткц и скорости движения расплава,

влияние морфологии поверхности мишени на качество поверхности пленок.

Далее сформулированны основные результаты и . 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 рекомбинационный' характер.

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

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

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

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

„Зреляция 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 0. Б. .Ковалев А. С.Козлов Е И., Корнеев В. В. .Селезнев Б. В. и др. Исследование свойств тонких высокотемпературных сверхпродящих пленок, напыленных импульсами неодимового лазера различной длительности. Сверхпроводимость: физика,химия,техника, 1991,т. 4. N 10, с. 1935-1937.

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

3. Воробьев О. В., Ковалев А. С. . Корнеев В. Е.,Охрименко Е Н.. Попов Ф, М. .Селезнев Б. В. "Спектральные характеристики плазменного факела,образующегося при воздействии неодимового лазера на сверхпроводящую мишень. Сверхпроводимость: физика, химия,техника, 1990, Т. 3, N12, с. 2785-2791.

4. Бляблин А. А., Воробьев О. Б. .Ковалев А. С. .Корнеев ЕЕ, Охрименко В. Н. .Селезнев Б. Е, Ходырев Е А. .Чеченин Н. Г. Получение и свойства У-Ва-Си-0 пленок к тонкопленочных структур. Харьков: III Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости 15-19 апреля 1991 г. ,2ТХ22с.