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| 紫外准分子激光器用于智能材料和纳米结构加工 |
| B. Fechner, R. P tzel |
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脉冲激光沉积作为一种膜层制备和材料筛选的物理气相沉积技术，通过快速镀膜成型开创了通往功能镀膜的道路。成功的快速镀膜成型的必要条件是设计良好的烧蚀系统和激光器。他们能够在短时间内高效率地为医疗设备的制造、机械工程、微系统技术或者光学领域提供镀膜。在脉冲激光沉积技术中，高脉冲能量的激光束，最好是光斑形状为矩形、波长248nm或193nm的短波段准分子激光，聚焦到需要沉积的靶材料上。由于脉冲准分子激光波长很短，因此穿透深度很浅。吸收选择性地发生在表面附近的有限体积中，导致快速加热和急剧蒸发。在薄膜生长过程中，对于多组分控制化学计量比和晶体性质的基底材料的沉积，非热平衡机理是基础。
实际上，准分子激光的高能光子能够沉积所有的靶材料，如用于绝缘体的氧化物、氮化物、碳化物，用于半导体的金属、复合陶瓷、聚合体等。由于在沉积过程可以灵活改变沉积材料，非常适合直接制备多层膜，使得PLD成为镀膜和材料生产中的一个稳定高效的技术。
脉冲激光沉积
烧蚀源 在低重复频率和脉冲串工作模式下，均匀的脉冲能量是用于PLD的激光器最关键的输出参数之一。稳定均匀的脉冲能量能保持沉积参数一致，从而得到均匀的薄膜和过程的可重复性。高激光脉冲能量在以下几个方面有利于PLD：
首先，提高了靶材料的沉积速率。根据激光脉冲能量不同，最快可以达到每分钟几微米。
其次，在给定的流量下，能够在靶上烧蚀更大的面积。面积的扩大提高了沉积速率，降低了羽辉的角度，从而达到更高的沉积效率。
最后，准分子激光器产生的波长为193nm和157nm的高光子能量提供了更大的加工窗口，也可以对透明聚合物和硬的靶样品在远大于烧蚀阈值的情况下进行稳定成功的材料烧蚀。更紧凑的准分子激光器能够输出能量在200mJ与500mJ之间的高能脉冲，同时具有极好的脉冲－脉冲稳定性（通常为0.5%，1）。 （图片） 真空系统为了高效地生成智能材料膜层，烧蚀光源最好是短波准分子激光器，而先进的真空系统更是成功的关键。其必要的构成为：装有热衬底架的真空室、靶架、以及紫外光学系统。该光学系统将激光聚焦，使其达到靶上能量密度为1-5 J/cm2。极高的脉冲-脉冲稳定性和具有极均匀光束质量的先进的高脉冲能量激光保证了薄膜大面积范围内稳定的沉积速率和均匀的薄膜性质。
安装了直径为6英寸的基底的全自动真空系统可进行高效、高重复性的薄膜制备，这些薄膜广泛用于科学和工业研究设备中。薄膜制备过程中，通过采用如图2所示的旋转装置，可以任意沉积多达6种不同的靶材料。每个靶通常由小圆片组成，高度灵活，且靶成本很低。（图片） 脉冲激光沉积镀膜的性能在机械工程和光学工程中，采用聚四氟乙烯（PTFE）镀膜同时具有高度透明和疏水功能。这种材料只能采用脉冲激光沉积法沉积，这也表明了PLD的灵活性。厚度大于100nm的PTFE薄膜在给定衬底上的接触角明显地增加。如图3所示，对于玻璃衬底接触角达到110 ，同时透射率大于98 %，这对于如自动清洁表面等是有用的。
（图片） 在医疗设备中，PLD法沉积镀膜使新型植入体具有必需的生物相容性。例如作为支架，很多设备不能由生物相容性材料（例如钛）直接制成，而是需要针对它们的机械性能是否能够承受在血管扩张中产生的大的张应力来加以选择。用PLD法沉积的合适的膜层材料甚至可以粘附在扩张四倍的支架材料上，这是利用它的生物相容性制作支架的先决条件。
图4中，具有生物相容性的金属氧化物靶采用脉冲激光沉积，具有极好的薄膜均匀性和强度。在20mm长的支架上沉积150nm的薄膜仅需要几分钟。（图片） 应用于生物医学上的高度小型化器件，包括相对简单的产品，如制药行业中为了实现高产能而发明的微型阵列和较为复杂的微流体装置。芯片实验室被广泛应用于基因组学和蛋白质组学的研究中，并且将很快使分析测试变得小型化和自动化。看起来像显微镜载物片一样的芯片实验室由透明材料制成，例如硼硅酸玻璃和PMMA，以便用几种改装过的显微镜装置进行分析。但是，用传统方法在这些材料上制作精细的通道、凹槽、孔，以及桥是非常困难的，特别是在玻璃上。然而，准分子微加工能够以很高精度制作这些结构，却不产生任何微裂纹或者其他问题（见图）。248nm输出波长主要用于聚合物，而193nm输出波长主要用于玻璃和石英加工。
此外，许多芯片实验室系统需要电接触点来驱动诸如电泳等过程。准分子激光器也可以在芯片实验室的背面制作这些电极。每个电极都是通过在要求的位置烧蚀一个小的通孔制造的。通常这些孔为圆形横截面，典型的直径为几十微米或者更小。当然也可以通过合适的光掩膜的方法得到其他形状的孔，或单步完成所有电极的钻孔。激光打孔后，采用气相沉积或脉冲激光沉积使孔中充满金属，形成了对液体密封的通孔式电极（见图5）。（图片） 电路的直接印刷
在诸如一次性医用传感器和无线射频识别（RFID）等应用中，对于器件的单元低成本和电路微型化的要求不断提高。PLD可用于制造这类器件，具体过程如下：从波长为308nm（XeCL）的准分子激光器中输出的光束，经过光束均匀器整形后，透过具有一个甚至多个电路图形的光掩膜版（典型的为石英铬掩膜）。该掩膜在蒸镀有金属薄膜的塑料膜或网格组成的工作面上二次成像。大部分的紫外辐射透过薄膜，在塑料-金属界面强烈吸收，使得一薄层塑料蒸发，彻底除掉覆盖在其上面的金属膜（见图6）。如果金属层的厚度为150nm或者更薄，一个激光单脉冲就能完全清除——边缘清晰，没有断裂，线路宽度甚至只有10微米。（图片） 实际上对于大部分弯曲的电路应用更为有效的最佳厚度大约为500埃，这类电路一般不能承载高电流。在这个厚度上，一个面积达到 400mm2 的电路能够用1J的脉冲能量加工。专为这种应用设计的准分子激光器，通常的工作脉冲重复频率为几百赫兹。例如，采用300Hz单脉冲激光能够制造 18000电路/分钟。加工过程设置成轴-轴方式，并不断地进料，甚至在进料速率为几十米每秒情况下，因为激光短脉冲排除了产生污点的可能性。另外，一些制造商采用卷-卷的加工方法，通过步进运动对网格进行光学扫瞄。激光直接印刷可以采用几种不同的塑料基片（PET，聚酰亚胺，PEN和PMMA）和所有的导体包括铜、金、银、铂、铝，甚至钛。与采用传统的湿的光化学的平版印刷比较，制造商结合了多种加工工艺的优点。最主要的一点就是过程简单；一个简单的干加工替代了几个独立步骤。同时，这种方法消除了化学试剂的成本和处理因素。此外，金属碎片可由真空系统回收，实现了贵重材料的循环反复利用。
总结
短波段准分子激光器大大推动了智能薄膜的发展和各领域中快速成型技术的应用。结合紧凑的快速方便地进行衬底处理的自动化真空系统，可以高效生成具有良好均匀性和满足预定的物理特性要求的化学计量比的多层薄膜。稳定的高脉冲能量输出特性为纳米技术提供了可控、可重复的靶烧蚀方法，伴随轴-轴式加工方法可达到很高的生产效率。
本文资料由相干公司提供。作者B. Fechner，R. Ptzel和R. Delmdahl来自Coherent GmbH，联系方式为：burkhard.fechner@coherent.com。
6/11/2009
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