脈沖激光沉積作為一種膜層制備和材料篩選的物理氣相沉積技術(shù)，通過(guò)快速鍍膜成型開創(chuàng)了通往功能鍍膜的道路。成功的快速鍍膜成型的必要條件是設(shè)計(jì)良好的燒蝕系統(tǒng)和激光器。他們能夠在短時(shí)間內(nèi)高效率地為醫(yī)療設(shè)備的制造、機(jī)械工程、微系統(tǒng)技術(shù)或者光學(xué)領(lǐng)域提供鍍膜。在脈沖激光沉積技術(shù)中，高脈沖能量的激光束，最好是光斑形狀為矩形、波長(zhǎng)248nm或193nm的短波段準(zhǔn)分子激光，聚焦到需要沉積的靶材料上。由于脈沖準(zhǔn)分子激光波長(zhǎng)很短，因此穿透深度很淺。吸收選擇性地發(fā)生在表面附近的有限體積中，導(dǎo)致快速加熱和急劇蒸發(fā)。在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)于多組分控制化學(xué)計(jì)量比和晶體性質(zhì)的基底材料的沉積，非熱平衡機(jī)理是基礎(chǔ)。

實(shí)際上，準(zhǔn)分子激光的高能光子能夠沉積所有的靶材料，如用于絕緣體的氧化物、氮化物、碳化物，用于半導(dǎo)體的金屬、復(fù)合陶瓷、聚合體等。由于在沉積過(guò)程可以靈活改變沉積材料，非常適合直接制備多層膜，使得PLD成為鍍膜和材料生產(chǎn)中的一個(gè)穩(wěn)定高效的技術(shù)。

脈沖激光沉積

燒蝕源 在低重復(fù)頻率和脈沖串工作模式下，均勻的脈沖能量是用于PLD的激光器最關(guān)鍵的輸出參數(shù)之一。穩(wěn)定均勻的脈沖能量能保持沉積參數(shù)一致，從而得到均勻的薄膜和過(guò)程的可重復(fù)性。高激光脈沖能量在以下幾個(gè)方面有利于PLD：

首先，提高了靶材料的沉積速率。根據(jù)激光脈沖能量不同，最快可以達(dá)到每分鐘幾微米。

其次，在給定的流量下，能夠在靶上燒蝕更大的面積。面積的擴(kuò)大提高了沉積速率，降低了羽輝的角度，從而達(dá)到更高的沉積效率。

最后，準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的波長(zhǎng)為193nm和157nm的高光子能量提供了更大的加工窗口，也可以對(duì)透明聚合物和硬的靶樣品在遠(yuǎn)大于燒蝕閾值的情況下進(jìn)行穩(wěn)定成功的材料燒蝕。更緊湊的準(zhǔn)分子激光器能夠輸出能量在200mJ與500mJ之間的高能脈沖，同時(shí)具有極好的脈沖－脈沖穩(wěn)定性（通常為0.5%，1）。

真空系統(tǒng)為了高效地生成智能材料膜層，燒蝕光源最好是短波準(zhǔn)分子激光器，而先進(jìn)的真空系統(tǒng)更是成功的關(guān)鍵。其必要的構(gòu)成為：裝有熱襯底架的真空室、靶架、以及紫外光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)將激光聚焦，使其達(dá)到靶上能量密度為1-5 J/cm2。極高的脈沖-脈沖穩(wěn)定性和具有極均勻光束質(zhì)量的先進(jìn)的高脈沖能量激光保證了薄膜大面積范圍內(nèi)穩(wěn)定的沉積速率和均勻的薄膜性質(zhì)。

安裝了直徑為6英寸的基底的全自動(dòng)真空系統(tǒng)可進(jìn)行高效、高重復(fù)性的薄膜制備，這些薄膜廣泛用于科學(xué)和工業(yè)研究設(shè)備中。薄膜制備過(guò)程中，通過(guò)采用如圖2所示的旋轉(zhuǎn)裝置，可以任意沉積多達(dá)6種不同的靶材料。每個(gè)靶通常由小圓片組成，高度靈活，且靶成本很低。

脈沖激光沉積鍍膜的性能在機(jī)械工程和光學(xué)工程中，采用聚四氟乙烯（PTFE）鍍膜同時(shí)具有高度透明和疏水功能。這種材料只能采用脈沖激光沉積法沉積，這也表明了PLD的靈活性。厚度大于100nm的PTFE薄膜在給定襯底上的接觸角明顯地增加。如圖3所示，對(duì)于玻璃襯底接觸角達(dá)到110 ，同時(shí)透射率大于98 %，這對(duì)于如自動(dòng)清潔表面等是有用的。
 

在醫(yī)療設(shè)備中，PLD法沉積鍍膜使新型植入體具有必需的生物相容性。例如作為支架，很多設(shè)備不能由生物相容性材料（例如鈦）直接制成，而是需要針對(duì)它們的機(jī)械性能是否能夠承受在血管擴(kuò)張中產(chǎn)生的大的張應(yīng)力來(lái)加以選擇。用PLD法沉積的合適的膜層材料甚至可以粘附在擴(kuò)張四倍的支架材料上，這是利用它的生物相容性制作支架的先決條件。

圖4中，具有生物相容性的金屬氧化物靶采用脈沖激光沉積，具有極好的薄膜均勻性和強(qiáng)度。在20mm長(zhǎng)的支架上沉積150nm的薄膜僅需要幾分鐘。

應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)上的高度小型化器件，包括相對(duì)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，如制藥行業(yè)中為了實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)能而發(fā)明的微型陣列和較為復(fù)雜的微流體裝置。芯片實(shí)驗(yàn)室被廣泛應(yīng)用于基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究中，并且將很快使分析測(cè)試變得小型化和自動(dòng)化?？雌饋?lái)像顯微鏡載物片一樣的芯片實(shí)驗(yàn)室由透明材料制成，例如硼硅酸玻璃和PMMA，以便用幾種改裝過(guò)的顯微鏡裝置進(jìn)行分析。但是，用傳統(tǒng)方法在這些材料上制作精細(xì)的通道、凹槽、孔，以及橋是非常困難的，特別是在玻璃上。然而，準(zhǔn)分子微加工能夠以很高精度制作這些結(jié)構(gòu)，卻不產(chǎn)生任何微裂紋或者其他問(wèn)題（見(jiàn)圖）。248nm輸出波長(zhǎng)主要用于聚合物，而193nm輸出波長(zhǎng)主要用于玻璃和石英加工。

此外，許多芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)需要電接觸點(diǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)諸如電泳等過(guò)程。準(zhǔn)分子激光器也可以在芯片實(shí)驗(yàn)室的背面制作這些電極。每個(gè)電極都是通過(guò)在要求的位置燒蝕一個(gè)小的通孔制造的。通常這些孔為圓形橫截面，典型的直徑為幾十微米或者更小。當(dāng)然也可以通過(guò)合適的光掩膜的方法得到其他形狀的孔，或單步完成所有電極的鉆孔。激光打孔后，采用氣相沉積或脈沖激光沉積使孔中充滿金屬，形成了對(duì)液體密封的通孔式電極（見(jiàn)圖5）。

電路的直接印刷

在諸如一次性醫(yī)用傳感器和無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）等應(yīng)用中，對(duì)于器件的單元低成本和電路微型化的要求不斷提高。PLD可用于制造這類器件，具體過(guò)程如下：從波長(zhǎng)為308nm（XeCL）的準(zhǔn)分子激光器中輸出的光束，經(jīng)過(guò)光束均勻器整形后，透過(guò)具有一個(gè)甚至多個(gè)電路圖形的光掩膜版（典型的為石英鉻掩膜）。該掩膜在蒸鍍有金屬薄膜的塑料膜或網(wǎng)格組成的工作面上二次成像。大部分的紫外輻射透過(guò)薄膜，在塑料-金屬界面強(qiáng)烈吸收，使得一薄層塑料蒸發(fā)，徹底除掉覆蓋在其上面的金屬膜（見(jiàn)圖6）。如果金屬層的厚度為150nm或者更薄，一個(gè)激光單脈沖就能完全清除——邊緣清晰，沒(méi)有斷裂，線路寬度甚至只有10微米。

實(shí)際上對(duì)于大部分彎曲的電路應(yīng)用更為有效的最佳厚度大約為500埃，這類電路一般不能承載高電流。在這個(gè)厚度上，一個(gè)面積達(dá)到 400mm2 的電路能夠用1J的脈沖能量加工。專為這種應(yīng)用設(shè)計(jì)的準(zhǔn)分子激光器，通常的工作脈沖重復(fù)頻率為幾百赫茲。例如，采用300Hz單脈沖激光能夠制造 18000電路/分鐘。加工過(guò)程設(shè)置成軸-軸方式，并不斷地進(jìn)料，甚至在進(jìn)料速率為幾十米每秒情況下，因?yàn)榧す舛堂}沖排除了產(chǎn)生污點(diǎn)的可能性。另外，一些制造商采用卷-卷的加工方法，通過(guò)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行光學(xué)掃瞄。激光直接印刷可以采用幾種不同的塑料基片（PET，聚酰亞胺，PEN和PMMA）和所有的導(dǎo)體包括銅、金、銀、鉑、鋁，甚至鈦。與采用傳統(tǒng)的濕的光化學(xué)的平版印刷比較，制造商結(jié)合了多種加工工藝的優(yōu)點(diǎn)。最主要的一點(diǎn)就是過(guò)程簡(jiǎn)單；一個(gè)簡(jiǎn)單的干加工替代了幾個(gè)獨(dú)立步驟。同時(shí)，這種方法消除了化學(xué)試劑的成本和處理因素。此外，金屬碎片可由真空系統(tǒng)回收，實(shí)現(xiàn)了貴重材料的循環(huán)反復(fù)利用。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

總結(jié)

短波段準(zhǔn)分子激光器大大推動(dòng)了智能薄膜的發(fā)展和各領(lǐng)域中快速成型技術(shù)的應(yīng)用。結(jié)合緊湊的快速方便地進(jìn)行襯底處理的自動(dòng)化真空系統(tǒng)，可以高效生成具有良好均勻性和滿足預(yù)定的物理特性要求的化學(xué)計(jì)量比的多層薄膜。穩(wěn)定的高脈沖能量輸出特性為納米技術(shù)提供了可控、可重復(fù)的靶燒蝕方法，伴隨軸-軸式加工方法可達(dá)到很高的生產(chǎn)效率。

本文資料由相干公司提供。作者B. Fechner，R. Ptzel和R. Delmdahl來(lái)自Coherent GmbH，聯(lián)系方式為：burkhard.fechner@coherent.com