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)計良好的燒蝕系統(tǒng)和激光器。他們能夠在短時間內(nèi)高效率地為醫(yī)療設(shè)備的制造、機械工程、微系統(tǒng)技術(shù)或者光學領(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248nm或193nm的短波段準分子激光，聚焦到需要沉積的靶材料上。由于脈沖準分子激光波長很短，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，導致快速加熱和急劇蒸發(fā)。在薄膜生長過程中，對于多組分控制化學計量比和晶體性質(zhì)的基底材料的沉積，非熱平衡機理是基礎(chǔ)。

實際上，準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，用于半導體的金屬、復合陶瓷、聚合體等。由于在沉積過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)中的一個穩(wěn)定高效的技術(shù)。

脈沖激光沉積

燒蝕源 在低重復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程的可重復性。高激光脈沖能量在以下幾個方面有利于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。面積的擴大提高了沉積速率，降低了羽輝的角度，從而達到更高的沉積效率。

最后，準分子激光器產(chǎn)生的波長為193nm和157nm的高光子能量提供了更大的加工窗口，也可以對透明聚合物和硬的靶樣品在遠大于燒蝕閾值的情況下進行穩(wěn)定成功的材料燒蝕。更緊湊的準分子激光器能夠輸出能量在200mJ與500mJ之間的高能脈沖，同時具有極好的脈沖－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分子激光器，而先進的真空系統(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、以及紫外光學系統(tǒng)。該光學系統(tǒng)將激光聚焦，使其達到靶上能量密度為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真空系統(tǒng)可進行高效、高重復性的薄膜制備，這些薄膜廣泛用于科學和工業(yè)研究設(shè)備中。薄膜制備過程中，通過采用如圖2所示的旋轉(zhuǎn)裝置，可以任意沉積多達6種不同的靶材料。每個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械工程和光學工程中，采用聚四氟乙烯（PTFE）鍍膜同時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，對于玻璃襯底接觸角達到110 ，同時透射率大于98 %，這對于如自動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，而是需要針對它們的機械性能是否能夠承受在血管擴張中產(chǎn)生的大的張應力來加以選擇。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度。在20mm長的支架上沉積150nm的薄膜僅需要幾分鐘。

應用于生物醫(yī)學上的高度小型化器件，包括相對簡單的產(chǎn)品，如制藥行業(yè)中為了實現(xiàn)高產(chǎn)能而發(fā)明的微型陣列和較為復雜的微流體裝置。芯片實驗室被廣泛應用于基因組學和蛋白質(zhì)組學的研究中，并且將很快使分析測試變得小型化和自動化?？雌饋硐耧@微鏡載物片一樣的芯片實驗室由透明材料制成，例如硼硅酸玻璃和PMMA，以便用幾種改裝過的顯微鏡裝置進行分析。但是，用傳統(tǒng)方法在這些材料上制作精細的通道、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題（見圖）。248nm輸出波長主要用于聚合物，而193nm輸出波長主要用于玻璃和石英加工。

此外，許多芯片實驗室系統(tǒng)需要電接觸點來驅(qū)動諸如電泳等過程。準分子激光器也可以在芯片實驗室的背面制作這些電極。每個電極都是通過在要求的位置燒蝕一個小的通孔制造的。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。當然也可以通過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，形成了對液體密封的通孔式電極（見圖5）。

電路的直接印刷

在諸如一次性醫(yī)用傳感器和無線射頻識別（RFID）等應用中，對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，具體過程如下：從波長為308nm（XeCL）的準分子激光器中輸出的光束，經(jīng)過光束均勻器整形后，透過具有一個甚至多個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薄膜，在塑料-金屬界面強烈吸收，使得一薄層塑料蒸發(fā)，徹底除掉覆蓋在其上面的金屬膜（見圖6）。如果金屬層的厚度為150nm或者更薄，一個激光單脈沖就能完全清除——邊緣清晰，沒有斷裂，線路寬度甚至只有10微米。

實際上對于大部分彎曲的電路應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。在這個厚度上，一個面積達到 400mm2 的電路能夠用1J的脈沖能量加工。專為這種應用設(shè)計的準分子激光器，通常的工作脈沖重復頻率為幾百赫茲。例如，采用300Hz單脈沖激光能夠制造 18000電路/分鐘。加工過程設(shè)置成軸-軸方式，并不斷地進料，甚至在進料速率為幾十米每秒情況下，因為激光短脈沖排除了產(chǎn)生污點的可能性。另外，一些制造商采用卷-卷的加工方法，通過步進運動對網(wǎng)格進行光學掃瞄。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）和所有的導體包括銅、金、銀、鉑、鋁，甚至鈦。與采用傳統(tǒng)的濕的光化學的平版印刷比較，制造商結(jié)合了多種加工工藝的優(yōu)點。最主要的一點就是過程簡單；一個簡單的干加工替代了幾個獨立步驟。同時，這種方法消除了化學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，實現(xiàn)了貴重材料的循環(huán)反復利用。 #p#分頁標題#e#

總結(jié)

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

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