脈衝(chong) 激光沉積作為(wei) 一種膜層製備和材料篩選的物理氣相沉積技術，通過快速鍍膜成型開創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計良好的燒蝕係統和激光器。他們(men) 能夠在短時間內(nei) 高效率地為(wei) 醫療設備的製造、機械工程、微係統技術或者光學領域提供鍍膜。在脈衝(chong) 激光沉積技術中，高脈衝(chong) 能量的激光束，最好是光斑形狀為(wei) 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。由於(yu) 脈衝(chong) 準分子激光波長很短，因此穿透深度很淺。吸收選擇性地發生在表麵附近的有限體(ti) 積中，導致快速加熱和急劇蒸發。在薄膜生長過程中，對於(yu) 多組分控製化學計量比和晶體(ti) 性質的基底材料的沉積，非熱平衡機理是基礎。

實際上，準分子激光的高能光子能夠沉積所有的靶材料，如用於(yu) 絕緣體(ti) 的氧化物、氮化物、碳化物，用於(yu) 半導體(ti) 的金屬、複合陶瓷、聚合體(ti) 等。由於(yu) 在沉積過程可以靈活改變沉積材料，非常適合直接製備多層膜，使得PLD成為(wei) 鍍膜和材料生產(chan) 中的一個(ge) 穩定高效的技術。

脈衝(chong) 激光沉積

燒蝕源 在低重複頻率和脈衝(chong) 串工作模式下，均勻的脈衝(chong) 能量是用於(yu) PLD的激光器最關(guan) 鍵的輸出參數之一。穩定均勻的脈衝(chong) 能量能保持沉積參數一致，從(cong) 而得到均勻的薄膜和過程的可重複性。高激光脈衝(chong) 能量在以下幾個(ge) 方麵有利於(yu) PLD：

首先，提高了靶材料的沉積速率。根據激光脈衝(chong) 能量不同，最快可以達到每分鍾幾微米。

其次，在給定的流量下，能夠在靶上燒蝕更大的麵積。麵積的擴大提高了沉積速率，降低了羽輝的角度，從(cong) 而達到更高的沉積效率。

最後，準分子激光器產(chan) 生的波長為(wei) 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於(yu) 燒蝕閾值的情況下進行穩定成功的材料燒蝕。更緊湊的準分子激光器能夠輸出能量在200mJ與(yu) 500mJ之間的高能脈衝(chong) ，同時具有極好的脈衝(chong) －脈衝(chong) 穩定性（通常為(wei) 0.5%，1）。

真空係統為(wei) 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，而先進的真空係統更是成功的關(guan) 鍵。其必要的構成為(wei) ：裝有熱襯底架的真空室、靶架、以及紫外光學係統。該光學係統將激光聚焦，使其達到靶上能量密度為(wei) 1-5 J/cm2。極高的脈衝(chong) -脈衝(chong) 穩定性和具有極均勻光束質量的先進的高脈衝(chong) 能量激光保證了薄膜大麵積範圍內(nei) 穩定的沉積速率和均勻的薄膜性質。

安裝了直徑為(wei) 6英寸的基底的全自動真空係統可進行高效、高重複性的薄膜製備，這些薄膜廣泛用於(yu) 科學和工業(ye) 研究設備中。薄膜製備過程中，通過采用如圖2所示的旋轉裝置，可以任意沉積多達6種不同的靶材料。每個(ge) 靶通常由小圓片組成，高度靈活，且靶成本很低。

脈衝(chong) 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。這種材料隻能采用脈衝(chong) 激光沉積法沉積，這也表明了PLD的靈活性。厚度大於(yu) 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，對於(yu) 玻璃襯底接觸角達到110 ，同時透射率大於(yu) 98 %，這對於(yu) 如自動清潔表麵等是有用的。
 

在醫療設備中，PLD法沉積鍍膜使新型植入體(ti) 具有必需的生物相容性。例如作為(wei) 支架，很多設備不能由生物相容性材料（例如鈦）直接製成，而是需要針對它們(men) 的機械性能是否能夠承受在血管擴張中產(chan) 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製作支架的先決(jue) 條件。

圖4中，具有生物相容性的金屬氧化物靶采用脈衝(chong) 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(jin) 需要幾分鍾。

應用於(yu) 生物醫學上的高度小型化器件，包括相對簡單的產(chan) 品，如製藥行業(ye) 中為(wei) 了實現高產(chan) 能而發明的微型陣列和較為(wei) 複雜的微流體(ti) 裝置。芯片實驗室被廣泛應用於(yu) 基因組學和蛋白質組學的研究中，並且將很快使分析測試變得小型化和自動化。看起來像顯微鏡載物片一樣的芯片實驗室由透明材料製成，例如硼矽酸玻璃和PMMA，以便用幾種改裝過的顯微鏡裝置進行分析。但是，用傳(chuan) 統方法在這些材料上製作精細的通道、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製作這些結構，卻不產(chan) 生任何微裂紋或者其他問題（見圖）。248nm輸出波長主要用於(yu) 聚合物，而193nm輸出波長主要用於(yu) 玻璃和石英加工。

此外，許多芯片實驗室係統需要電接觸點來驅動諸如電泳等過程。準分子激光器也可以在芯片實驗室的背麵製作這些電極。每個(ge) 電極都是通過在要求的位置燒蝕一個(ge) 小的通孔製造的。通常這些孔為(wei) 圓形橫截麵，典型的直徑為(wei) 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鑽孔。激光打孔後，采用氣相沉積或脈衝(chong) 激光沉積使孔中充滿金屬，形成了對液體(ti) 密封的通孔式電極（見圖5）。

電路的直接印刷

在諸如一次性醫用傳(chuan) 感器和無線射頻識別（RFID）等應用中，對於(yu) 器件的單元低成本和電路微型化的要求不斷提高。PLD可用於(yu) 製造這類器件，具體(ti) 過程如下：從(cong) 波長為(wei) 308nm（XeCL）的準分子激光器中輸出的光束，經過光束均勻器整形後，透過具有一個(ge) 甚至多個(ge) 電路圖形的光掩膜版（典型的為(wei) 石英鉻掩膜）。該掩膜在蒸鍍有金屬薄膜的塑料膜或網格組成的工作麵上二次成像。大部分的紫外輻射透過薄膜，在塑料-金屬界麵強烈吸收，使得一薄層塑料蒸發，徹底除掉覆蓋在其上麵的金屬膜（見圖6）。如果金屬層的厚度為(wei) 150nm或者更薄，一個(ge) 激光單脈衝(chong) 就能完全清除——邊緣清晰，沒有斷裂，線路寬度甚至隻有10微米。

實際上對於(yu) 大部分彎曲的電路應用更為(wei) 有效的最佳厚度大約為(wei) 500埃，這類電路一般不能承載高電流。在這個(ge) 厚度上，一個(ge) 麵積達到 400mm2 的電路能夠用1J的脈衝(chong) 能量加工。專(zhuan) 為(wei) 這種應用設計的準分子激光器，通常的工作脈衝(chong) 重複頻率為(wei) 幾百赫茲(zi) 。例如，采用300Hz單脈衝(chong) 激光能夠製造 18000電路/分鍾。加工過程設置成軸-軸方式，並不斷地進料，甚至在進料速率為(wei) 幾十米每秒情況下，因為(wei) 激光短脈衝(chong) 排除了產(chan) 生汙點的可能性。另外，一些製造商采用卷-卷的加工方法，通過步進運動對網格進行光學掃瞄。激光直接印刷可以采用幾種不同的塑料基片（PET，聚酰亞(ya) 胺，PEN和PMMA）和所有的導體(ti) 包括銅、金、銀、鉑、鋁，甚至鈦。與(yu) 采用傳(chuan) 統的濕的光化學的平版印刷比較，製造商結合了多種加工工藝的優(you) 點。最主要的一點就是過程簡單；一個(ge) 簡單的幹加工替代了幾個(ge) 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，金屬碎片可由真空係統回收，實現了貴重材料的循環反複利用。 #p#分頁標題#e#

總結

短波段準分子激光器大大推動了智能薄膜的發展和各領域中快速成型技術的應用。結合緊湊的快速方便地進行襯底處理的自動化真空係統，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。穩定的高脈衝(chong) 能量輸出特性為(wei) 納米技術提供了可控、可重複的靶燒蝕方法，伴隨軸-軸式加工方法可達到很高的生產(chan) 效率。

本文資料由相幹公司提供。作者B. Fechner，R. Ptzel和R. Delmdahl來自Coherent GmbH，聯係方式為(wei) ：burkhard.fechner@coherent.com