利用激光加工制作超微粒的技术

1前言 

  制作功能性陶瓷时，如将粒径几十纳米的超微粒置于高度的反应控制条件下，也能制出低阻抗性等非常好的非化学计量结构的化合物。但由于超微粒表面暴露原子的比率大(粒径5 nm时为40%)，故对杂质的混入和晶体缺陷的产生非常敏感，向高功能元件发展有困难。因为激光加工是典型的利用局部激励光束聚光点的冷壁法加工，故可实现清洁的生成环境，最适于制作对杂质混入和缺陷产生敏感的超微粒。特别是利用激光切割或激光蒸发现象的物理气相生长法，由于在激光聚光点形成高温场，适于制作高融点材料。硅(Si)是当前电子产业的主要材料。利用激光把Si制成纳米大小的超微粒子，并赋予可见光性能，再通过控制粒径和分散状态的几何结构，可以调节发光波长等功能。从某种意义上说，暗示了结构控制型量子功能元件得到证实。就钨(W),钮(Ta)等高融点金属来说，希望这些金属在集成电路和多层基板方面也能作为一种耐迁移性、高传导性或构成氧化物时的高介电性材料。本文着眼于此领域，开发了一种利用激光蒸发法制作加工高融点金属超微粒的技术。

2硅超微粒的制作和评价

    首先介绍利用脉冲激光切割法在稀有气体减压氛围下制作加工纳米大小硅超微粒的技术。特别对在激光照射条件下使稀有气体压力发生变化，以量子发光功能为目的的均质Si超微粒生成条件的研究结果进行阐述。

2. 1实验方法

    图1示出本文开发的利用稀有气体脉冲激光切割法的Si超微粒物理气相生长室的剖面结构图。可设计成基本能达到1.33*10^-8 Pa的超高真空槽。超高真空排气后，导入高纯He气(200 sccn )，利用差动排气保持一定减压(133~2660 Pa>。向设置在内的母材靶(单晶Si片)聚光照射Nd:YAG激光的二次谐波(波长:532 nm，脉冲能量:10 ~100 mJ，脉宽:0. 17~42 ns，重复率:10 Hz).脱离、射出的Si元素(原子、离子群)与气体He原子发生碰撞，生成原子核，再用气相法长成超微粒。把它堆积在对置的基板上。靶与堆积基板间的距离为20 mm.

    此研究以He气压为主要实验参数，在上述脉冲能量、脉冲宽度的激光照射条件下，探索了适于发现量子光功能的均质Si超微粒的生成过程。

2. 2结果及考察

    激光切割加工过程中有时会产生微半级大小的液滴和碎片。创制光功能材料时，必须把这些杂质去掉。首先改变加工条件进行生成实验。结果，认为不仅脉冲能量能抑制液滴和碎片的产生，脉冲峰值输出的选择也很关键。假设把脉冲能量固定在10 mJ(脉冲能量密度13 J/cm² )，脉冲宽度取0. 17 ns ( 59MW)和42 ns(0. 24 MW)进行比较时，前者观测到有液滴和碎片发生，后者却没有。如果两者的He气压都为533 Pa以上，就能观测到纳米范围超微粒的生成。本研究中，作为抑制液滴和碎片的发生、生成纳米范围的Si超微粒的激光照射条件，脉冲能量取10 mJ，脉冲宽度为42 ns.

    其次，认为He气压对纳米范围Si超微粒的生成或采用稀有气体脉冲激光切割法的堆积物的单晶结构有很大影响。另外，还阐述了这些典型的评价结果。图2示出He气压对堆积物结构的影响和利用高分辨率扫描电子显微镜观察到的表面结构。图2 (a)的He气压为133 Pa。这里形成表面有凹凸的薄膜结构。图2 (})表示H。气压为533 Pa时，从图中可以看出，具有数纳米至数十纳米大小粒径分布的超微粒分散在基板上。为进行更详细的结构观察，用透射电子显微镜观察时，图2(a)的薄膜是非晶质结构，而图2 (b)中的数纳米至数十纳米大小的超微粒则由平均粒径4. 5 nm(最大10 nm左右)的小粒径单晶Si超微粒构成。因此，图2 (b)中所看到的数十纳米大小的超微粒很可能是数纳米超微粒的凝聚体。