REGÍMENES DE ABLACIÓN LÁSER EN LA ELABORACIÓN DE PELÍCULAS DELGADAS / Regimes of Laser Ablation in thin Film Manufacture

Resumen

En la elaboración de películas delgadas usando un láser pulsado “Deposición por Laser Pulsado” (DLP), un haz de radiación láser es usado para remover y/o vaporizar un material, que posteriormente se depositará sobre un sustrato “Deposición Física de Vapor por Laser” (DFVL). Usando DFVL se identificaron tres interacciones fundamentales: (1) láser-materia (2) plasma-gas en la cámara y (3) plasma-sustrato. En este trabajo nos concentramos en la interacción láser-materia para conocer la física involucrada y así lograr una mejor idea de los diferentes mecanismos de ablación, que nos permitan optimizar el proceso de elaboración de películas delgadas. Se sistematizó la interacción láser-materia en término del tiempo de interacción y la manifestación de procesos térmicos difusivos. Usando el tiempo de interacción láser-materia identificamos tres regímenes de ablación: el régimen de pulsos ultra-cortos y régimen de pulsos cortos, cuando la duración del pulso láser es de picosegundos o más, densidad de potencia menor 1MW/cm2 en este régimen la vaporización térmica es probablemente el mecanismo que domina el proceso de ablación. El régimen de pulsos largos, con pulsos del orden de los picosegundos o menos y densidades de potencia de 1GW/cm2, en este escenario, antes que se pueda vaporizar la superficie, materia que se encuentra por debajo de la superficie alcanza la temperatura de vaporización causando que la superficie explote. Esta interacción explosiva se ha descrito como no térmica.

ABSTRACT
In the manufacture of thin film using a pulsed laser “Pulsed Laser Deposition” (PLD), a beam of laser radiation is used to remove and/or to vaporize a material that later on will be deposited on a substrate “Laser Physical Vapor Deposition” (LPVD). Using LPVD three fundamental interactions we identified: (1) laser-matter (2) plasma-gas in the camera and (3) plasma-substrate. In this work we focused on the laser-matter interaction to understand the underlying physics and so achieve a better idea of the different mechanisms of ablation that allow us to optimize the process of elaboration of thin film. The laser-matter interaction was systematized in terms of the time of interaction and the manifestation of diffusive thermal processes.. Using the laser-matter interaction time we identified three regimens of ablation: the regime of ultrashort pulses and regime of short pulses, when the duration of the pulse laser is of picoseconds or more, smaller density of power 1MW/cm2 and the thermal vaporization is probably the mechanism that dominates the process of ablation. The régime of long pulses, with pulses of the order of picoseconds or less and densities of power of 1GW/cm2, in this scenario, before it can vaporize the surface, matter that is below the surface reaches the temperature of vaporization causing the surface to explode. This explosive interaction has been described as non-thermal.
Keywords: Laser ablation, Thin film, Plasma, Pulsed laser, Deposition.