Pulserende laseravsetning - Pulsed laser deposition

En sky som kastes ut fra et SrRuO 3- mål under pulserende laseravsetning.
Diagrammet viser følgende: En laserstråle er ved en linse, kommer inn i et vakuumkammer og treffer et punktmerket mål. Det vises en plasmaplym som forlater målet og går mot et oppvarmet underlag.
En mulig konfigurasjon av et PLD-avsetningskammer.

Pulsed laser deposition ( PLD ) er en fysisk dampdeponering (PVD) teknikk der en kraftig pulsert laserstråle er fokusert inne i et vakuumkammer for å treffe et mål for materialet som skal deponeres. Dette materialet blir fordampet fra målet (i en plasma plume) som avsetter det som en tynn film på et substrat (slik som en silisiumskive som vender mot målet). Denne prosessen kan forekomme i ultrahøyt vakuum eller i nærvær av en bakgrunnsgass, slik som oksygen som ofte brukes når man avsetter oksider for å oksygenere de avsatte filmene.

Mens det grunnleggende oppsettet er enkelt i forhold til mange andre avsetningsteknikker, er de fysiske fenomenene med laser-mål-interaksjon og filmvekst ganske kompliserte (se Prosess nedenfor). Når laserpulsen absorberes av målet, blir energi først konvertert til elektronisk eksitasjon og deretter til termisk, kjemisk og mekanisk energi som resulterer i fordampning, ablasjon , plasmadannelse og til og med peeling . De utkastede artene utvides til det omgivende vakuumet i form av en plume som inneholder mange energiske arter, inkludert atomer , molekyler , elektroner , ioner , klynger, partikler og smeltede kuler, før de avsettes på det typisk varme substratet.

Prosess

Den detaljerte mekanismene for PLD er meget komplekse inkludert avsmeltingsprosessen av det aktive materiale ved laserbestråling, utvikling av en plasma- skyen med høyenergetiske ioner, elektroner, så vel som nøytrale og den krystallinske vekst av filmen seg på det oppvarmede substrat. Prosessen med PLD kan generelt deles inn i fire trinn:

  • Laserabsorpsjon på måloverflaten og laserablasjon av målmaterialet og dannelse av et plasma
  • Dynamisk av plasma
  • Avsetning av ablasjonsmaterialet på underlaget
  • Nukleering og vekst av filmen på underlaget

Hvert av disse trinnene er avgjørende for krystalliniteten, ensartetheten og støkiometrien til den resulterende filmen. De mest brukte metodene for modellering av PLD-prosessen er Monte Carlo-teknikkene .

Tynne filmer av oksider avsettes med atomlagsnøyaktighet ved bruk av pulserende laseravsetning. På dette bildet skyter en pulserende laser med høy intensitet en roterende hvit plate av Al 2 O 3 (aluminiumoksyd). Laserpulsen skaper en plasmaeksplosjon, synlig som den lilla skyen. Plasmaskyen fra aluminiumoksyd utvides mot det firkantede substratet, laget av SrTiO 3 , hvor det kondenserer og stivner og bygger opp ett atomlag om gangen. Substratet er montert på en varmeplate som lyser rødt ved en temperatur på 650 ° C for å forbedre krystalliniteten til den tynne aluminiumoksydfilmen.

Laserablasjon av målmaterialet og dannelse av et plasma

Ablasjon av målmaterialet ved laserstråling og dannelse av plasma er svært komplekse prosesser. Fjerning av atomer fra bulkmaterialet gjøres ved fordampning av bulk ved overflateområdet i en tilstand av ikke-likevekt. I dette trenger den innfallende laserpulsen inn i overflaten av materialet innenfor penetrasjonsdybden. Denne dimensjonen er avhengig av laserbølgelengden og brytningsindeksen for målmaterialet ved den påførte laserbølgelengden, og er vanligvis i området 10 nm for de fleste materialer. Det sterke elektriske feltet som genereres av laserlyset er tilstrekkelig sterkt til å fjerne elektronene fra bulkmaterialet i det gjennomtrengte volumet. Denne prosessen skjer innen 10 ps av en ns laserpuls og er forårsaket av ikke-lineære prosesser som multiphoton-ionisering, som forbedres av mikroskopiske sprekker på overflaten, hulrom og knuter som øker det elektriske feltet. De frie elektronene svinger innenfor det elektromagnetiske feltet til laserlyset og kan kollidere med atomene til bulkmaterialet og overføre noe av energien til gitteret til målmaterialet i overflateregionen. Overflaten på målet blir deretter varmet opp og materialet fordampes.

Dynamisk av plasma

I det andre trinnet utvides materialet i et plasma parallelt med målvektorens normale vektor mot substratet på grunn av Coulomb-frastøting og rekyl fra måloverflaten. Den romlige fordelingen av plommen er avhengig av bakgrunnspresset inne i PLD-kammeret. Plumens tetthet kan beskrives ved en cos n (x) lov med en form som ligner en Gaussisk kurve. Avhengigheten av fjærformen til trykket kan beskrives i tre trinn:

  • Vakuumstadiet, der fjæren er veldig smal og fremoverrettet; nesten ingen spredning forekommer med bakgrunnsgassene.
  • Mellomregionen der det kan observeres en splitting av høyenergiske ioner fra de mindre energiske artene. Time-of-flight (TOF) data kan tilpasses en sjokkbølgemodell; andre modeller kan imidlertid også være mulig.
  • Høytrykksregion der vi finner en mer diffusjonslignende utvidelse av det slørte materialet. Naturligvis er denne spredningen også avhengig av massen til bakgrunnsgassen og kan påvirke støkiometrien til den avsatte filmen.

Den viktigste konsekvensen av å øke bakgrunnspresset er bremsing av de høyenergiske artene i den ekspanderende plasmaplymen. Det er vist at partikler med kinetisk energi rundt 50 eV kan tilbakeføre filmen som allerede er avsatt på underlaget. Dette resulterer i en lavere avsetningshastighet og kan videre resultere i en endring i støkiometrien til filmen.

Avsetning av ablasjonsmaterialet på underlaget

Den tredje fasen er viktig for å bestemme kvaliteten på de deponerte filmene. De høyenergiske artene som er fjernet fra målet, bombarderer substratoverflaten og kan forårsake skade på overflaten ved å sprute av atomer fra overflaten, men også ved å forårsake defektdannelse i den avsatte filmen. De forstøvede artene fra substratet og partiklene som sendes ut fra målet danner en kollisjonsregion, som fungerer som en kilde for kondensering av partikler. Når kondensasjonshastigheten er høy nok, kan en termisk likevekt oppnås, og filmen vokser på substratoverflaten på bekostning av den direkte strømmen av ablasjonspartikler og den oppnådde termiske likevekten.

Nukleering og vekst av filmen på underlaget

De kimdannelse prosess og vekstkinetikk av filmen avhenger av flere vekstparametre inkludert:

  • Laserparametere - flere faktorer som laserfluens [Joule / cm 2 ], laserenergi og ioniseringsgrad av det ablaterte materialet vil påvirke filmkvaliteten, støkiometrien og avsetningsstrømmen. Generelt øker kjernetettheten når avsetningsstrømmen økes.
  • Overflatetemperatur - Overflatetemperaturen har stor innvirkning på kjernetettheten. Generelt reduseres kjernetettheten når temperaturen økes. Oppvarming av overflaten kan innebære en varmeplate eller bruk av en CO 2 -laser .
  • Substratoverflate - Kimdannelsen og veksten kan påvirkes av overflatepreparatet (for eksempel kjemisk etsning), feilkuttingen av substratet, samt ruheten til substratet.
  • Bakgrunnstrykk - Vanlig i oksidavsetning, er det behov for en oksygenbakgrunn for å sikre støkiometrisk overføring fra målet til filmen. Hvis for eksempel oksygenbakgrunnen er for lav, vil filmen vokse av støkiometri, noe som vil påvirke kjernetettheten og filmkvaliteten.

I PLD oppstår en stor overmetning på underlaget under pulsvarigheten. Pulsen varer rundt 10–40 mikrosekunder, avhengig av laserparametrene. Denne høye overmettingen forårsaker en veldig stor kjernetetthet på overflaten sammenlignet med molekylær stråleepitaksi eller forstøvningsavsetning . Denne kjernetettheten øker glattheten til den avsatte filmen.

I PLD er [avhengig av avsetningsparametrene ovenfor] tre vekstmodi mulige:

  • Step-flow vekst - Alle substrater har en feilkutt forbundet med krystallet. Disse feilkurvene fører til atomtrinn på overflaten. I trinnflytvekst lander atomer på overflaten og diffunderer til en trinnkant før de har en sjanse til å kjerneforme en overflateøy. Den voksende overflaten blir sett på som trinn som beveger seg over overflaten. Denne vekstmodusen oppnås ved avsetning på et høyt feilkuttet substrat, eller ved avsetning ved forhøyede temperaturer
  • Lag-for-lag-vekst - I denne vekstmodusen kjerner øyene på overflaten til en kritisk øyetetthet er nådd. Etter hvert som mer materiale blir lagt til, fortsetter øyene å vokse til øyene begynner å ramme hverandre. Dette er kjent som koalescens. Når koalescens er nådd, har overflaten en stor tetthet av groper. Når ytterligere materiale tilsettes overflaten, diffunderer atomene i disse gropene for å fullføre laget. Denne prosessen gjentas for hvert påfølgende lag.
  • 3D-vekst - Denne modusen ligner på lag-for-lag-vekst, bortsett fra at når en øy er dannet, vil en ekstra øy kjernen på toppen av den første øya. Derfor vedvarer ikke veksten lagvis lag, og overflaten runer seg hver gang materiale tilsettes.

Historie

Pulserende laseravsetning er bare en av mange teknikker for tynnfilmavsetning. Andre metoder inkluderer molekylær stråleepitaksi (MBE), kjemisk dampavsetning (CVD), sputteravsetning (RF, magnetron og ionestråle). Historien om laserassistert filmvekst startet like etter den tekniske realiseringen av den første laseren i 1960 av Maiman. Smith og Turner brukte en rubinlaser for å deponere de første tynne filmene i 1965, tre år etter at Breech and Cross studerte laserfordampning og eksitasjon av atomer fra faste overflater. Imidlertid var de avsatte filmene fortsatt dårligere enn de som ble oppnådd ved andre teknikker som kjemisk dampavsetning og molekylær stråleepitaksi. På begynnelsen av 1980-tallet oppnådde noen få forskergrupper (hovedsakelig i det tidligere Sovjetunionen) bemerkelsesverdige resultater på produksjon av tynnfilmstrukturer ved bruk av laserteknologi. Gjennombruddet kom i 1987 da D. Dijkkamp, ​​Xindi Wu og T. Venkatesan var i stand til å laseravleie en tynn film av YBa 2 Cu 3 O 7 , et superledende materiale med høy temperatur, som var av overlegen kvalitet til filmene som ble avsatt med alternativ teknikker. Siden da har teknikken for pulsert laseravsetning blitt brukt til å fremstille krystallklare filmer av høy kvalitet, slik som dopede granatfilmer for bruk som plane bølgelederlasere. Avsetningen av keramiske oksider, nitridfilmer, ferromagnetiske filmer, metalliske flerlag og forskjellige supergitter har blitt demonstrert. På 1990-tallet gjorde utviklingen av ny laserteknologi, for eksempel lasere med høy repetisjonshastighet og korte pulsvarigheter, PLD til et meget konkurransedyktig verktøy for vekst av tynne, veldefinerte filmer med kompleks støkiometri.

Tekniske aspekter

Det er mange forskjellige ordninger for å bygge et avsetningskammer for PLD. Målmaterialet som fordampes av laseren er vanligvis funnet som en roterende plate festet til en støtte. Imidlertid kan den også sintres til en sylindrisk stang med rotasjonsbevegelse og en translasjonell opp og ned bevegelse langs sin akse. Denne spesielle konfigurasjonen tillater ikke bare bruk av en synkronisert reaktiv gasspuls, men også av en multikomponent målstang som filmer av forskjellige flerlag kan opprettes med.

Noen faktorer som påvirker avsetningsgraden:

  • Målmateriale
  • Pulseenergi fra laser
  • Gjentakelsesfrekvens på laseren
  • Underlagets temperatur
  • Avstand fra mål til underlag
  • Type gass og trykk i kammeret (oksygen, argon, etc.)

Referanser

Eksterne linker