Импульсное лазерное напыление
Импульсное лазерное осаждение ( PLD ) — это метод физического осаждения из паровой фазы (PVD), при котором мощный импульсный лазерный луч фокусируется внутри вакуумной камеры и поражает цель наносимого материала. Этот материал испаряется из мишени (в плазменном шлейфе), который осаждается в виде тонкой пленки на подложке (например, кремниевой пластине, обращенной к мишени). Этот процесс может происходить в сверхвысоком вакууме или в присутствии фонового газа, такого как кислород, который обычно используется при осаждении оксидов для полной оксигенации осаждаемых пленок.
Хотя базовая установка проста по сравнению со многими другими методами осаждения, физические явления взаимодействия лазера с мишенью и роста пленки довольно сложны (см. Процесс ниже). Когда лазерный импульс поглощается мишенью, энергия сначала преобразуется в электронное возбуждение, а затем в тепловую, химическую и механическую энергию, что приводит к испарению, абляции , образованию плазмы и даже отшелушиванию . [1] Выброшенные частицы расширяются в окружающий вакуум в виде шлейфа, содержащего множество энергетических частиц, включая атомы , молекулы , электроны , ионы , кластеры, частицы и расплавленные глобулы, прежде чем оседать на обычно горячей подложке.
Процесс
[ редактировать ]Детальные механизмы PLD очень сложны, включая процесс абляции материала мишени лазерным облучением, образование плазменного факела с высокоэнергетическими ионами, электронами, а также нейтральными веществами и кристаллический рост самой пленки на нагретой подложке. Процесс PLD в целом можно разделить на четыре этапа:
- Лазерное поглощение на поверхности мишени и лазерная абляция материала мишени и создание плазмы
- Динамика плазмы
- Нанесение абляционного материала на подложку
- Зарождение и рост пленки на поверхности подложки
Каждый из этих этапов имеет решающее значение для кристалличности, однородности и стехиометрии получаемой пленки.
Лазерная абляция материала мишени и создание плазмы
[ редактировать ]Абляция материала мишени при лазерном облучении и создание плазмы — очень сложные процессы. Удаление атомов из объемного материала осуществляется путем испарения объема в приповерхностной области в неравновесном состоянии. При этом падающий лазерный импульс проникает в поверхность материала на глубину проникновения. Этот размер зависит от длины волны лазера и показателя преломления материала мишени на длине волны применяемого лазера и для большинства материалов обычно находится в районе 10 нм. Сильное электрическое поле, создаваемое лазерным светом, достаточно сильное, чтобы удалить электроны из основного материала проникшего объема. Этот процесс происходит в течение 10 пс лазерного импульса и вызван нелинейными процессами, такими как многофотонная ионизация, которые усиливаются микроскопическими трещинами на поверхности, пустотами и узелками, увеличивающими электрическое поле. Свободные электроны колеблются в электромагнитном поле лазерного света и могут сталкиваться с атомами объемного материала, передавая, таким образом, часть своей энергии решетке материала мишени в приповерхностной области. Затем поверхность мишени нагревается и материал испаряется.
Динамика плазмы
[ редактировать ]На втором этапе материал расширяется в плазме параллельно вектору нормали к поверхности мишени в сторону подложки за счет кулоновского отталкивания и отдачи от поверхности мишени. Пространственное распределение шлейфа зависит от фонового давления внутри камеры PLD. Плотность шлейфа можно описать как cos н (x) закон, имеющий форму, подобную кривой Гаусса. Зависимость формы факела от давления можно описать тремя этапами:
- Вакуумная стадия, где шлейф очень узкий и направлен вперед; рассеяния с фоновыми газами практически не происходит.
- Промежуточная область, где можно наблюдать отделение высокоэнергетических ионов от менее энергичных частиц. Данные времени пролета (TOF) могут быть адаптированы к модели ударной волны; однако возможны и другие модели.
- Область высокого давления, где мы обнаруживаем более диффузионное расширение аблированного материала. Естественно, это рассеяние также зависит от массы фонового газа и может влиять на стехиометрию осаждаемой пленки.
Важнейшим последствием повышения фонового давления является замедление высокоэнергетических частиц в расширяющемся плазменном факеле. Показано, что частицы с кинетической энергией около 50 эВ могут повторно распылить уже нанесенную на подложку пленку. Это приводит к снижению скорости осаждения и, кроме того, может привести к изменению стехиометрии пленки.
Нанесение абляционного материала на подложку
[ редактировать ]Третий этап важен для определения качества напыленных пленок. Высокоэнергетические частицы, вылетающие из мишени, бомбардируют поверхность подложки и могут вызвать повреждение поверхности за счет распыления атомов с поверхности, а также за счет образования дефектов в осажденной пленке. [2] Распыленные частицы с подложки и частицы, вылетающие из мишени, образуют область столкновения, которая служит источником конденсации частиц. При достаточно высокой скорости конденсации может быть достигнуто тепловое равновесие и рост пленки на поверхности подложки происходит за счет прямого потока абляционных частиц и достигнутого теплового равновесия.
Зарождение и рост пленки на поверхности подложки
[ редактировать ]Процесс зародышеобразования и кинетика роста пленки зависят от нескольких параметров роста, в том числе:
- Параметры лазера – несколько факторов, таких как плотность энергии лазера [Джоуль/см 2 ], энергия лазера и степень ионизации удаляемого материала будут влиять на качество пленки, стехиометрию , [3] и поток осаждения. Обычно плотность зародышеобразования увеличивается с увеличением потока осаждения.
- Температура поверхности . Температура поверхности оказывает большое влияние на плотность зародышеобразования. Обычно плотность зародышеобразования уменьшается с повышением температуры. [4] Нагрев поверхности может включать нагревательную пластину или использование CO 2 -лазера . [5]
- Поверхность подложки . На зарождение и рост может влиять подготовка поверхности (например, химическое травление). [6] ), неправильный рез подложки, а также шероховатость подложки.
- Фоновое давление . Обычно при осаждении оксидов необходим кислородный фон для обеспечения стехиометрического переноса от мишени к пленке. Если, например, кислородный фон слишком низкий, пленка будет расти за пределами стехиометрии , что повлияет на плотность зародышеобразования и качество пленки. [7]
большое пересыщение В PLD на подложке во время импульса возникает . Импульс длится около 10–40 микросекунд. [8] в зависимости от параметров лазера. Такое высокое пересыщение приводит к очень большой плотности зародышеобразования на поверхности по сравнению с молекулярно-лучевой эпитаксией или осаждением распылением . Такая плотность зародышеобразования увеличивает гладкость осажденной пленки.
В PLD (в зависимости от указанных выше параметров осаждения) возможны три режима роста:
- Рост ступенчатого потока . Все подложки имеют неправильный вырез, связанный с кристаллом. Эти ошибки приводят к возникновению атомарных шагов на поверхности. При росте ступенчатого потока атомы приземляются на поверхность и диффундируют к краю ступеньки, прежде чем у них появляется возможность зародить поверхностный островок. Растущая поверхность рассматривается как ступеньки, движущиеся по поверхности. Этот режим роста достигается путем осаждения на подложку с большим количеством неровностей или осаждения при повышенных температурах. [9]
- Послойный рост . В этом режиме роста островки зарождаются на поверхности до тех пор, пока не будет достигнута критическая плотность островков. По мере добавления материала острова продолжают расти, пока острова не начнут сталкиваться друг с другом. Это известно как слияние. После достижения слияния на поверхности появляется большая плотность ямок. Когда к поверхности добавляется дополнительный материал, атомы диффундируют в эти ямки, завершая слой. Этот процесс повторяется для каждого последующего слоя.
- 3D-рост . Этот режим аналогичен послойному росту, за исключением того, что после образования острова на поверхности первого острова зарождается дополнительный остров. Таким образом, рост не сохраняется послойно, и поверхность становится шероховатой при каждом добавлении материала.
История
[ редактировать ] | Этот раздел включает список использованной литературы , связанной литературы или внешних ссылок , но его источники остаются неясными, поскольку в нем отсутствуют встроенные цитаты . ( Май 2016 г. ) |
Импульсное лазерное осаждение — лишь один из многих методов осаждения тонких пленок. Другие методы включают молекулярно-лучевую эпитаксию (MBE), химическое осаждение из паровой фазы (CVD), осаждение методом распыления (RF, магнетрон и ионный луч). История выращивания пленок с помощью лазера началась вскоре после технической реализации первого лазера Майманом в 1960 году. Смит и Тернер использовали рубиновый лазер для нанесения первых тонких пленок в 1965 году, через три года после того, как Брич и Кросс изучили лазерное испарение и возбуждение атомов с твердых поверхностей. Однако осажденные пленки по-прежнему уступали пленкам, полученным другими методами, такими как химическое осаждение из газовой фазы и молекулярно-лучевая эпитаксия. В начале 1980-х годов несколько исследовательских групп (в основном в бывшем СССР) достигли замечательных результатов в производстве тонкопленочных структур с использованием лазерных технологий. Прорыв произошел в 1987 году, когда Д. Дейккамп, Синди Ву и Т. Венкатесан смогли нанести лазером тонкую пленку YBa 2 Cu 3 O 7 , высокотемпературного сверхпроводящего материала, который превосходил по качеству пленки, нанесенные альтернативными методами. техники. С тех пор метод импульсного лазерного осаждения используется для изготовления высококачественных кристаллических пленок, таких как тонкие пленки легированного граната, для использования в качестве планарных волноводных лазеров. [10] [11] Нанесение керамических оксидов, [12] нитридные пленки, [13] ферромагнитные пленки, [14] металлические многослойные материалы [15] [16] и были продемонстрированы различные сверхрешетки. В 1990-х годах развитие новых лазерных технологий, таких как лазеры с высокой частотой повторения и короткой длительностью импульсов, сделало PLD очень конкурентоспособным инструментом для выращивания тонких, четко определенных пленок со сложной стехиометрией.
Технические аспекты
[ редактировать ] | Этот раздел включает список использованной литературы , связанной литературы или внешних ссылок , но его источники остаются неясными, поскольку в нем отсутствуют встроенные цитаты . ( Май 2016 г. ) |
Существует множество различных способов создания камеры осаждения PLD. Целевой материал, испаряемый лазером, обычно представляет собой вращающийся диск, прикрепленный к опоре. Однако его можно также спекать в цилиндрический стержень с вращательным движением и поступательным движением вверх и вниз вдоль своей оси. Эта специальная конфигурация позволяет использовать не только синхронизированный реактивный газовый импульс, но и многокомпонентный стержень-мишень, с помощью которого можно создавать пленки различных многослойных слоев.
Некоторые факторы, влияющие на скорость осаждения:
- Целевой материал
- Энергия импульса лазера
- Частота повторения лазера [17]
- Температура основания [18]
- Расстояние от мишени до подложки
- Тип газа и давление в камере (кислород, аргон и т.д.) [19]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Импульсное лазерное осаждение тонких пленок, под редакцией Дугласа Б. Криси и Грэма К. Хаблера, John Wiley & Sons, 1994. ISBN 0-471-59218-8
- ^ Вазири, МРР (2010). «Микроскопическое описание процесса термализации при импульсном лазерном осаждении алюминия в присутствии фонового газа аргона». Журнал физики D: Прикладная физика . 43 (42): 425205. Бибкод : 2010JPhD...43P5205R . дои : 10.1088/0022-3727/43/42/425205 . S2CID 120309363 .
- ^ Ониси, Цуёси; Сибуя, Кейсуке; Ямамото, Такахиса; Липпмаа, Микк (2008). «Дефекты и транспорт в тонких пленках сложных оксидов». Журнал прикладной физики . 103 (10): 103703–103703–6. Бибкод : 2008JAP...103j3703O . дои : 10.1063/1.2921972 .
- ^ Фергюсон, доктор юридических наук; Арикан, Г.; Дейл, Д.С.; Уолл, Арканзас; Брок, Джей Ди (2009). «Измерения поверхностной диффузии и огрубления во время импульсного лазерного осаждения». Письма о физических отзывах . 103 (25): 256103. arXiv : 0910.3601 . Бибкод : 2009PhRvL.103y6103F . doi : 10.1103/PhysRevLett.103.256103 . ПМИД 20366266 . S2CID 11210950 .
- ^ Мэй-Смит, TC; Мьюир, AC; Дарби, MSB; Исон, RW (10 апреля 2008 г.). «Разработка и характеристики тетрапризмы ZnSe для гомогенного нагрева подложки с использованием CO2-лазера для экспериментов по импульсному лазерному осаждению» (PDF) . Прикладная оптика . 47 (11): 1767–1780. Бибкод : 2008ApOpt..47.1767M . дои : 10.1364/AO.47.001767 . ISSN 1539-4522 . ПМИД 18404174 .
- ^ Костер, Гертьян; Кропман, Бойке Л.; Рейндерс, Гус Дж.Х.М.; Бланк, Дэйв ХА; Рогалла, Хорст (1998). «Квазиидеальные кристаллические поверхности титаната стронция за счет образования гидроксида стронция». Письма по прикладной физике . 73 (20): 2920. Бибкод : 1998ApPhL..73.2920K . дои : 10.1063/1.122630 .
- ^ Отомо, А.; Хван, HY (2007). «Контроль плотности свободных носителей в режиме роста в пленках SrTiO [sub 3-δ]». Журнал прикладной физики . 102 (8): 083704–083704–6. arXiv : cond-mat/0604117 . Бибкод : 2007JAP...102h3704O . дои : 10.1063/1.2798385 . S2CID 118558366 .
- ^ Граноцио, FM и др. In-situ исследование поверхностных кислородных вакансий в перовскитах Матем. Рез. Соц. Учеб. 967Э, (2006)
- ^ Липпмаа, М.; Накагава, Н.; Кавасаки, М.; Охаси, С.; Коинума, Х. (2000). «Картирование режима роста эпитаксии SrTiO [sub 3]». Письма по прикладной физике . 76 (17): 2439. Бибкод : 2000ApPhL..76.2439L . дои : 10.1063/1.126369 .
- ^ Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Бичер, Стивен Дж.; Пасторский дом, Тина Л.; Хуа, Пин; Маккензи, Джейкоб И.; Шеперд, Дэвид П.; Исон, Роберт В. (01 января 2016 г.). «Планарный волноводный лазер Yb:YAG мощностью 115 Вт, изготовленный методом импульсного лазерного осаждения» (PDF) . Оптические материалы Экспресс . 6 (1): 91. Бибкод : 2016OMExp...6...91G . дои : 10.1364/ome.6.000091 . ISSN 2159-3930 .
- ^ Бичер, Стивен Дж.; Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Хуа, Пин; Прентис, Джейк Дж.; Исон, Роберт В.; Шеперд, Дэвид П.; Маккензи, Джейкоб И. (01 мая 2017 г.). «Волноводные лазеры на кристаллах граната, легированного иттербием, выращенные методом импульсного лазерного осаждения» . Оптические материалы Экспресс . 7 (5): 1628. Бибкод : 2017OMExp...7.1628B . дои : 10.1364/OME.7.001628 . ISSN 2159-3930 .
- ^ Коинума, Хидеоми; Нагата, Хиротоши; Сахар, Тадаши; Гонда, Сатоши; Ёсимото, Мамору (6 мая 1991 г.). «Эпитаксия керамического слоя методом импульсного лазерного осаждения в системе сверхвысокого вакуума». Письма по прикладной физике . 58 (18): 2027–2029. Бибкод : 1991АпФЛ..58.2027К дои : 10.1063/1.105002 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Виспуте, РД; Талянский В.; Траянович, З.; Чупун, С.; Даунс, М.; Шарма, РП; Венкатесан, Т.; Вудс, MC; Ларо, RT (19 мая 1997 г.). «Высококачественные кристаллические буферные слои ZnO на сапфире (001) методом импульсного лазерного осаждения нитридов III – V». Письма по прикладной физике . 70 (20): 2735–2737. Бибкод : 1997АпФЛ..70.2735В . дои : 10.1063/1.119006 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Ёситаке, Цуёси; Накагаучи, Дай; Нагаяма, Кунихито (15 июля 2003 г.). «Тонкие пленки ферромагнитного силицида железа, полученные методом импульсного лазерного осаждения». Японский журнал прикладной физики . 42 (Часть 2, № 7Б): Л849–Л851. Бибкод : 2003JaJAP..42L.849Y . дои : 10.1143/JJAP.42.L849 . ISSN 0021-4922 . S2CID 119738424 .
- ^ Шен, Дж.; Гай, Чжэн; Киршнер, Дж. (февраль 2004 г.). «Выращивание и магнетизм металлических тонких пленок и мультислоев методом импульсного лазерного осаждения». Отчеты о поверхностной науке . 52 (5–6): 163–218. дои : 10.1016/j.surfrep.2003.10.001 .
- ^ Ланни, Джеймс Г. (февраль 1995 г.). «Импульсное лазерное осаждение металла и металлических многослойных пленок». Прикладная наука о поверхности . 86 (1–4): 79–85. Бибкод : 1995АпсС...86...79Л . дои : 10.1016/0169-4332(94)00368-8 .
- ^ Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Бичер, Стивен Дж.; Прентис, Джейк Дж.; Шеперд, Дэвид П.; Маккензи, Джейкоб И.; Исон, Роберт В. (июнь 2018 г.). «Импульсное лазерное напыление волноводов из кристаллов граната со скоростью роста 20 мкм в час» . Технология поверхностей и покрытий . 343 : 7–10. doi : 10.1016/j.surfcoat.2017.12.008 .
- ^ Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Бичер, Стивен Дж.; Ририс, Харис; Ю, Энтони В.; Шеперд, Дэвид П.; Исон, Роберт В.; Маккензи, Джейкоб И. (23 октября 2017 г.). «Динамическое управление показателем преломления при выращивании волноводов методом импульсного лазерного осаждения» . Оптические материалы Экспресс . 7 (11): 4073. Бибкод : 2017OMExp...7.4073G . дои : 10.1364/OME.7.004073 .
- ^ Шарф, Т.; Кребс, Ху (1 ноября 2002 г.). «Влияние давления инертного газа на скорость осаждения при импульсном лазерном осаждении». Прикладная физика A: Материаловедение и обработка . 75 (5): 551–554. Бибкод : 2002ApPhA..75..551S . дои : 10.1007/s00339-002-1442-4 . S2CID 93176756 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Введение в импульсное лазерное осаждение. Введение в импульсное лазерное осаждение.
- Laser-MBE: импульсное лазерное осаждение в сверхвысоком вакууме
- Перес Таборда, Хайме Андрес; Кайседо, JC; Грисалес, М.; Салдарриага, В.; Риаскос, Х. (2015). «Влияние давления осаждения на химические, морфологические и оптические свойства бинарных нитридов алюминия». Оптика и лазерные технологии . 69 : 92–103. Бибкод : 2015OptLT..69...92P . дои : 10.1016/j.optlastec.2014.12.009 . hdl : 10261/129916 .
- Краткий обзор системы импульсного лазерного осаждения
