Термическая лазерная эпитаксия
Термическая лазерная эпитаксия (TLE) — это метод физического осаждения из паровой фазы , в котором используется излучение непрерывных лазеров для локальных источников тепла для выращивания пленок на подложке. [ 1 ] [ 2 ] Этот метод можно использовать при сверхвысоком вакууме или в присутствии фоновой атмосферы, такой как озон , для нанесения оксидных пленок. [ 3 ]
TLE работает при плотности мощности от 10 4 – 10 6 Вт/см 2 , что приводит к испарению или сублимации исходного материала без образования плазмы или частиц высокой энергии. Несмотря на сравнительно низкую плотность мощности, TLE способен наносить многие материалы с низким давлением паров , включая тугоплавкие металлы , — процесс, который сложно реализовать с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии . [ 4 ]
Физический процесс
[ редактировать ]
TLE использует лазеры непрерывного действия (обычно с длиной волны около 1000 нм), расположенные вне вакуумной камеры, для нагрева источников материала с целью создания потока пара посредством испарения или сублимации. [ 1 ] Благодаря локализованному характеру тепла, индуцированного лазером, часть источника может быть преобразована в жидкое состояние, в то время как остальная часть остается твердой, так что источник действует как собственный тигель. Сильное поглощение света приводит к высокой локализации индуцированного лазером тепла за счет малого диаметра лазерного луча, что также может привести к удержанию тепла на оси источника. Результирующее поглощение соответствует типичной глубине проникновения фотонов порядка 2 нм из-за высоких коэффициентов поглощения α ~ 10. 5 см −1 из многих материалов. Потери тепла за счет проводимости и излучения еще больше локализуют высокотемпературную область вблизи облучаемой поверхности источника. Локализованный характер нагрева позволяет выращивать многие материалы методом TLE из автономных источников без тигля. Благодаря прямой передаче энергии от лазера к источнику, TLE более эффективен, чем другие методы испарения, такие как испарение и молекулярно-лучевая эпитаксия , которые обычно используют проволочные нагреватели Джоуля для достижения высоких температур.
При нагревании источника создается поток пара, давление которого часто имеет примерно экспоненциальную зависимость от температуры. Затем пар осаждается на нагретую лазером подложку. Очень высокие температуры подложки, достигаемые с помощью лазерного нагрева, позволяют использовать режимы роста, контролируемые адсорбцией , аналогичные молекулярно-лучевой эпитаксии , обеспечивая точный контроль стехиометрии и температуры осаждаемой пленки. Такой точный контроль ценен для выращивания тонкопленочных гетероструктур из сложных материалов, высокотемпературные сверхпроводники как . таких [ 5 ] [ 6 ] Размещая все лазеры за пределами испарительной камеры, можно уменьшить загрязнение по сравнению с использованием нагревателей in situ , что приводит к получению очень чистых осажденных пленок.
Скорость осаждения пара, падающего на подложку, контролируется путем регулировки мощности падающего лазера-источника. Скорость осаждения часто увеличивается экспоненциально с ростом температуры источника, которая, в свою очередь, линейно увеличивается с увеличением мощности падающего лазера. [ 4 ]
Газ в камере может быть включен в осаждающую пленку. С добавлением атмосферы кислорода или озона оксидные пленки легко выращивать с помощью ТЛЭ при давлениях до 10 −2 гПа. [ 3 ] [ 7 ]
История
[ редактировать ]Вскоре после изобретения лазера Теодором Мейманом в 1960 г. [ 8 ] было быстро признано, что лазер может действовать как точечный источник для испарения исходного материала в вакуумной камере для изготовления тонких пленок. [ 9 ] [ 10 ] В 1965 году Смит и Тернер [ 10 ] преуспел в нанесении тонких пленок с помощью рубинового лазера, после чего Грох нанес тонкие пленки с помощью CO 2 -лазера непрерывного действия в 1968 году. [ 11 ] Дальнейшие работы показали, что лазерно-индуцированное испарение является эффективным способом нанесения диэлектрических и полупроводниковых пленок. Однако возникли проблемы со стехиометрией и однородностью осажденных пленок, что привело к снижению их качества по сравнению с пленками, осажденными другими методами. [ 12 ] [ 13 ] Эксперименты по исследованию осаждения тонких пленок с помощью импульсного лазера при высоких плотностях мощности заложили основу для импульсного лазерного осаждения — чрезвычайно успешного метода выращивания, который широко используется сегодня.
Эксперименты с использованием лазеров непрерывного действия продолжали проводиться на протяжении второй половины двадцатого века, подчеркивая многие преимущества лазерного испарения непрерывного действия, включая низкую плотность мощности, которая может уменьшить повреждение поверхности чувствительных пленок. Достичь конгруэнтного испарения из составных источников с использованием лазеров непрерывного действия оказалось непросто, а осаждение пленок обычно ограничивалось источниками с высоким давлением пара из-за низкой доступной плотности мощности непрерывного излучения. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
В 2019 году испарение источников с использованием лазеров непрерывного действия было заново открыто в Институте исследований твердого тела Макса Планка и получило название «термальная лазерная эпитаксия». В этом новом методе используются источники элементов, освещаемые мощными непрерывными лазерами (обычно с пиковой мощностью около 1 кВт при длине волны 1000 нм), что позволяет наносить материалы с низким давлением паров, такие как углерод и вольфрам, избегая при этом проблем. с конгруэнтным испарением из сложных источников. [ 1 ] [ 2 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Браун, Вольфганг; Маннхарт, Йохен (14 августа 2019 г.). «Нанесение пленок методом термического лазерного испарения» . Достижения АИП . 9 (8): 085310. Бибкод : 2019AIPA....9h5310B . дои : 10.1063/1.5111678 . S2CID 202065503 .
- ^ Перейти обратно: а б Браун, Вольфганг (2018). «Адсорбционно-контролируемая эпитаксия перовскитов». arXiv : 2405.04075 [ cond-mat.mtrl-sci ].
- ^ Перейти обратно: а б Ким, Дон Ён; Маннхарт, Йохен; Браун, Вольфганг (13 августа 2021 г.). «Термическое лазерное испарение для роста оксидных пленок» . Материалы АПЛ . 9 (8): 081105. Бибкод : 2021APLM....9х1105К . дои : 10.1063/5.0055237 . S2CID 238646816 . Проверено 8 сентября 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Смарт, Томас Дж.; Маннхарт, Йохен; Браун, Вольфганг (9 марта 2021 г.). «Термическое лазерное испарение элементов всей таблицы Менделеева» . Журнал лазерных приложений . 33 (2): 022008. arXiv : 2103.12596 . Бибкод : 2021JLasA..33b2008S . дои : 10.2351/7.0000348 . S2CID 232320531 . Проверено 8 сентября 2021 г.
- ^ Браун, Вольфганг; Ягер, Марен; Ласкин, Геннадий; Нгабонзиза, Проспер; Фёш, Вольфганг; Виттлих, Паскаль; Маннхарт, Йохен (16 июля 2020 г.). « in situ Термическая подготовка оксидных поверхностей » . Материалы АПЛ . 8 (7): 071112. Бибкод : 2020APLM....8g1112B . дои : 10.1063/5.0008324 . S2CID 225595599 .
- ^ Ким, Дон Ён; Маннхарт, Йохен; Браун, Вольфганг (04 августа 2021 г.). «Выращивание эпитаксиальных пленок методом термического лазерного испарения» . Журнал вакуумной науки и технологий А. 39 (5): 053406. Бибкод : 2021JVSTA..39e3406K . дои : 10.1116/6.0001177 .
- ^ Смарт, Томас Дж.; Хенслинг, Феликс В.Е.; Ким, Дон Ён; Майер, Лена Н.; Суёлджу, Ю. Эрен; Дере, Доминик; Шлом, Даррелл Г.; Йена, Дабдип; Маннхарт, Йохен; Браун, Вольфганг (08 мая 2023 г.). «Почему источники термической лазерной эпитаксии алюминия дают воспроизводимые потоки в окислительных средах» . Журнал вакуумной науки и техники А. 41 (4): 042701. дои : 10.1116/6.0002632 . ISSN 0734-2101 . Проверено 3 июня 2024 г.
{{cite journal}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка ) - ^ Майман, TH (1960). «Стимулированное оптическое излучение в рубине». Природа . 187 (4736): 493–494. Бибкод : 1960Natur.187..493M . дои : 10.1038/187493a0 . S2CID 4224209 .
- ^ Николс, КГ (1965). «Лазеры и микроэлектроника». Британские коммуникации и электроника . 12 (4): 368.
- ^ Перейти обратно: а б Смит, Ховард М.; Тернер, А.Ф. (1965). «Тонкие пленки, нанесенные в вакууме с использованием рубинового лазера». Прил. Опц . 4 (1): 147–148. Бибкод : 1965ApOpt...4..147S . дои : 10.1364/AO.4.000147 .
- ^ Гро, Г. (1968). «Вакуумное осаждение тонких пленок с помощью CO2-лазера» . Журнал прикладной физики . 39 (12): 5804–5805. Бибкод : 1968JAP....39.5804G . дои : 10.1063/1.1656056 .
- ^ Хасс, Г.; Рэмси, Дж. Б. (1969). «Вакуумное осаждение диэлектрических и полупроводниковых пленок с помощью СО 2 -лазера» . Прил. Опц . 8 (6): 1115–1118. дои : 10.1364/AO.8.001115 . ПМИД 20072385 .
- ^ Бан, В.С.; Крамер, Д.А. (1970). «Тонкие пленки полупроводников и диэлектриков, полученные методом лазерного испарения» . Журнал материаловедения . 5 (11): 1573–4803. Бибкод : 1970JMatS...5..978B . дои : 10.1007/BF00558179 . S2CID 137145469 .
- ^ Санкур, Х.; Холл, Р. (1985). «Нанесение тонких пленок методом лазерного испарения» . Прил. Опц . 24 (20): 3343–3347. Бибкод : 1985ApOpt..24.3343S . дои : 10.1364/AO.24.003343 . ПМИД 18224054 .
- ^ Санкур, Х.; Чунг, Дж. Т. (1988). «Формирование тонких диэлектрических и полупроводниковых пленок методом лазерного испарения» . Прил. Физ. А. 47 (3): 271–284. Бибкод : 1988ApPhA..47..271S . дои : 10.1007/BF00615933 . S2CID 98006904 .
- ^ Трухильо, О.; Мосс, Р.; Вуонг, К.Д.; Ли, Д.Х.; Ноубл, Р.; Финниган, Д.; Орлов, С.; Тенпас, Э.; Парк, К.; Фэган, Дж.; Ван, XW (1996). «Нанесение тонких пленок CdS с помощью непрерывного лазера Nd:YAG» . Тонкие твердые пленки . 290–291: 13–17. Бибкод : 1996TSF...290...13T . дои : 10.1016/S0040-6090(96)09065-7 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]Термическая лазерная эпитаксия - Институт исследований твердого тела Макса Планка