stringtranslate.com

Импульсное лазерное напыление

Струя, выброшенная из мишени SrRuO 3 во время импульсного лазерного осаждения.
На схеме показано следующее: Лазерный луч проходит через линзу, входит в вакуумную камеру и попадает в точку, обозначенную как цель. Показано, как плазменный шлейф покидает цель и направляется к нагретой подложке.
Одна из возможных конфигураций камеры осаждения PLD.

Импульсное лазерное осаждение ( PLD ) — это метод физического осаждения из паровой фазы (PVD), при котором мощный импульсный лазерный луч фокусируется внутри вакуумной камеры, чтобы попасть на мишень из материала, который должен быть осажден. Этот материал испаряется из мишени (в плазменном шлейфе), которая осаждает его 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 полного насыщения кислородом осажденных 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 отслаиванию . [1] Выброшенные частицы расширяются в окружающий вакуум в форме струи, содержащей множество энергичных частиц, включая атомы , молекулы , электроны , ионы , кластеры, частицы и расплавленные глобулы, перед осаждением на обычно горячую подложку.

Процесс

Подробные механизмы PLD очень сложны, включая процесс абляции материала мишени лазерным облучением, развитие плазменного факела с высокоэнергетическими ионами, электронами, а также нейтралами и кристаллический рост самой пленки на нагретой подложке. Процесс PLD можно в целом разделить на четыре этапа:

Каждый из этих этапов имеет решающее значение для кристалличности, однородности и стехиометрии получаемой пленки.

Тонкие пленки оксидов наносятся с точностью атомного слоя с помощью импульсного лазерного осаждения. На этой фотографии высокоинтенсивный импульсный лазер стреляет во вращающийся белый диск Al 2 O 3 (оксид алюминия). Лазерный импульс создает плазменный взрыв, видимый как фиолетовое облако. Плазменное облако из оксида алюминия расширяется в направлении квадратной подложки, сделанной из SrTiO 3 , где оно конденсируется и затвердевает, создавая один атомный слой за раз. Подложка установлена ​​на нагревательной пластине, светящейся красным при температуре 650 °C, для улучшения кристалличности тонкой пленки оксида алюминия.

Лазерная абляция материала мишени и создание плазмы

Абляция материала мишени при лазерном облучении и создание плазмы являются очень сложными процессами. Удаление атомов из основного материала осуществляется путем испарения основного материала в поверхностной области в состоянии неравновесия. При этом падающий лазерный импульс проникает в поверхность материала в пределах глубины проникновения. Этот размер зависит от длины волны лазера и показателя преломления материала мишени на применяемой длине волны лазера и обычно составляет около 10 нм для большинства материалов. Сильное электрическое поле, создаваемое лазерным излучением, достаточно сильное, чтобы удалить электроны из основного материала проникающего объема. Этот процесс происходит в течение 10 пс лазерного импульса нс и вызван нелинейными процессами, такими как многофотонная ионизация, которые усиливаются микроскопическими трещинами на поверхности, пустотами и узелками, которые увеличивают электрическое поле. Свободные электроны колеблются в электромагнитном поле лазерного излучения и могут сталкиваться с атомами основного материала, таким образом передавая часть своей энергии решетке основного материала в поверхностной области. Затем поверхность мишени нагревается, и материал испаряется.

Динамика плазмы

На втором этапе материал расширяется в плазме параллельно вектору нормали поверхности мишени в сторону подложки за счет кулоновского отталкивания и отдачи от поверхности мишени. Пространственное распределение струи зависит от фонового давления внутри камеры PLD. Плотность струи можно описать законом cos n (x) с формой, похожей на гауссову кривую. Зависимость формы струи от давления можно описать тремя этапами:

Самым важным следствием увеличения фонового давления является замедление высокоэнергетических видов в расширяющемся плазменном факеле. Было показано, что частицы с кинетической энергией около 50 эВ могут повторно распылять пленку, уже нанесенную на подложку. Это приводит к снижению скорости осаждения и может также привести к изменению стехиометрии пленки.

Нанесение абляционного материала на подложку

Третий этап важен для определения качества осажденных пленок. Высокоэнергетические частицы, удаляемые с мишени, бомбардируют поверхность подложки и могут повредить поверхность, распыляя атомы с поверхности, а также вызывая образование дефектов в осажденной пленке. [2] Распыленные частицы с подложки и частицы, испускаемые с мишени, образуют область столкновения, которая служит источником конденсации частиц. Когда скорость конденсации достаточно высока, может быть достигнуто тепловое равновесие, и пленка растет на поверхности подложки за счет прямого потока абляционных частиц и полученного теплового равновесия.

Зарождение и рост пленки на поверхности подложки

Процесс зародышеобразования и кинетика роста пленки зависят от нескольких параметров роста, включая:

В PLD большое пересыщение происходит на подложке во время длительности импульса. Импульс длится около 10–40 микросекунд [8] в зависимости от параметров лазера. Это большое пересыщение вызывает очень большую плотность зародышеобразования на поверхности по сравнению с молекулярно-лучевой эпитаксией или осаждением распылением . Эта плотность зародышеобразования увеличивает гладкость осажденной пленки.

В PLD [в зависимости от указанных выше параметров осаждения] возможны три режима роста:

История

Импульсное лазерное осаждение является лишь одним из многих методов осаждения тонких пленок. Другие методы включают молекулярно-лучевую эпитаксию (МЛЭ), химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ), осаждение распылением (РЧ, магнетрон и ионный луч). История роста пленок с помощью лазера началась вскоре после технической реализации первого лазера в 1960 году Майманом. Смит и Тернер использовали рубиновый лазер для осаждения первых тонких пленок в 1965 году, через три года после того, как Брич и Кросс изучали лазерное испарение и возбуждение атомов с твердых поверхностей. Однако осажденные пленки все еще уступали тем, которые были получены другими методами, такими как химическое осаждение из паровой 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 лазерной технологии. Прорыв произошел в 1987 году, когда Д. Дейккамп, Синди Ву и Т. Венкатесан смогли лазерным способом нанести тонкую пленку YBa 2 Cu 3 O 7 , высокотемпературного сверхпроводящего материала, которая по качеству превосходила пленки, нанесенные альтернативными методами. С тех пор метод импульсного лазерного напыления использовался для изготовления высококачественных кристаллических пленок, таких как тонкие пленки легированного граната для использования в качестве планарных волноводных лазеров. [10] [11] Было продемонстрировано напыление керамических оксидов, [12] нитридных пленок, [13] ферромагнитных пленок, [14] металлических многослойных покрытий [15] [16] и различных сверхрешеток. В 1990-х годах развитие новых лазерных технологий, таких как лазеры с высокой частотой повторения и короткой длительностью импульса, сделало PLD весьма конкурентоспособным инструментом для выращивания тонких, четко определенных пленок со сложной стехиометрией.

Технические аспекты

Существует множество различных схем создания камеры осаждения для PLD. Целевой материал, который испаряется лазером, обычно находится в виде вращающегося диска, прикрепленного к опоре. Однако его также можно спекать в цилиндрический стержень с вращательным движением и поступательным движением вверх и вниз вдоль его оси. Эта специальная конфигурация позволяет использовать не только синхронизированный реактивный газовый импульс, но и многокомпонентный целевой стержень, с помощью которого можно создавать пленки из различных многослойных материалов.

Некоторые факторы, влияющие на скорость осаждения:

Ссылки

  1. ^ Импульсное лазерное осаждение тонких пленок, под редакцией Дугласа Б. Криси и Грэма К. Хаблера, John Wiley & Sons, 1994 ISBN  0-471-59218-8
  2. ^ Vaziri, MRR (2010). "Микроскопическое описание процесса термализации во время импульсного лазерного осаждения алюминия в присутствии фонового газа аргона". Journal of Physics D: Applied Physics . 43 (42): 425205. Bibcode : 2010JPhD...43P5205R. doi : 10.1088/0022-3727/43/42/425205. S2CID  120309363.
  3. ^ Ониши, Цуёси; Сибуя, Кейсуке; Ямамото, Такахиса; Липпмаа, Микк (2008). «Дефекты и транспорт в тонких пленках сложных оксидов». Журнал прикладной физики . 103 (10): 103703–103703–6. Bibcode : 2008JAP...103j3703O. doi : 10.1063/1.2921972.
  4. ^ Фергюсон, Дж. Д.; Арикан, Г.; Дейл, Д. С.; Уолл, А. Р.; Брок, Дж. Д. (2009). «Измерения поверхностной диффузии и огрубления во время импульсного лазерного осаждения». Physical Review Letters . 103 (25): 256103. arXiv : 0910.3601 . Bibcode : 2009PhRvL.103y6103F. doi : 10.1103/PhysRevLett.103.256103. PMID  20366266. S2CID  11210950.
  5. ^ May-Smith, TC; Muir, AC; Darby, MSB; Eason, RW (2008-04-10). "Проектирование и эксплуатационные характеристики тетрапризмы ZnSe для нагрева однородной подложки с использованием лазера CO2 для экспериментов по импульсному лазерному осаждению" (PDF) . Applied Optics . 47 (11): 1767–1780. Bibcode :2008ApOpt..47.1767M. doi :10.1364/AO.47.001767. ISSN  1539-4522. PMID  18404174.
  6. ^ Костер, Гертьян; Кропман, Бойке Л.; Рейндерс, Гуус 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.
  7. ^ Ohtomo, A.; Hwang, HY (2007). "Управление режимом роста плотности свободных носителей в пленках SrTiO[sub 3−δ]". Журнал прикладной физики . 102 (8): 083704–083704–6. arXiv : cond-mat/0604117 . Bibcode : 2007JAP...102h3704O. doi : 10.1063/1.2798385. S2CID  118558366.
  8. ^ Граноцио, Ф.М. и др. In-situ Исследование поверхностных кислородных вакансий в перовскитах Mat. Res. Soc. Proc. 967E, (2006)
  9. ^ Липпмаа, М.; Накагава, Н.; Кавасаки, М.; Охаши, С.; Коинума, Х. (2000). «Картирование режима роста эпитаксии SrTiO[sub 3]». Applied Physics Letters . 76 (17): 2439. Bibcode : 2000ApPhL..76.2439L. doi : 10.1063/1.126369.
  10. ^ Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Бичер, Стивен Дж.; Парсонейдж, Тина Л.; Хуа, Пинг; Маккензи, Джейкоб И.; Шеперд, Дэвид П.; Исон, Роберт В. (2016-01-01). "115 Вт Yb:YAG планарный волноводный лазер, изготовленный с помощью импульсного лазерного осаждения" (PDF) . Optical Materials Express . 6 (1): 91. Bibcode :2016OMExp...6...91G. doi : 10.1364/ome.6.000091 . ISSN  2159-3930.
  11. ^ Бичер, Стивен Дж.; Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Хуа, Пинг; Прентис, Джейк Дж.; Исон, Роберт У.; Шеперд, Дэвид П.; Маккензи, Джейкоб И. (2017-05-01). "Волноводные лазеры на основе кристаллов граната, легированных иттербием, выращенные методом импульсного лазерного осаждения". Optical Materials Express . 7 (5): 1628. Bibcode : 2017OMExp...7.1628B. doi : 10.1364/OME.7.001628 . ISSN  2159-3930.
  12. ^ Коинума, Хидеоми; Нагата, Хиротоши; Цукахара, 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.
  13. ^ Vispute, RD; Talyansky, V.; Trajanovic, Z.; Choopun, S.; Downes, M.; Sharma, RP; Venkatesan, T.; Woods, MC; Lareau, RT (1997-05-19). "Высококачественные кристаллические буферные слои ZnO на сапфире (001) с помощью импульсного лазерного осаждения для нитридов III–V". Applied Physics Letters . 70 (20): 2735–2737. Bibcode : 1997ApPhL..70.2735V. doi : 10.1063/1.119006. ISSN  0003-6951.
  14. ^ 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.
  15. ^ Шен, Дж.; Гай, Чжэн; Киршнер, Дж. (февраль 2004 г.). «Рост и магнетизм металлических тонких пленок и многослойных покрытий с помощью импульсного лазерного осаждения». Surface Science Reports . 52 (5–6): 163–218. doi :10.1016/j.surfrep.2003.10.001.
  16. ^ Ланни, Джеймс Г. (февраль 1995 г.). «Импульсное лазерное осаждение металла и металлических многослойных пленок». Applied Surface Science . 86 (1–4): 79–85. Bibcode :1995ApSS...86...79L. doi :10.1016/0169-4332(94)00368-8.
  17. ^ Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Бичер, Стивен Дж.; Прентис, Джейк Дж.; Шеперд, Дэвид П.; Маккензи, Джейкоб И.; Исон, Роберт У. (июнь 2018 г.). «Импульсное лазерное осаждение кристаллических гранатовых волноводов со скоростью роста 20 мкм в час». Технология поверхностей и покрытий . 343 : 7–10. doi : 10.1016/j.surfcoat.2017.12.008 .
  18. ^ 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 во время роста волноводов с помощью импульсного лазерного напыления". Optical Materials Express . 7 (11): 4073. Bibcode : 2017OMExp...7.4073G. doi : 10.1364/OME.7.004073 .
  19. ^ Scharf, T.; Krebs, HU (1 ноября 2002 г.). «Влияние давления инертного газа на скорость осаждения во время импульсного лазерного осаждения». Applied Physics A: Materials Science & Processing . 75 (5): 551–554. Bibcode :2002ApPhA..75..551S. doi :10.1007/s00339-002-1442-4. S2CID  93176756.

Внешние ссылки