Кіріспе

Импульстік лазерлік жапсыру (PLD) – бұл физикалық буландыру (PVD) техникасы, онда жоғары қуатты импульстік лазер сәулесі вакуумдық камераның ішінде жапсырылатын материалдың нысанасына бағытталады. Бұл материал нысанадан буланып (плазмалық шоғырда) жұқа пленка түрінде субстратқа (мысалы, нысанаға қараған кремний пластинасы сияқты) жапсырылады. Бұл процесс жоғары вакуумда немесе оттегі сияқты фоны газдың болуымен жүзеге асырылуы мүмкін, ол көбінесе тотықтарды жапсырғанда, пленкаларды толыққанды оттектендіру үшін қолданылады. Негізгі құрылым басқа көптеген жапсыру техникаларымен салыстырғанда қарапайым болғанымен, лазерлік нысананың өзара әрекеттесуі мен пленканың өсуінің физикалық құбылыстары өте күрделі (төмендегі процеске қараңыз). Лазерлік импульс нысанаға сіңген кезде, энергия алдымен электрондық қозуға, содан кейін жылулық, химиялық және механикалық энергияға айналады, нәтижесінде булану, абляция, плазманың пайда болуы және тіпті қабыршақтану процестері жүреді. Бұрынғы заттар атомдар, молекулалар, электрондар, иондар, кластерлер, бөлшектер және балқыған тамшылар сияқты көптеген энергетикалық бөлшектерді қамтитын плазмалық шоғыр түрінде қоршаған вакуумға таралады, содан кейін әдетте ыстық субстратқа жапсырылады.

Нысаналы материалды лазермен ыдырау және плазма жасау

Лазерлік сәулелендіру арқылы нысана материалды абляциялау және плазманың пайда болуы өте күрделі процестер. Материалдың ішкі атомдарын жою, ірі материалдың беткі аймақта тепе-теңдіксіз күйде булануы арқылы жүзеге асырылады. Осы кезде, түсетін лазерлік импульс материалдың бетіне ену тереңдігіне дейін сіңіп кіреді. Бұл өлшем лазерлік толқын ұзындығына және қолданылған лазерлік толқын ұзындығында нысана материалдың сындыру көрсеткішіне байланысты, және көптеген материалдар үшін әдетте 10 нм шамасында болады. Лазерлік жарық тудырған күшті электр өрісі, енген көлемдегі ірі материалдан электрондарды алып тастауға жеткілікті күшті. Бұл процесс, нс лазерлік импульстің 10 пс ішінде жүреді және микроскопиялық жарықтар, қуыстар және түйіндер арқылы күшейтілетін көп фотонды иондану сияқты сызықты емес процестерге байланысты, бұл электр өрісін арттырады. Бос электрондар лазерлік жарықтың электромагниттік өрісінде тербеліп, ірі материалдың атомдарымен соқтығысып, энергиясының бір бөлігін нысана материалдың беткі аймағындағы кристалдық торға жеткізеді. Нысананың беті қыздырылып, материал буланып кетеді.

Плазманың динамикасы

Екінші кезеңде материал, Кулон итергісінен және нысана бетінен кері соққыдан туындап, плазмада нысана бетінің нормаль векторына параллель субстратқа қарай кеңейеді. Плюмнің кеңістіктегі таралуы PLD камерасындағы фонолық қысымға байланысты. Плюмның тығыздығы гаусс қисығына ұқсас пішіндегі cosn(x) заңдылығымен сипатталуы мүмкін. Плюм пішінінің қысымға тәуелділігі үш кезеңде сипатталады: вакуумдық кезең, онда плюм өте тар және алға бағытталған; фонолық газдармен шашырау дерлік болмайды. Жоғары энергетикалық иондардың төмен энергетикалық түрлерден бөлінуін байқауға болатын аралық аймақ. Ұшу уақыты (TOF) деректері соққы толқыны моделіне сәйкес келеді, бірақ басқа модельдер де мүмкін. Жоғары қысым аймағында абразияланған материалдың диффузияға ұқсас кеңеюі байқалады. Бұл шашырау, әрине, фонолық газдың массасына да байланысты және жабынның стехиометриясына әсер етуі мүмкін. Фонолық қысымды арттырудың ең маңызды салдары – кеңейіп жатқан плазмалық плюмдегі жоғары энергетикалық түрлердің жылдамдығын төмендетуі. 50 эВ шамасындағы кинетикалық энергиясы бар бөлшектердің субстратқа жабынның қайта шашылуын тудыруы дәлелденді. Бұл жабыну жылдамдығының төмендеуіне және жабынның стехиометриялық құрамының өзгеруіне әкелуі мүмкін.

Абляциялық материалды субстратқа салу

Үшінші кезең - жамылған қабықшалардың сапасын анықтау үшін маңызды. Нысанадан абляцияланған жоғары энергетикалық бөлшектер субстрат бетін бомбалайды және беттен атомдарды шашырату арқылы, сондай-ақ жамылған қабықшада ақаулардың пайда болуына себеп болуы мүмкін. Субстраттан шашыраған бөлшектер мен нысанадан шыққан бөлшектер соқтығысу аймағын құрайды, ол бөлшектердің конденсациялануының көзі болып табылады. Конденсация жылдамдығы жеткілікті деңгейде болса, жылулық тепе-теңдікке қол жеткізіледі және қабықша субстрат бетінде абляциялық бөлшектердің тікелей ағыны мен қол жеткізілген жылулық тепе-теңдік есебінен өседі.

Тарих

Импульстік лазерлік шоғырландыру – жұқа пленканы жабудың көптеген әдістерінің бірі ғана. Басқа әдістерге молекулалық сәулелі эпитаксия (МСЭ), химиялық бу фазасынан жабу (ХБФЖ), шашырату арқылы жабу (РЧ, магнитрон және иондық сәуле) жатады. Лазерлік көмекпен пленка өсіру тарихы 1960 жылы Майман алғашқы лазерді техникалық тұрғыдан іске асырғаннан кейін көп ұзамай басталды. Смит пен Тернер 1965 жылы алғашқы жұқа пленкаларды жабу үшін рубин лазерін пайдаланды, ал Брич пен Кросс қатты беттерден атомдардың лазерлік булануын және оларды қозуын зерттегеннен үш жыл өткен соң. Дегенмен, алынған пленкалар химиялық бу фазасынан жабу және молекулалық сәулелі эпитаксия сияқты басқа әдістермен алынған пленкалардан нашар болды. 1980 жылдардың басында бірнеше зерттеу тобы (негізінен бұрынғы КСРО-да) лазерлік технологияны пайдалана отырып, жұқа пленкалық құрылымдарды жасауда елеулі нәтижелерге қол жеткізді. 1987 жылы Д. Дейккамп, Синди Ву және Т. Венкатесан YBa2Cu3O7 – жоғары температуралық өткізгіш материалдың жұқа пленкасын лазерлік шоғырландыру арқылы жасады, бұл пленка басқа әдістермен жасалған пленкалардан жоғары сапалы болды. Осыдан бері импульстік лазерлік шоғырландыру әдісі жоғары сапалы кристалдық пленкаларды жасау үшін қолданылып келеді, мысалы, жазық толқын жетекші лазерлер ретінде пайдалануға арналған қоспаланған гранат жұқа пленкалары. Керамикалық оксидтердің, нитридтік пленкалардың, ферромагниттік пленкалардың, металл көп қабатты құрылымдардың және әртүрлі суперрешеттердің жабылуы көрсетілді. 1990 жылдары жаңа лазерлік технологияның дамуы, мысалы, жоғары қайталану жиілігіне және қысқа импульс ұзақтығына ие лазерлер, PLD-ні күрделі стехиометриясы бар жұқа, жақсы анықталған пленкаларды өсіру үшін өте бәсекеге қабілетті құралға айналдырды.