Введение

Импульсное лазерное осаждение (PLD) — это метод физического осаждения из паровой фазы (PVD), при котором сфокусированный импульсный лазерный луч высокой мощности направляется внутрь вакуумной камеры на мишень из материала, который необходимо осадить. Материал испаряется с поверхности мишени (в виде плазменного шлейфа) и осаждается в виде тонкой пленки на подложку (например, кремниевую пластину, расположенную напротив мишени). Этот процесс может протекать в сверхвысоком вакууме или в присутствии фонового газа, такого как кислород, который часто используется при осаждении оксидов для обеспечения полной оксигенации осаждаемой пленки. Несмотря на относительную простоту базовой установки по сравнению с многими другими методами осаждения, физические явления, связанные с взаимодействием лазера с мишенью и ростом пленки, достаточно сложны (см. раздел «Процесс» ниже). При поглощении лазерного импульса 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. Выброшенные частицы расширяются в окружающий вакуум в форме шлейфа, содержащего множество энергетических частиц, включая атомы, молекулы, электроны, ионы, кластеры, частицы и расплавленные капли, прежде чем осесть на обычно нагретой подложке.

Лазерная абляция целевого материала и создание плазмы

Абляция целевого материала при лазерном облучении и образование плазмы – очень сложные процессы. Удаление атомов из объёмного материала происходит за счёт испарения материала в приповерхностном слое в неравновесном состоянии. При этом падающий лазерный импульс проникает в поверхность материала на глубину проникновения. Эта величина зависит от длины волны лазера и показателя преломления целевого материала на используемой длине волны лазера и обычно составляет около 10 нм для большинства материалов. Сильное электрическое поле, создаваемое лазерным излучением, достаточно для отрыва электронов от объёмного материала в зоне проникновения. Этот процесс происходит в течение 10 пс от наносекундного лазерного импульса и обусловлен нелинейными процессами, такими как многофотонная ионизация, которые усиливаются микротрещинами на поверхности, порами и выростами, увеличивающими напряжённость электрического поля. Свободные электроны колеблются в электромагнитном поле лазерного излучения и могут сталкиваться с атомами объёмного материала, передавая часть своей энергии кристаллической решётке целевого материала в приповерхностном слое. Поверхность мишени нагревается, и материал испаряется.

Динамика плазмы

На втором этапе материал расширяется в плазме параллельно нормали к поверхности мишени в направлении подложки из-за кулоновского отталкивания и отдачи от поверхности мишени. Пространственное распределение шлейфа зависит от фонового давления внутри камеры PLD. Плотность шлейфа может быть описана законом cosn(x) с формой, близкой к гауссовой кривой. Зависимость формы шлейфа от давления можно описать тремя стадиями: стадия вакуума, при которой шлейф очень узкий и направлен вперед; рассеяние на фоновых газах практически отсутствует. Промежуточная область, в которой наблюдается разделение высокоэнергетических ионов и частиц с меньшей энергией. Данные о времени пролета (TOF) могут быть аппроксимированы моделью ударной волны, однако возможны и другие модели. Область высокого давления, где расширение абляции материала носит более диффузионный характер. Естественно, это рассеяние также зависит от массы фонового газа и может влиять на стехиометрию формирующейся пленки. Наиболее важным следствием увеличения фонового давления является замедление высокоэнергетических частиц в расширяющемся плазменном шлейфе. Показано, что частицы с кинетической энергией около 50 эВ могут вызывать повторное распыление уже осажденной на подложку пленки. Это приводит к снижению скорости осаждения и может также изменять стехиометрию пленки.

Осаждение абляционного материала на подложке

Третий этап важен для определения качества нанесенных пленок. Высокоэнергетические частицы, выбиваемые с мишени, бомбардируют поверхность подложки и могут повредить ее, как путем распыления атомов с поверхности, так и вызывая образование дефектов в нанесенной пленке. Частицы, выбитые с подложки, и частицы, испускаемые мишенью, образуют область столкновений, которая служит источником конденсации частиц. При достаточно высокой скорости конденсации может быть достигнуто термическое равновесие, и рост пленки на поверхности подложки происходит за счет прямого потока частиц, образовавшихся при абляции, и достигнутого термического равновесия.

История

Импульсная лазерная осадка – это лишь один из множества методов нанесения тонких пленок. Другие методы включают молекулярно-лучевую эпитаксию (MBE), химическое осаждение из газовой фазы (CVD), распыление (RF, магнитронное и ионно-лучевое). История лазерно-стимулированного роста пленок началась вскоре после технической реализации первого лазера в 1960 году Мейманом. Смит и Тернер использовали рубиновый лазер для нанесения первых тонких пленок в 1965 году, через три года после того, как Брич и Кросс исследовали лазерную абляцию и возбуждение атомов с твердых поверхностей. Однако полученные пленки все еще уступали по качеству тем, что получались 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 значительных результатов в создании тонкопленочных структур с использованием лазерной технологии. Прорыв произошел в 1987 году, когда Д. Дийккамп, Синди Ву и Т. Венкатесан смогли лазерно нанести тонкую пленку YBa2Cu3O7 – высокотемпературного сверхпроводника – превосходящую по качеству пленки, полученные альтернативными методами. С тех пор метод импульсной лазерной осадки используется для изготовления высококачественных кристаллических пленок, таких как тонкие пленки легированного граната для использования в качестве плоских волноводных лазеров. Показано нанесение керамических оксидов, нитридных пленок, ферромагнитных пленок, металлических многослойных структур и различных сверхрешеток. В 1990-х годах развитие новых лазерных технологий, таких как лазеры с высокой частотой повторения импульсов и короткой длительностью импульса, сделало PLD очень конкурентоспособным инструментом для выращивания тонких, четко определенных пленок со сложным стехиометрическим составом.