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.
The vacuum stage, where the plume is very narrow and forward directed; almost no scattering occurs with the background gases. The intermediate region where a splitting of the high energetic ions from the less energetic species can be observed. The time of flight (TOF) data can be fitted to a shock wave model; however, other models could also be possible. High pressure region where we find a more diffusion like expansion of the ablated material. Naturally this scattering is also dependent on the mass of the background gas and can influence the stoichiometry of the deposited film. The most important consequence of increasing the background pressure is the slowing down of the high energetic species in the expanding plasma plume. It has been shown that particles with kinetic energies around 50 eV can resputter the film already deposited on the substrate. This results in a lower deposition rate and can furthermore result in a change in the stoichiometry of the film.
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.