لایه‌نشانی

لایه‌نشانی با لیزر پالسی (PLD) یک روش لایه‌نشانی فیزیکی بخار (PVD) است که در آن پالس پرتو لیزر با قدرت بالا در داخل محفظه خلأ متمرکز می‌شود تا به نقطه مورد نظر از ماده‌ای که قرار است یک لایه از آن روی سطح هدف ایجاد شود، برخورد کند. ماده‌ای که باعث ایجاد رسوب لایه‌ای روی سطح هدف می‌شود با استفاده از پلاسما اسپری بخار می‌شود و به صورت یک لایه نازک روی ویفر سیلیکونی که بر روی آن است لایه‌نشانی می‌شود. این فرایند می‌تواند در خلا فوق بالا (ult) یا در حضور گاز زمینه مانند اکسیژن، که معمولاً هنگام رسوب اکسیدها برای اکسایش کامل لایه‌های رسوبی استفاده می‌شود، رخ دهد.

ستونی که در هنگام عملکرد پلاسما لیزر از هدف _{SrRuO3 خارج می‌شود.}

یکی از شکل‌های محفظه رسوب PLD.

در حالی که راه‌اندازی اولیه این روش نسبت به بسیاری دیگر از روش‌های لایه‌نشانی ساده‌تر است، اما بررسی پدیده‌های فیزیکی برهم کنش لیزر - هدف و رشد لایه روی سطح هدف بسیار پیچیده‌است (به فرایند زیر مراجعه کنید). وقتی پالس لیزر توسط هدف جذب می‌شود، انرژی ابتدا به پالس الکترونیکی تبدیل می‌شود و سپس به انرژی گرمایی، شیمیایی و مکانیکی تبدیل می‌شود و در نتیجه باعث تبخیر، فرسایش، تشکیل پلاسما و در نهایت لایه‌برداری می‌شود. مدلهای حاصل از این فرایند به صورت توده‌ای دارای بسیاری از گونه‌های پرانرژی از جمله اتم‌ها، مولکول‌ها، الکترون‌ها، ذرات و گویچه‌های مذاب ماده هستند که در بستری معمولاً گرم و در شرایط خلأ می‌باشند.

فرایند

مکانیسم‌های PLD بسیار پرجزئیات و مفصل هستند از جمله فرایندهای آن می‌توان به فرسایش ماده مورد نظر توسط تابش لیزر، توسعه یک ستون پلاسما با یون‌های پر انرژی، الکترون‌ها و همچنین ذرات خنثی و رشد کریستالی غشا در بستر گرم اشاره کرد که هر کدام بسیار پیچیده هستند. فرایند PLD را می‌توان به‌طور کلی به چهار مرحله تقسیم کرد:

جذب لیزر در سطح هدف و فرسایش لیزری ماده هدف و ایجاد پلاسما
حرکت یا دینامیک پلاسما
لایه‌نشانی رسوب مواد حاصل از فرسایش روی بستر
جوانه‌زنی و رشد غشا روی سطح بستر

هر یک از این مراحل از جمله تبلور، یکنواختی و استوکیومتری در غشای ایجاد شده نهایی بسیار مهم است. بیشترین روشهای مورد استفاده برای مدل‌سازی فرایند PLD، تکنیکهای مونت کارلو است.

غشاهای نازک اکسیدی با استفاده از رسوب پلاسما لیزر، با دقتی در مقیاس لایه اتمی روی سطح رسوب می‌کنند. در این تصویر، یک پلاسما لیزر با شدت بالا ذرات را از یک دیسک سفید چرخان از Al ₂ O ₃ (آلومینا) به سطح هدف شلیک می‌کند. پلاسما لیزر یک انفجار پلاسما ایجاد می‌کند که به صورت ابر بنفش قابل مشاهده است. ابر پلاسما از آلومینا به سمت بستر مربع شکل، ساخته شده از SrTiO ₃، پراکنده می‌شود و در آنجا متراکم و جامد می‌شود و هر بار یک لایه اتمی ایجاد می‌کند. این بستر بر روی صفحه حرارتی سوار شده و در دمای ۶۵۰ درجه سانتیگراد به رنگ قرمز می‌درخشد تا تبلور غشای نازک آلومینا بهبود یابد.

فرسایش لیزری ماده مورد نظر و ایجاد پلاسما

فرایندهای فرسایش ماده مورد نظر بر اثر تابش لیزر و ایجاد پلاسما فرایندهای بسیار پیچیده‌ای هستند. حذف اتم‌ها از جسم با بخار شدن جسم در آن منطقه از سطح، در حالت ناپایداری رخ می‌دهد. در این حالت با برخورد پالس لیزر به سطح ماده در عمق آن نفوذ می‌کند. این عمق نفوذ به طول موج لیزر و شاخص شکست ماده مورد نظر در طول موج لیزر اعمال شده بستگی دارد و به‌طور معمول در بیشتر مواد در محدوده ۱۰ نانومتر است. میدان الکتریکی قوی تولید شده توسط نور لیزر، به اندازه ای قوی است که می‌تواند الکترون‌ها را از جسم جدا کند. این فرایند در اثر فرایندهای غیرخطی مانند یونیزاسیون چند فوتونی که با ترک‌های میکروسکوپی در سطح، حفره‌ها و برامدگی‌ها افزایش می‌یابد، باعث افزایش میدان الکتریکی می‌شود. الکترونهای آزاد درون میدان الکترومغناطیسی نور لیزر، نوسان می‌کنند و می‌توانند با اتمهای مواد جسم برخورد کنند و در نتیجه مقداری از انرژی خود را به شبکه ماده مورد نظر در منطقه منتقل می‌کنند. سپس سطح هدف گرم شده و مواد بخار می‌شوند.

حرکت پلاسما

در مرحله دوم، مواد پلاسما به دلیل دافعه کولنی و پراکندگی از سطح هدف، به موازات بردار نرمال سطح هدف به سمت بستر پراکنده می‌شوند. توزیع فضایی ستون پلاسما، به فشار پس زمینه داخل محفظه PLD بستگی دارد. چگالی ستون پلاسما را می‌توان با قانون cos (x) و با شکلی شبیه به منحنی گوس توصیف کرد. وابستگی شکل ستون پلاسما به فشار را می‌توان در سه مرحله توصیف کرد:

مرحله خلأ، که در آن ستون پلاسما بسیار باریک است و به جلو هدایت می‌شود. تقریباً هیچ پراکندگی با گازهای پس زمینه رخ نمی‌دهد.
منطقه میانی که می‌توان انشعاب یون‌های پرانرژی را از گونه‌های کم انرژی را مشاهده کرد. داده‌های زمان پرواز (TOF) را می‌توان با یک مدل موج ضربه ای بررسی کرد. با این حال، مدل‌های دیگری نیز وجود دارد.
منطقه ای با فشار بالا که در آن انتشار بیشتری مشاهده می‌کنیم مانند پراکنده شدن مواد فرسایش یافته. به‌طور طبیعی این پراکندگی به جرم گاز پس زمینه نیز بستگی دارد و می‌تواند استوکیومتری غشا رسوب شده را تحت تأثیر قرار دهد.

مهمترین نتیجه افزایش فشار پس زمینه، کند شدن گونه‌های پرانرژی در توده پلاسما است که در حال گسترش است. ذرات با انرژی جنبشی در حدود 50 eV می‌توانند غشا ای را که قبلاً بر روی بستر رسوب داده شده‌است را احیا کنند. این امر منجر به کمتر شدن میزان رسوب می‌شود و علاوه بر آن می‌تواند منجر به تغییر در استوکیومتری غشا شود.

رسوب مواد ساطع شده روی بستر

مرحله سوم برای تعیین کیفیت غشاهای ایجاد شده بسیار مهم است. گونه‌های پرانرژی که از هدف دور می‌شوند سطح بستر را بمباران می‌کنند و ممکن است با پاشیدن اتم‌های به سطح، باعث آسیب دیدن سطح و همچنین ایجاد عیوب سطحی در غشاهای رسوبی شوند. گونه‌های پراکنده از بستر و ذرات ساطع شده از هدف، یک منطقه برخورد را تشکیل می‌دهند، که به عنوان منبع تراکم ذرات عمل می‌کند. هنگامی که سرعت چگالش به اندازه کافی زیاد باشد، می‌توان به تعادل گرمایی رسید و غشا در اثر جریان مستقیم ذرات فرسایش یافته و تعادل حرارتی بدست می‌آید و لایه ای نازک روی سطح بستر رشد می‌کند.

جوانه زنی و رشد غشا روی سطح بستر

روند جوانه زنی و سینتیک رشد غشا به چندین پارامتر رشد بستگی دارد از جمله:

پارامترهای لیزر - عوامل مختلفی از جمله فلوئنس لیزری [ژول / سانتی‌متر انرژی لیزر، و درجه یونیزاسیون از مواد فرسایش یافته‌است. و از طرفی استوکیومتری، و شار رسوب بر کیفیت غشا، تأثیر می‌گذارد. به‌طور کلی، چگالی هسته با افزایش شار رسوب افزایش می‌یابد.
دمای سطح - دمای سطح تأثیر زیادی روی تراکم هسته دارد. به‌طور کلی، با افزایش دما، چگالی هسته کاهش می‌یابد. گرم شدن سطح می‌تواند با استفاده از صفحه گرمایش یا استفاده از لیزر CO ₂ باشد.
سطح بستر - جوانه زنی و رشد می‌تواند تحت تأثیر آماده‌سازی سطح (مانند اچینگ شیمیایی)، عیوب سطحی بستر و همچنین ناهمواری‌های سطح لایه قرار گیرد.
فشار زمینه - معمولاً در رسوب اکسیدی، برای اطمینان از انتقال استوکیومتری از هدف به غشا، پس زمینه گازی اکسیژن لازم است. برای مثال اگر، زمینه اکسیژن خیلی کم باشد، غشا از استوکیومتری رشد خواهد کرد که بر تراکم هسته و کیفیت پوسته تأثیر می‌گذارد.

پیوند به بیرون

مقدمه ای بر رسوب لیزر پالسی مقدمه ای بر رسوب لیزر پالس
Laser-MBE: رسوب لیزر پالسی تحت خلأ Ult فوق‌العاده زیاد
Pérez Taborda, Jaime Andrés; Caicedo, J.C.; Grisales, M.; Saldarriaga, W.; Riascos, H. (2015). "Deposition pressure effect on chemical, morphological and optical properties of binary Al-nitrides". Optics & Laser Technology. 69: 92–103. Bibcode:2015OptLT..69...92P. doi:10.1016/j.optlastec.2014.12.009.
مروری اجمالی بر روی سیستم رسوب لیزر پالس بایگانی‌شده در ۲۶ اوت ۲۰۱۹ توسط Wayback Machine

منابع

↑ Pulsed Laser Deposition of Thin Films, edited by Douglas B. Chrisey and Graham K. Hubler, John Wiley & Sons, 1994 شابک ‎۰−۴۷۱−۵۹۲۱۸−۸
↑ Rashidian Vaziri, M R (2011). "Monte Carlo simulation of the subsurface growth mode during pulsed laser deposition". Journal of Applied Physics. 110 (4): 043304–043304–12. Bibcode:2011JAP...110d3304R. doi:10.1063/1.3624768.
↑ Vaziri, M R R (2010). "Microscopic description of the thermalization process during pulsed laser deposition of aluminium in the presence of argon background gas". Journal of Physics D: Applied Physics. 43 (42): 425205. Bibcode:2010JPhD...43P5205R. doi:10.1088/0022-3727/43/42/425205.
↑ Ohnishi, Tsuyoshi; Shibuya, Keisuke; Yamamoto, Takahisa; Lippmaa, Mikk (2008). "Defects and transport in complex oxide thin films". Journal of Applied Physics. 103 (10): 103703–103703–6. Bibcode:2008JAP...103j3703O. doi:10.1063/1.2921972.
↑ Ferguson, J. D.; Arikan, G.; Dale, D. S.; Woll, A. R.; Brock, J. D. (2009). "Measurements of Surface Diffusivity and Coarsening during Pulsed Laser Deposition". Physical Review Letters. 103 (25): 256103. arXiv:0910.3601. Bibcode:2009PhRvL.103y6103F. doi:10.1103/PhysRevLett.103.256103. PMID 20366266.
↑ May-Smith, T. C.; Muir, A. C.; Darby, M. S. B.; Eason, R. W. (2008-04-10). "Design and performance of a ZnSe tetra-prism for homogeneous substrate heating using a CO2 laser for pulsed laser deposition experiments" (PDF). Applied Optics. 47 (11): 1767–1780. Bibcode:2008ApOpt..47.1767M. doi:10.1364/AO.47.001767. ISSN 1539-4522. PMID 18404174.
↑ Koster, Gertjan; Kropman, Boike L.; Rijnders, Guus J. H. M.; Blank, Dave H. A.; Rogalla, Horst (1998). "Quasi-ideal strontium titanate crystal surfaces through formation of strontium hydroxide". Applied Physics Letters. 73 (20): 2920. Bibcode:1998ApPhL..73.2920K. doi:10.1063/1.122630.
↑ Ohtomo, A.; Hwang, H. Y. (2007). "Growth mode control of the free carrier density in SrTiO[sub 3−δ] films". Journal of Applied Physics. 102 (8): 083704–083704–6. arXiv:cond-mat/0604117. Bibcode:2007JAP...102h3704O. doi:10.1063/1.2798385.

[Perry-1] Pulsed Laser Deposition of Thin Films, edited by Douglas B. Chrisey and Graham K. Hubler, John Wiley & Sons, 1994 شابک ‎۰−۴۷۱−۵۹۲۱۸−۸

[2] Rashidian Vaziri, M R (2011). "Monte Carlo simulation of the subsurface growth mode during pulsed laser deposition". Journal of Applied Physics. 110 (4): 043304–043304–12. Bibcode:2011JAP...110d3304R. doi:10.1063/1.3624768.

[3] Vaziri, M R R (2010). "Microscopic description of the thermalization process during pulsed laser deposition of aluminium in the presence of argon background gas". Journal of Physics D: Applied Physics. 43 (42): 425205. Bibcode:2010JPhD...43P5205R. doi:10.1088/0022-3727/43/42/425205.

[4] Ohnishi, Tsuyoshi; Shibuya, Keisuke; Yamamoto, Takahisa; Lippmaa, Mikk (2008). "Defects and transport in complex oxide thin films". Journal of Applied Physics. 103 (10): 103703–103703–6. Bibcode:2008JAP...103j3703O. doi:10.1063/1.2921972.

[5] Ferguson, J. D.; Arikan, G.; Dale, D. S.; Woll, A. R.; Brock, J. D. (2009). "Measurements of Surface Diffusivity and Coarsening during Pulsed Laser Deposition". Physical Review Letters. 103 (25): 256103. arXiv:0910.3601. Bibcode:2009PhRvL.103y6103F. doi:10.1103/PhysRevLett.103.256103. PMID 20366266.

[6] May-Smith, T. C.; Muir, A. C.; Darby, M. S. B.; Eason, R. W. (2008-04-10). "Design and performance of a ZnSe tetra-prism for homogeneous substrate heating using a CO2 laser for pulsed laser deposition experiments" (PDF). Applied Optics. 47 (11): 1767–1780. Bibcode:2008ApOpt..47.1767M. doi:10.1364/AO.47.001767. ISSN 1539-4522. PMID 18404174.

[7] Koster, Gertjan; Kropman, Boike L.; Rijnders, Guus J. H. M.; Blank, Dave H. A.; Rogalla, Horst (1998). "Quasi-ideal strontium titanate crystal surfaces through formation of strontium hydroxide". Applied Physics Letters. 73 (20): 2920. Bibcode:1998ApPhL..73.2920K. doi:10.1063/1.122630.

[8] Ohtomo, A.; Hwang, H. Y. (2007). "Growth mode control of the free carrier density in SrTiO[sub 3−δ] films". Journal of Applied Physics. 102 (8): 083704–083704–6. arXiv:cond-mat/0604117. Bibcode:2007JAP...102h3704O. doi:10.1063/1.2798385.