ستونی که از یک هدف SrRuO 3 در طی رسوب لیزر پالسی پرتاب می شود.

یکی از پیکربندی های احتمالی یک محفظه رسوب PLD.

رسوب لیزر پالسی ( PLD ) یک روش رسوب بخار فیزیکی (PVD) است که در آن یک پرتو لیزر پالسی پرقدرت در داخل یک محفظه خلاء متمرکز می شود تا به هدفی از ماده ای که قرار است رسوب شود، ضربه بزند. این ماده از هدف تبخیر می شود (در یک ستون پلاسما) که آن را به عنوان یک لایه نازک روی یک بستر (مانند ویفر سیلیکونی رو به هدف) رسوب می دهد. این فرآیند می‌تواند در خلاء فوق‌العاده بالا یا در حضور یک گاز پس‌زمینه، مانند اکسیژن که معمولاً هنگام رسوب اکسیدها برای اکسیژن‌رسانی کامل به لایه‌های رسوب‌شده استفاده می‌شود، رخ دهد.

در حالی که تنظیمات اولیه نسبت به بسیاری از تکنیک‌های رسوب‌گذاری ساده است، پدیده‌های فیزیکی تعامل لیزر-هدف و رشد فیلم بسیار پیچیده هستند ( فرایند زیر را ببینید). هنگامی که پالس لیزر توسط هدف جذب می شود، انرژی ابتدا به تحریک الکترونیکی و سپس به انرژی حرارتی، شیمیایی و مکانیکی تبدیل می شود که منجر به تبخیر، فرسایش ، تشکیل پلاسما و حتی لایه برداری می شود. [1] گونه های پرتاب شده به خلاء اطراف به شکل یک ستون حاوی بسیاری از گونه های پرانرژی از جمله اتم ها ، مولکول ها ، الکترون ها ، یون ها منبسط می شوند.، خوشه ها، ذرات و گلبول های مذاب، قبل از رسوب بر روی بستر معمولی داغ.

فرآیند [ ویرایش ]

مکانیسم‌های دقیق PLD بسیار پیچیده هستند، از جمله فرآیند فرسایش ماده هدف توسط تابش لیزر ، ایجاد یک ستون پلاسما با یون‌های پر انرژی، الکترون‌ها و همچنین خنثی‌ها و رشد کریستالی خود فیلم بر روی بستر گرم شده. فرآیند PLD به طور کلی به چهار مرحله تقسیم می شود:

• جذب لیزر روی سطح هدف و فرسایش لیزری ماده مورد نظر و ایجاد پلاسما
• دینامیک پلاسما
• رسوب مواد فرسایشی بر روی بستر
• هسته و رشد فیلم بر روی سطح بستر

هر یک از این مراحل برای بلورینگی، یکنواختی و استوکیومتری فیلم حاصل بسیار مهم است. پرکاربردترین روشها برای مدلسازی فرآیند PLD، تکنیکهای مونت کارلو است . [2]

لایه های نازک اکسیدها با دقت لایه اتمی با استفاده از رسوب لیزر پالسی رسوب می کنند. در این تصویر، یک لیزر پالسی با شدت بالا به یک دیسک سفید چرخان از Al 2 O 3 (آلومینا) شلیک می کند. پالس لیزر یک انفجار پلاسما ایجاد می کند که به صورت ابر بنفش قابل مشاهده است. ابر پلاسما از آلومینا به سمت بستر مربعی ساخته شده از SrTiO 3 منبسط می شود ، جایی که متراکم و جامد می شود و هر بار یک لایه اتمی ایجاد می کند. این زیرلایه بر روی یک صفحه حرارتی نصب می شود که در دمای 650 درجه سانتیگراد قرمز می درخشد تا کریستالی بودن لایه نازک آلومینا را بهبود بخشد.

فرسایش لیزری ماده مورد نظر و ایجاد پلاسما [ ویرایش ]

فرسایش مواد هدف بر اثر تابش لیزر و ایجاد پلاسما فرآیندهای بسیار پیچیده ای هستند. حذف اتم ها از مواد حجیم با تبخیر توده در ناحیه سطح در حالت عدم تعادل انجام می شود. در این حالت پالس لیزر فرودی به سطح ماده در عمق نفوذ نفوذ می کند. این بعد به طول موج لیزر و شاخص شکست ماده مورد نظر در طول موج لیزر اعمال شده بستگی دارد و معمولاً برای اکثر مواد در منطقه 10 نانومتر است. میدان الکتریکی قوی ایجاد شده توسط نور لیزر به اندازه کافی قوی است تا الکترون ها را از مواد حجیم حجم نفوذ حذف کند. این فرآیند در 10 ps از یک پالس لیزر ns رخ می دهد و ناشی از فرآیندهای غیر خطی مانند یونیزاسیون چند فوتونی است که توسط ترک های میکروسکوپی در سطح، حفره ها و گره ها افزایش می یابد که باعث افزایش میدان الکتریکی می شود. الکترون‌های آزاد در میدان الکترومغناطیسی نور لیزر نوسان می‌کنند و می‌توانند با اتم‌های ماده حجیم برخورد کنند و در نتیجه بخشی از انرژی خود را به شبکه مواد هدف در ناحیه سطح منتقل کنند. سپس سطح هدف گرم می شود و مواد تبخیر می شوند.

دینامیک پلاسما [ ویرایش ]

در مرحله دوم، مواد در پلاسما به موازات بردار معمولی سطح هدف به سمت زیرلایه به دلیل دفع کولن و پس زدن از سطح هدف منبسط می شوند. توزیع فضایی ستون به فشار زمینه در داخل محفظه PLD بستگی دارد. چگالی ستون را می توان با یک قانون cosn ( x ) با شکلی شبیه به منحنی گاوس توصیف کرد. وابستگی شکل ستون به فشار را می توان در سه مرحله توصیف کرد:

• مرحله خلاء، که در آن ستون بسیار باریک و به سمت جلو هدایت می شود. تقریباً هیچ پراکندگی با گازهای پس زمینه رخ نمی دهد.
• منطقه میانی که در آن تقسیم یون های پرانرژی از گونه های کم انرژی را می توان مشاهده کرد. داده های زمان پرواز (TOF) را می توان به مدل موج ضربه ای برازش داد. با این حال، مدل های دیگر نیز می تواند امکان پذیر باشد.
• منطقه ای با فشار بالا که در آن انبساط بیشتری شبیه به انتشار مواد فرسوده پیدا می کنیم. طبیعتاً این پراکندگی به جرم گاز زمینه نیز وابسته است و می‌تواند بر استوکیومتری فیلم رسوب‌شده تأثیر بگذارد.

مهمترین پیامد افزایش فشار زمینه، کند شدن گونه های پرانرژی در توده پلاسما در حال گسترش است. نشان داده شده است که ذرات با انرژی جنبشی در حدود 50 eV می‌توانند فیلمی را که قبلاً روی بستر رسوب کرده‌اند بازتاب دهند. این منجر به نرخ رسوب کمتر می شود و علاوه بر این می تواند منجر به تغییر در استوکیومتری فیلم شود.

رسوب مواد فرسایشی روی بستر [ ویرایش ]

مرحله سوم برای تعیین کیفیت فیلم های رسوب داده شده مهم است. گونه‌های پرانرژی که از هدف جدا شده‌اند، سطح زیرلایه را بمباران می‌کنند و ممکن است با پاشیدن اتم‌ها از سطح و همچنین با ایجاد نقص در فیلم رسوب‌شده، به سطح آسیب وارد کنند. [3] گونه های پراکنده شده از بستر و ذرات ساطع شده از هدف، ناحیه برخورد را تشکیل می دهند که به عنوان منبعی برای تراکم ذرات عمل می کند. هنگامی که نرخ تراکم به اندازه کافی بالا باشد، می توان به تعادل حرارتی رسید و فیلم بر روی سطح زیرلایه به هزینه جریان مستقیم ذرات فرسایشی و تعادل حرارتی به دست آمده رشد می کند.

هسته و رشد فیلم بر روی سطح بستر [ ویرایش ]

فرآیند هسته‌زایی و سینتیک رشد فیلم به چندین پارامتر رشد بستگی دارد از جمله:

• پارامترهای لیزر - عوامل متعددی مانند شار لیزر [ژول/cm2 ] ، انرژی لیزر و درجه یونیزاسیون ماده فرسوده بر کیفیت فیلم، استوکیومتری [ 4] و شار رسوب تاثیر می‌گذارد. به طور کلی، چگالی هسته با افزایش شار رسوب افزایش می یابد.
• دمای سطح - دمای سطح تأثیر زیادی بر تراکم هسته دارد. به طور کلی، چگالی هسته با افزایش دما کاهش می یابد. [5] گرم کردن سطح می تواند شامل یک صفحه گرم کننده یا استفاده از لیزر CO2 باشد . [6]
• سطح زیرلایه - هسته و رشد می تواند تحت تأثیر آماده سازی سطح (مانند اچ شیمیایی [7] )، برش نادرست بستر و همچنین زبری بستر قرار گیرد.
• فشار پس زمینه – در رسوب اکسید رایج، یک پس زمینه اکسیژن برای اطمینان از انتقال استوکیومتری از هدف به فیلم مورد نیاز است. به عنوان مثال، اگر پس زمینه اکسیژن خیلی کم باشد، فیلم از استوکیومتری رشد می کند که بر چگالی هسته و کیفیت فیلم تأثیر می گذارد. [8]

در PLD، یک فوق اشباع بزرگ در طول مدت پالس روی بستر رخ می دهد. بسته به پارامترهای لیزر، پالس حدود 10 تا 40 میکروثانیه طول می‌کشد [9] . این فوق اشباع بالا در مقایسه با اپیتاکسی پرتو مولکولی یا رسوب کندوپاش ، باعث چگالی هسته‌زایی بسیار بزرگی در سطح می‌شود . این چگالی هسته باعث افزایش صافی لایه رسوب شده می شود.

در PLD، [بسته به پارامترهای رسوب بالا] سه حالت رشد ممکن است:

• رشد پله‌ای - همه بسترها دارای یک برش نادرست مرتبط با کریستال هستند. این برش های نادرست باعث ایجاد مراحل اتمی در سطح می شود. در رشد پله‌ای، اتم‌ها روی سطح فرود می‌آیند و قبل از اینکه فرصتی برای هسته‌زایی جزیره‌ای سطحی داشته باشند، به یک لبه پله‌ای منتشر می‌شوند. سطح در حال رشد به عنوان پله هایی در نظر گرفته می شود که در سراسر سطح حرکت می کنند. این حالت رشد با رسوب بر روی یک بستر نادرست بالا، یا رسوب در دماهای بالا به دست می آید [10]
• رشد لایه به لایه - در این حالت رشد، جزایر بر روی سطح هسته می‌شوند تا زمانی که تراکم جزیره‌ای بحرانی به دست آید. با اضافه شدن مواد بیشتر، جزایر به رشد خود ادامه می دهند تا زمانی که جزایر شروع به برخورد با یکدیگر کنند. این به عنوان ادغام شناخته می شود. پس از رسیدن به ادغام، سطح دارای چگالی زیادی از گودال است. هنگامی که مواد اضافی به سطح اضافه می شود، اتم ها در این حفره ها پخش می شوند تا لایه را کامل کنند. این فرآیند برای هر لایه بعدی تکرار می شود.
• رشد سه بعدی - این حالت شبیه به رشد لایه به لایه است، با این تفاوت که پس از تشکیل یک جزیره، یک جزیره اضافی در بالای جزیره اول هسته می گیرد. بنابراین، رشد به صورت لایه به لایه ادامه نمی یابد و هر بار که مواد اضافه می شود، سطح زبر می شود.

تاریخچه [ ویرایش ]

رسوب لیزر پالسی تنها یکی از بسیاری از تکنیک های رسوب لایه نازک است. روش های دیگر عبارتند از اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE)، رسوب شیمیایی بخار (CVD)، رسوب پاششی .(RF، مگنترون و پرتو یونی). تاریخچه رشد فیلم به کمک لیزر بلافاصله پس از تحقق فنی اولین لیزر در سال 1960 توسط میمن آغاز شد. اسمیت و ترنر در سال 1965، سه سال پس از مطالعه تبخیر لیزری و برانگیختن اتم‌ها از سطوح جامد، از لیزر یاقوتی برای رسوب اولین لایه‌های نازک استفاده کردند. با این حال، فیلم‌های رسوب‌شده هنوز نسبت به آنهایی که با روش‌های دیگر مانند رسوب بخار شیمیایی و اپیتاکسی پرتو مولکولی به‌دست می‌آیند، پایین‌تر بودند. در اوایل دهه 1980، چند گروه تحقیقاتی (عمدتاً در اتحاد جماهیر شوروی سابق) به نتایج قابل توجهی در زمینه ساخت ساختارهای لایه نازک با استفاده از فناوری لیزر دست یافتند. پیشرفت در سال 1987 زمانی که D. Dijkkamp، Xindi Wu و T. Venkatesan توانستند یک لایه نازک از YBa 2 Cu 3 O را با لیزر رسوب دهند، رخ داد.7 ، یک ماده ابررسانا با درجه حرارت بالا، که کیفیتی بالاتر از فیلم‌های رسوب‌شده با تکنیک‌های جایگزین داشت. از آن زمان، تکنیک رسوب لیزر پالسی برای ساخت فیلم‌های کریستالی با کیفیت بالا، مانند لایه‌های نازک گارنت دوپ شده برای استفاده به عنوان لیزرهای موجبر مسطح استفاده شده است. [11] [12] رسوب اکسیدهای سرامیکی، [13] فیلم های نیترید، [14] فیلم های فرومغناطیسی، [15] چند لایه فلزی [16] [17]و ابرشبکه های مختلف نشان داده شده است. در دهه 1990، توسعه فناوری لیزر جدید، مانند لیزرهایی با سرعت تکرار بالا و مدت زمان پالس کوتاه، PLD را به ابزاری بسیار رقابتی برای رشد فیلم‌های نازک و کاملاً مشخص با استوکیومتری پیچیده تبدیل کرد.

جنبه های فنی [ ویرایش ]

ترتیبات مختلفی برای ساختن یک محفظه رسوب برای PLD وجود دارد. ماده مورد نظر که توسط لیزر تبخیر می شود معمولاً به صورت یک دیسک چرخان متصل به یک تکیه گاه یافت می شود. با این حال، می توان آن را به یک میله استوانه ای با حرکت چرخشی و حرکت انتقالی بالا و پایین در امتداد محور خود تف جوشی کرد. این پیکربندی ویژه نه تنها امکان استفاده از یک پالس گاز راکتیو همگام، بلکه از یک میله هدف چند جزئی را نیز امکان پذیر می کند که با آن می توان فیلم هایی از چند لایه مختلف ایجاد کرد.

برخی از عوامل موثر بر نرخ رسوب:

• مواد هدف
• انرژی پالس لیزر
• میزان تکرار لیزر [18]
• دمای بستر [19]
• فاصله از هدف تا بستر
• نوع گاز و فشار در محفظه (اکسیژن، آرگون و غیره) [20]

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsed_laser_deposition