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Deposición con láser pulsado

Un penacho expulsado de un objetivo de SrRuO 3 durante la deposición de láser pulsado.
El diagrama muestra lo siguiente: Un rayo láser pasa por una lente, ingresa a una cámara de vacío y alcanza un objetivo marcado con un punto. Se muestra una columna de plasma abandonando el objetivo y dirigiéndose hacia un sustrato calentado.
Una posible configuración de una cámara de deposición de PLD.

La deposición por láser pulsado ( PLD ) es una técnica de deposición física de vapor (PVD) en la que un rayo láser pulsado de alta potencia se enfoca dentro de una cámara de vacío para alcanzar un objetivo del material que se va a depositar. Este material se vaporiza del objetivo (en una columna de plasma) que lo deposita como una película delgada sobre un sustrato (como una oblea de silicio orientada hacia el objetivo). Este proceso puede ocurrir en vacío ultra alto o en presencia de un gas de fondo, como oxígeno, que se usa comúnmente al depositar óxidos para oxigenar completamente las películas depositadas.

Si bien la configuración básica es simple en comparación con muchas otras técnicas de deposición, los fenómenos físicos de la interacción entre el láser y el objetivo y el crecimiento de la película son bastante complejos (consulte el Proceso a continuación). Cuando el objetivo absorbe el pulso del láser, la energía se convierte primero en excitación electrónica y luego en energía térmica, química y mecánica, lo que da como resultado la evaporación, la ablación , la formación de plasma e incluso la exfoliación . [1] Las especies expulsadas se expanden hacia el vacío circundante en forma de una columna que contiene muchas especies energéticas, incluidos átomos , moléculas , electrones , iones , grupos, partículas y glóbulos fundidos, antes de depositarse sobre el sustrato típicamente caliente.

Proceso

Los mecanismos detallados de PLD son muy complejos, incluido el proceso de ablación del material objetivo mediante la irradiación láser , el desarrollo de una columna de plasma con iones, electrones y neutros de alta energía y el crecimiento cristalino de la propia película sobre el sustrato calentado. El proceso de PLD generalmente se puede dividir en cuatro etapas:

Cada uno de estos pasos es crucial para la cristalinidad, uniformidad y estequiometría de la película resultante.

Se depositan películas delgadas de óxidos con precisión de capa atómica mediante deposición por láser pulsado. En esta imagen, un láser pulsado de alta intensidad dispara un disco blanco giratorio de Al 2 O 3 (alúmina). El pulso del láser crea una explosión de plasma, visible como una nube violeta. La nube de plasma de la alúmina se expande hacia el sustrato cuadrado, hecho de SrTiO 3 , donde se condensa y solidifica, formando una capa atómica a la vez. El sustrato se monta sobre una placa calefactora, que brilla en rojo a una temperatura de 650 °C, para mejorar la cristalinidad de la película delgada de alúmina.

Ablación con láser del material objetivo y creación de un plasma.

La ablación del material objetivo mediante irradiación láser y la creación de plasma son procesos muy complejos. La eliminación de átomos del material a granel se realiza mediante vaporización del material a granel en la región de la superficie en un estado de no equilibrio. En este caso, el impulso láser incidente penetra en la superficie del material dentro de la profundidad de penetración. Esta dimensión depende de la longitud de onda del láser y del índice de refracción del material objetivo a la longitud de onda del láser aplicada y normalmente está en la región de 10 nm para la mayoría de los materiales. El fuerte campo eléctrico generado por la luz láser es lo suficientemente fuerte como para eliminar los electrones del material a granel del volumen penetrado. Este proceso ocurre dentro de los 10 ps de un pulso láser ns y es causado por procesos no lineales como la ionización multifotónica que se ve reforzada por grietas microscópicas en la superficie, huecos y nódulos, que aumentan el campo eléctrico. Los electrones libres oscilan dentro del campo electromagnético de la luz láser y pueden chocar con los átomos del material a granel, transfiriendo así parte de su energía a la red del material objetivo dentro de la región de la superficie. Luego se calienta la superficie del objetivo y se vaporiza el material.

Dinámica del plasma

En la segunda etapa, el material se expande en un plasma paralelo al vector normal de la superficie objetivo hacia el sustrato debido a la repulsión de Coulomb y al retroceso de la superficie objetivo. La distribución espacial de la columna depende de la presión de fondo dentro de la cámara PLD. La densidad de la pluma se puede describir mediante una ley de cos n (x) con una forma similar a una curva gaussiana. La dependencia de la forma del penacho de la presión se puede describir en tres etapas:

La consecuencia más importante del aumento de la presión de fondo es la desaceleración de las especies de alta energía en la columna de plasma en expansión. Se ha demostrado que partículas con energías cinéticas de alrededor de 50 eV pueden resucitar la película ya depositada sobre el sustrato. Esto da como resultado una tasa de deposición más baja y además puede dar como resultado un cambio en la estequiometría de la película.

Deposición del material de ablación sobre el sustrato.

La tercera etapa es importante para determinar la calidad de las películas depositadas. Las especies de alta energía eliminadas del objetivo están bombardeando la superficie del sustrato y pueden causar daños a la superficie al desprender átomos de la superficie, pero también al causar la formación de defectos en la película depositada. [2] Las especies pulverizadas del sustrato y las partículas emitidas desde el objetivo forman una región de colisión, que sirve como fuente para la condensación de partículas. Cuando la tasa de condensación es suficientemente alta, se puede alcanzar un equilibrio térmico y la película crece sobre la superficie del sustrato a expensas del flujo directo de partículas de ablación y del equilibrio térmico obtenido.

Nucleación y crecimiento de la película sobre la superficie del sustrato.

El proceso de nucleación y la cinética de crecimiento de la película dependen de varios parámetros de crecimiento, entre ellos:

En PLD, se produce una gran sobresaturación en el sustrato durante la duración del pulso. El pulso dura entre 10 y 40 microsegundos [8], dependiendo de los parámetros del láser. Esta alta sobresaturación provoca una densidad de nucleación muy grande en la superficie en comparación con la epitaxia del haz molecular o la deposición por pulverización catódica . Esta densidad de nucleación aumenta la suavidad de la película depositada.

En PLD, [dependiendo de los parámetros de deposición anteriores] son ​​posibles tres modos de crecimiento:

Historia

La deposición con láser pulsado es sólo una de muchas técnicas de deposición de películas delgadas. Otros métodos incluyen epitaxia por haz molecular (MBE), deposición química de vapor (CVD), deposición por pulverización (RF, magnetrón y haz de iones). La historia del crecimiento de películas asistido por láser comenzó poco después de la realización técnica del primer láser en 1960 por parte de Maiman. Smith y Turner utilizaron un láser de rubí para depositar las primeras películas delgadas en 1965, tres años después de que Breech y Cross estudiaran la vaporización por láser y la excitación de átomos de superficies sólidas. Sin embargo, las películas depositadas eran aún inferiores a las obtenidas mediante otras técnicas como la deposición química de vapor y la epitaxia por haz molecular. A principios de la década de 1980, algunos grupos de investigación (principalmente en la antigua URSS) lograron resultados notables en la fabricación de estructuras de películas delgadas utilizando tecnología láser. El gran avance se produjo en 1987, cuando D. Dijkkamp, ​​Xindi Wu y T. Venkatesan pudieron depositar con láser una fina película de YBa 2 Cu 3 O 7 , un material superconductor de alta temperatura, de calidad superior a la de las películas depositadas con métodos alternativos. técnicas. Desde entonces, la técnica de deposición de láser pulsado se ha utilizado para fabricar películas cristalinas de alta calidad, como películas delgadas de granate dopadas para su uso como láseres de guía de ondas planas. [10] [11] Se ha demostrado la deposición de óxidos cerámicos, [12] películas de nitruro, [13] películas ferromagnéticas, [14] multicapas metálicas [15] [16] y varias superredes. En la década de 1990, el desarrollo de nueva tecnología láser, como láseres con alta tasa de repetición y duraciones de pulso cortas, convirtió al PLD en una herramienta muy competitiva para el crecimiento de películas delgadas y bien definidas con estequiometría compleja.

Aspectos técnicos

Existen muchas disposiciones diferentes para construir una cámara de deposición para PLD. El material objetivo que se evapora mediante el láser se encuentra normalmente en forma de un disco giratorio fijado a un soporte. Sin embargo, también se puede sinterizar en una varilla cilíndrica con movimiento de rotación y un movimiento de traslación hacia arriba y hacia abajo a lo largo de su eje. Esta configuración especial permite no sólo la utilización de un pulso de gas reactivo sincronizado sino también una varilla objetivo multicomponente con la que se pueden crear películas de diferentes multicapas.

Algunos factores que influyen en la tasa de deposición:

Referencias

  1. ^ Deposición de películas delgadas con láser pulsado, editado por Douglas B. Chrisey y Graham K. Hubler, John Wiley & Sons, 1994 ISBN  0-471-59218-8
  2. ^ Vaziri, MRR (2010). "Descripción microscópica del proceso de termalización durante la deposición de aluminio con láser pulsado en presencia de gas de fondo argón". Revista de Física D: Física Aplicada . 43 (42): 425205. Código bibliográfico : 2010JPhD...43P5205R. doi :10.1088/0022-3727/43/42/425205. S2CID  120309363.
  3. ^ Ohnishi, Tsuyoshi; Shibuya, Keisuke; Yamamoto, Takahisa; Lippmaa, Mikk (2008). "Defectos y transporte en películas delgadas de óxidos complejos". Revista de Física Aplicada . 103 (10): 103703–103703–6. Código Bib : 2008JAP...103j3703O. doi : 10.1063/1.2921972.
  4. ^ Ferguson, JD; Arikan, G.; Dale, DS; Woll, AR; Brock, JD (2009). "Medidas de difusividad y engrosamiento de la superficie durante la deposición con láser pulsado". Cartas de revisión física . 103 (25): 256103. arXiv : 0910.3601 . Código bibliográfico : 2009PhRvL.103y6103F. doi :10.1103/PhysRevLett.103.256103. PMID  20366266. S2CID  11210950.
  5. ^ May-Smith, TC; Muir, CA; Darby, MSB; Eason, RW (10 de abril de 2008). "Diseño y rendimiento de un tetraprisma de ZnSe para calentamiento de sustrato homogéneo utilizando un láser de CO2 para experimentos de deposición con láser pulsado" (PDF) . Óptica Aplicada . 47 (11): 1767-1780. Código Bib : 2008ApOpt..47.1767M. doi :10.1364/AO.47.001767. ISSN  1539-4522. PMID  18404174.
  6. ^ Koster, Gertjan; Kropman, Boike L.; Rijnders, Guus JHM; En blanco, Dave HA; Rogalla, Horst (1998). "Superficies de cristales de titanato de estroncio casi ideales mediante la formación de hidróxido de estroncio". Letras de Física Aplicada . 73 (20): 2920. Código bibliográfico : 1998ApPhL..73.2920K. doi :10.1063/1.122630.
  7. ^ Ohtomo, A.; Hwang, HY (2007). "Control del modo de crecimiento de la densidad de portadores libres en películas de SrTiO [sub 3-δ]". Revista de Física Aplicada . 102 (8): 083704–083704–6. arXiv : cond-mat/0604117 . Código Bib : 2007JAP...102h3704O. doi : 10.1063/1.2798385. S2CID  118558366.
  8. ^ Granozio, FM y col. Investigación in situ de vacantes de oxígeno en la superficie en perovskitas Mat. Res. Soc. Proc. 967E, (2006)
  9. ^ Lippmaa, M.; Nakagawa, N.; Kawasaki, M.; Ohashi, S.; Koinuma, H. (2000). "Mapeo del modo de crecimiento de la epitaxia SrTiO [sub 3]". Letras de Física Aplicada . 76 (17): 2439. Código bibliográfico : 2000ApPhL..76.2439L. doi : 10.1063/1.126369.
  10. ^ Grant-Jacob, James A.; Beecher, Stephen J.; Casa rectoral, Tina L.; Hua, Ping; Mackenzie, Jacob I.; Pastor, David P.; Eason, Robert W. (1 de enero de 2016). "Un láser de guía de ondas plana Yb:YAG de 115 W fabricado mediante deposición de láser pulsado" (PDF) . Materiales ópticos expreso . 6 (1): 91. Código Bib : 2016OMExp...6...91G. doi : 10.1364/ome.6.000091 . ISSN  2159-3930.
  11. ^ Beecher, Stephen J.; Grant-Jacob, James A.; Hua, Ping; Prentice, Jake J.; Eason, Robert W.; Pastor, David P.; Mackenzie, Jacob I. (1 de mayo de 2017). "Láseres de guía de ondas de cristal de granate dopado con iterbio cultivados mediante deposición de láser pulsado". Materiales ópticos expreso . 7 (5): 1628. Código bibliográfico : 2017OMExp...7.1628B. doi : 10.1364/OME.7.001628 . ISSN  2159-3930.
  12. ^ Koinuma, Hideomi; Nagata, Hirotoshi; Tsukahara, Tadashi; Gonda, Satoshi; Yoshimoto, Mamoru (6 de mayo de 1991). "Epitaxia de capa cerámica mediante deposición de láser pulsado en un sistema de ultra alto vacío". Letras de Física Aplicada . 58 (18): 2027-2029. Código Bib : 1991ApPhL..58.2027K. doi :10.1063/1.105002. ISSN  0003-6951.
  13. ^ Visputa, RD; Talyansky, V.; Trajanovic, Z.; Choopun, S.; Downes, M.; Sharma, RP; Venkatesan, T.; Maderas, MC; Lareau, RT (19 de mayo de 1997). "Capas tampón de ZnO cristalino de alta calidad sobre zafiro (001) mediante deposición con láser pulsado para nitruros III-V". Letras de Física Aplicada . 70 (20): 2735–2737. Código bibliográfico : 1997ApPhL..70.2735V. doi :10.1063/1.119006. ISSN  0003-6951.
  14. ^ Yoshitake, Tsuyoshi; Nakagauchi, Dai; Nagayama, Kunihito (15 de julio de 2003). "Películas finas de siliciuro de hierro ferromagnético preparadas mediante deposición con láser pulsado". Revista Japonesa de Física Aplicada . 42 (Parte 2, Núm. 7B): L849 – L851. Código Bib : 2003JaJAP..42L.849Y. doi :10.1143/JJAP.42.L849. ISSN  0021-4922. S2CID  119738424.
  15. ^ Shen, J.; Gai, Zheng; Kirschner, J. (febrero de 2004). "Crecimiento y magnetismo de películas delgadas y multicapas metálicas mediante deposición de láser pulsado". Informes científicos de superficies . 52 (5–6): 163–218. doi :10.1016/j.surfrep.2003.10.001.
  16. ^ Lunney, James G. (febrero de 1995). "Deposición por láser pulsado de películas metálicas y multicapa metálicas". Ciencia de superficies aplicada . 86 (1–4): 79–85. Código Bib : 1995ApSS...86...79L. doi :10.1016/0169-4332(94)00368-8.
  17. ^ Grant-Jacob, James A.; Beecher, Stephen J.; Prentice, Jake J.; Pastor, David P.; Mackenzie, Jacob I.; Eason, Robert W. (junio de 2018). "Deposición por láser pulsado de guías de ondas de granate cristalino a una velocidad de crecimiento de 20 μm por hora". Tecnología de superficies y revestimientos . 343 : 7–10. doi : 10.1016/j.surfcoat.2017.12.008 .
  18. ^ Grant-Jacob, James A.; Beecher, Stephen J.; Riris, Haris; Yu, Anthony W.; Pastor, David P.; Eason, Robert W.; Mackenzie, Jacob I. (23 de octubre de 2017). "Control dinámico del índice de refracción durante el crecimiento de la guía de ondas depositada por láser pulsado". Materiales ópticos expreso . 7 (11): 4073. Código bibliográfico : 2017OMExp...7.4073G. doi : 10.1364/OME.7.004073 .
  19. ^ Scharf, T.; Krebs, HU (1 de noviembre de 2002). "Influencia de la presión del gas inerte en la tasa de deposición durante la deposición con láser pulsado". Física aplicada A: ciencia y procesamiento de materiales . 75 (5): 551–554. Código Bib : 2002ApPhA..75..551S. doi :10.1007/s00339-002-1442-4. S2CID  93176756.

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