Deposición con láser pulsado

Deposición láser pulsada (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 láser-objetivo y el crecimiento de la película son bastante complejos (ver 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. 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 en 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 de alta energía, electrones y neutros y el crecimiento cristalino de la propia película en la superficie. sustrato calentado. El proceso de PLD generalmente se puede dividir en cuatro etapas:

• absorción láser en la superficie de destino y ablación láser del material objetivo y la creación de un plasma
• Dinámica del plasma
• Deposición del material de ablación en el sustrato
• Nucleation and growth of the film on the substrate surface

Cada uno de estos pasos es crucial para la cristalinidad, uniformidad y estequiometría de la película resultante. Los métodos más utilizados para modelar el proceso PLD son las técnicas de Monte Carlo.

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 en la longitud de onda del láser aplicada y suele estar 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 el 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 cosⁿ(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 etapa de vacío, donde la ciruela es muy estrecha y orientada hacia adelante; casi ninguna dispersión ocurre con los gases de fondo.
• La región intermedia donde se puede observar una división de los altos iones energéticos de las especies menos energéticas. Los datos de tiempo de vuelo (TOF) pueden ajustarse a un modelo de onda de choque; sin embargo, otros modelos también podrían ser posibles.
• Región de alta presión donde encontramos una expansión más similar a la difusión del material ablatado. Naturalmente, esta dispersión también depende de la masa del gas de fondo y puede influir en la estoichiometría de la película depositada.

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 extraídas del objetivo están bombardeando la superficie del sustrato y pueden causar daños a la superficie al desprender átomos de la superficie, pero también al provocar la formación de defectos en la película depositada. 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:

• Parámetros láser – varios factores como la fluencia láser [Joule/cm²], energía láser, y grado de ionización del material ablatado afectará la calidad de la película, la estoichiometría, y el flujo de deposición. Generalmente, la densidad de la nucleación aumenta cuando aumenta el flujo de deposición.
• Temperatura superficial – La temperatura superficial tiene un gran efecto en la densidad de la nucleación. Generalmente, la densidad de la nucleación disminuye a medida que aumenta la temperatura. La calefacción de la superficie puede implicar una placa de calefacción o el uso de un láser CO2.
• Superficie de substrato – La nucleación y el crecimiento pueden verse afectados por la preparación de la superficie (como el grabado químico), el corte erróneo del sustrato, así como la rugosidad del sustrato.
• Presión de antecedentes – Común en la deposición del óxido, se necesita un fondo de oxígeno para garantizar la transferencia estequiométrica del objetivo a la película. Si, por ejemplo, el fondo de oxígeno es demasiado bajo, la película crecerá de la estoichiometría que afectará la densidad de la nucleación y la calidad de la película.

En PLD, se produce una gran sobresaturación en el sustrato durante la duración del pulso. El pulso dura entre 10 y 40 microsegundos, según 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:

• Crecimiento de la corriente de pasos – Todos los sustratos tienen un error asociado con el cristal. Estos errores dan lugar a pasos atómicos en la superficie. En el crecimiento del flujo de paso, los átomos aterrizan sobre la superficie y difunden a un borde del paso antes de tener la oportunidad de nuclear una isla superficial. La superficie creciente se ve como pasos que recorren la superficie. Este modo de crecimiento se obtiene por deposición en un sustrato de corte alto, o depósito a temperaturas elevadas
• Crecimiento de capa por capa – En este modo de crecimiento, las islas se nutren en la superficie hasta alcanzar una densidad isleña crítica. A medida que se añade más material, las islas continúan creciendo hasta que las islas comiencen a encontrarse. Esto se conoce como coalecencia. Una vez alcanzada la coalecencia, la superficie tiene una gran densidad de pozos. Cuando el material adicional se añade a la superficie los átomos difunden en estos pozos para completar la capa. Este proceso se repite para cada capa posterior.
• Crecimiento 3D – Este modo es similar al crecimiento de capa por capa, excepto que una vez que se forme una isla adicional se nutre en la parte superior de la primera isla. Por lo tanto, el crecimiento no persiste en una capa por la moda de capa, y la superficie ruge cada vez que se añade material.

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 YBa₂Cu₃O_{7, un material superconductor de alta temperatura, de calidad superior a la de las películas depositadas con técnicas alternativas. Desde entonces, la técnica de deposición con 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. Se ha demostrado la deposición de óxidos cerámicos, películas de nitruro, películas ferromagnéticas, multicapas metálicas y diversas 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:

• Material de destino
• Energía de pulso del láser
• Tasa de repetición del láser
• Temperatura del sustrato
• Distancia de objetivo a substrato
• Tipo de gas y presión en la cámara (oxigeno, argón, etc.)