Лазерная абляция (PLD)

Технология лазерной абляции (англ. Pulsed Laser Deposition, PLD) является эффективным способом испарения материала мишени с сохранением стехиометрии. Осаждение происходит при низких температурах подложки, однако сам процесс может создавать локальные высокие температуры.

Наиболее частая область применения – исследовательские проекты. Метод позволяет наносить нитридные, оксидные, полимерные и композитные покрытия. Кроме того, технология позволяет получать наноструктуры, такие как суперрешётки, квантовые точки, нанотрубки и нанопорошки.

Оглавление

• Физические основы процесса
• Ключевые аспекты технологии
• Выбор длины волны лазерного излучения
• Лазерная абляция с оборудованием "АкадемВак"

Физические основы процесса

В PLD-методе главным технологическим элементом является высокоэнергетический импульсный лазер. Испаряемый материал представляет собой мишень (часто в виде диска), помещённую в вакуумную камеру. Напротив мишени располагают подложку, которая при необходимости может дополнительно нагреваться. Лазерный луч, попадая внутрь вакуумной камеры через специальное окно, фокусируется на мишени. При этом создаётся плазменный поток (факел), который достигает подложки и осаждается на ней, образуя требуемое покрытие.

Процесс образования покрытия можно разбить на несколько этапов:

1. Взаимодействие лазерного излучения с веществом.
2. Лазерный импульс создает плазменную струю, состоящую из ионов, атомов и молекул.
3. Конденсация ионов, атомов молекул на подложке, рост и формирование покрытия.

На первом этапе короткий и мощный лазерный импульс возбуждает электроны в поверхностном слое мишени. Энергия электронов передаётся частицам (атомам, молекулам) и переходит в тепловую, механическую или химическую. За счёт высоких энергий поток частиц, включающий атомы, молекулы, ионы и электроны, отрывается от поверхности.

Далее наступает второй этап, где, согласно законам газовой динамики, частицы начинают движение в сторону подложки и создают плазменный факел. Затем высокоэнергетические частицы плазмы достигают поверхности подложки. Формирование покрытия зависит от таких факторов как плотность плазмы, степень ионизации, температура и свойства подложки.

Ключевые аспекты технологии

• Температура подложки влияет на формирование плёнки. Правильный подбор скорости напыления и температуры подложки позволяет контролировать кристаллическую структуру и формировать нанотехнологические комплексы с кластерной компоновкой.
• Для техпроцесса, в отличие от классического PVD-напыления, требуется более глубокий вакуум для обеспечения чистоты и качества осаждаемых покрытий.
• В различных PLD-системах используются лазеры с различными длинами волн. Часто используются лазеры дальнего инфракрасного диапазона (CO₂-лазеры, 10,6 микрон), ближнего инфракрасного диапазона (Nd-YAG-лазеры, 1064 нм), ультрафиолетовые эксимерные лазеры (XeCl - 308 нм, KrF - 248 нм, ArF - 193 нм, F2 - 157 нм).
• Кроме длины волны, на свойства плёнки влияют такие параметры лазера, как энергия и продолжительность импульса, частота повторения импульсов и плотность потока энергии.
• Длина импульса лазерного излучения обычно составляет от десятков пикосекунд до нескольких наносекунд.
• Так как при применении метода PLD сохраняется стехиометрия мишени, то наряду с простыми материалами (алюминий, кобальт, никель, цинк…) можно использовать мишени сложных соединений. К ним относятся YBa₂Cu₃O₇ (YBCO), Y₃Fe₅O₁₂ (YIG), галлат цинка (ZnGa₂O₄), титанат стронция (SrTiO₃), феррит бария (BaFeO₃), ванадат висмута (BiVO₄) и др.
• Возможность использовать меньший размер мишеней по сравнению с другими PVD-методами.
• Можно создавать многослойные покрытия, поочерёдно используя мишени из различных материалов.
• Многокомпонентные покрытия могут быть получены за счёт контролируемого положения лазерного луча. Таким образом можно распылять разные части составной мишени, состоящей из различных материалов.
• Возможно использование нескольких лазеров и мишеней одновременно. При этом плазменные факелы от различных источников смешиваются на подложке, позволяя получать более сложные покрытия.
• Отмеряя количество лазерных импульсов, можно контролировать толщину плёнки вплоть до атомного слоя.
• PLD позволяет осаждать покрытия при низких температурах подложки, что делает этот метод подходящим для работы с хрупкими материалами по сравнению с другими методами.
• PLD-метод может быть совмещён с магнетронным напылением. В этом случае лазерный луч, направленный на магнетронную мишень, помогает поддерживать магнетронный разряд, и процесс может быть проведён при более низких давлениях. Это помогает добиться высоких скоростей осаждения. Таким методом можно напылять кластерные структуры.

Выбор длины волны лазерного излучения

Важным фактором, влияющим на свойства плазменного факела, является длина волны используемого излучения. Лазер должен проникать в материал мишени на определённую глубину. Глубина проникновения зависит от длины волны излучения и показателя преломления мишени. В большинстве случаев параметры подбирают таким образом, чтобы глубина проникновения составляла около 10 нм.

Кроме указанных параметров, стоит учитывать эксплуатационные свойства лазеров. Так, эксимерные ультрафиолетовые лазеры обеспечивают высокую выходную мощность и работают стабильно, однако довольно громоздки. В свою очередь твердотельные Nd-YAG-лазеры просты в обслуживании и относительно компактны.

Некоторые области применения PLD-технологии с эксимерными лазерами:

• Изготовление пленок из редкоземельных металлов на основе оксида бария и меди для многослойных высокотемпературных сверхпроводниковых лент
• Создание безводородных алмазоподобных углеродных слоев с высокой адгезией к широкому спектру материалов
• Возможность осаждения тонких пленок нитрида алюминия, легированного скандием, для СВЧ-фильтров
• Производство тонких кристаллических пленок на больших пластинах (до 300 мм) для использования в микро- и наноэлектронике

Лазерная абляция с оборудованием от «АкадемВак»

Компания «АкадемВак» разрабатывает и производит установки для лазерной абляции, предназначенные для получения тонкоплёночных покрытий с высокой точностью и чистотой. Наше оборудование используется в научно-исследовательских проектах и технологических лабораториях, где требуется контролируемое осаждение сложных материалов и высокая энергия частиц.

Серия установок ACADEMVAC-PLD обеспечивает стабильность процессов, воспроизводимость параметров и возможность тонкой настройки толщины покрытия за счёт контроля количества лазерных импульсов. В конструкции применяются полностью безмасляные системы вакуумной откачки (турбомолекулярный и форвакуумный спиральный насосы), что позволяет поддерживать чистоту процесса и снижать риск загрязнений. Размеры камер подбираются под задачи заказчика, а конфигурация лазера и систем управления адаптируется под конкретные материалы и режимы работы.

Компания «АкадемВак» предлагает комплексные решения, включая разработку индивидуальной конфигурации, подбор вакуумных компонентов и интеграцию системы управления. Свяжитесь с нами, чтобы получить технико-коммерческое предложение и рекомендации по выбору установки PLD под ваши задачи.