Pulsed Laser Deposition Shematic
Pulsed Laser Deposition Shematic

لایه نشانی با لیزر پالسی – Pulsed Laser Deposition

لایه نشانی با لیزر پالسی یا Pulsed Laser Deposition یکی از انواع لایه نشانی در خلاء به روش فیزیکی(PVD) است. در این روش پرتوی لیزر پالسی توان بالا، بر روی تارگت مورد نظر که در داخل محفظه خلاء قرار دارد فوکوس می شود. ماده هدف در اثر پرتوی لیزر به شکل یک ستون پلاسمایی(Plasma Plume) بخار می شود و به صورت لایه نازک روی زیرلایه می نشیند. این فرایند می تواند در محیط خلاء بالا یا در محیطی با حضور گازهایی مانند اکسیژن انجام شود. معمولا برای لایه نشانی اکسیدها به منظور اکسیژنه کردن کامل لایه نازک نشانده شده، در حین فرایند PLD از گاز اکسیژن استفاده می شود. شکل ۱، مکانیزم کار PLD را نشان می دهد.

در حالی که تجهیزات لازم برای انجام لایه نشانی به این روش(Pulsed Laser Deposition)، تقریبا مشابه با سایر روش های لایه نشانی(مانند اسپاترینگ) است، تعامل فیزیکی بین پرتوی لیزر، ماده هدف و شکل گیری لایه نازک، از پیچیدگی های زیادی برخوردار است. زمانی که پالس لیزر(Pulsed Laser) توسط تارگت جذب می شود، انرژن آن اول به صورت برانگیختگی الکترون ها و سپس به صورت گرمایی، شیمیایی و مکانیکی تبدیل می شود که در نتیجه موجب بخار شدن، فرسایش، تشکیل پلاسما و لایه برداری از ماده هدف می شود. ذرات جدا شده از سطح تارگت به صورت یک ستون(Plume) در محیط خلاء اطراف پراکنده می شوند. این ذرات پر انرژی شامل اتم ها، مولکول ها، یون ها، الکترون ها و ذرات مذاب هستند که روی زیرلایه نشانده می شوند.

Pulsed Laser Deposition Shematic

شکل ۱: شماتیک دستگاه PLD

مکانیزم دقیق فرایند لایه نشانی با لیزر پالسی(PLD) بسیار پیچیده است از جمله فرایند فرسایش ماده هدف در اثر تابش لیزر، ایجاد ستون پلاسما با یون های پر انرژی، الکترون ها، اتم ها و مولکول های بدون بار و رشد کرستالی لایه نازک روی زیر لایه مورد نظر. به طور کلی فرایند Pulsed Laser Deposition را می توان به چهار بخش تقسیم کرد:

  • جذب لیزر در سطح ماده هدف، فرسایش آن و شکل گیری پلاسما
  • دینامیک مربوط به پلاسما
  • لایه نشانی مواد جدا شده از تارگت روی زیرلایه
  • هسته بندی و رشد لایه نازک روی سطح زیرلایه

هر کدام از مراحل ذکر شده، تاثیر به سزایی در تبلور، یکنواختی و استوکیومتری لایه نازک ایجاد شده خواهند داشت. شکل ۲ شماتیک تشکیل ستون پلاسمایی را نشان می دهد.

مراحل لایه نشانی با لیزر پالسی

شکل ۲: مراحل مختلف PLD

جدا کردن اتم ها از توده ماده، توسط تبخیر در سطح در شرایط عدم تعادل انجام می شود. پالس لیزر به سطح ماده هدف تا یک عمق نفوذ خاص، نفوذ می کند. میزان عمق نفوذ بستگی به طول موج لیزر و ضریب شکست ماده هدف در طول موج لیزر بستگی دارد. برای بیشتر مواد این عمق حدود ۱۰ نانومتر است. میدان الکتریکی قوی ایجاد شده توسط پرتوی لیزر موجب جدا شدن الکترون ها از توده ماده می شود. این فرایند در یک پالس با عرض ۱۰ پیکو ثانیه یا نانو ثانیه، انجام شده و به علت فرایندهای غیر خطی مثل یونیزاسیون چند فوتونی رخ می دهد. این فرایندهای غیر خطی در اثر ترک های میکروسکوپی سطحی، حفره ها و گره ها، افزایش می یابند و باعث افزایش شدت میدان الکتریکی می شوند. الکترون های آزاد در میدان الکترومغناطیسی نور لیزر نوسان کرده و با اتم های توده ماده برخورد می کنند و موجب انتقال انرژی به شبکه اتمی سطح ماده هدف می شوند. در اثر این پدیده ها دمای سطح ماده هدف افزایش می یابد و بخار می شود.

در مرحله دوم، به علت دفع کلمبی و پس زده شدن از سطح ماده هدف، مواد تبخیر شده در پلاسمایی عمود بر سطح ماده هدف به سمت زیرلایه گسترش می یابند. گسترش مکانی ستون پلاسمایی ایجاد شده به فشار محفظه خلاء بستگی دارد. وابستگی شکل ستون پلاسمایی به فشار را می توان در سه مرحله توصیف کرد:

  • مرحله خلاء، جایی که ستون پلاسمایی بسیار باریک و رو به جلو است. تقریبا هیچ پراکندگی با گازهای پس زمینه رخ نمی دهد.
  • ناحیه میانی که در آن می توان جدایی یون های پرانرژی از گونه های کم انرژی را مشاهده کرد.
  • ناحیه پر فشار که مواد جدا شده از سطح ماده هدف در آن پراکنده هستند. طبیعتاً این پراکندگی نیز به جرم گاز پس زمینه بستگی دارد و می تواند بر استوکیومتری فیلم نشانده شده تأثیر بگذارد.

مهم ترین پیامد افزایش فشار پس زمینه، کند شدن گونه های پر انرژی در ستون پلاسمای در حال گسترش است. نشان داده شده است که ذرات با انرژی جنبشی در حدود ۵۰ الکترون ولت می توانند فیلم نشانده شده روی زیرلایه را باز اسپاتر کنند. این امر باعث کم شدن نرخ لایه نشانی و تغییر در استوکیومتری لایه نازک ایجاد شده می شود.

مرحله سوم فرایند Pulsed Laser Deposition در تعیین کیفیت لایه نشانده شده بسیار مهم است. ذرات پر انرژی از ماده هدف خارج می شوند و سطح زیرلایه را بمباران می کنند. این فرایند ممکن است موجب آسیب رساندن به سطح زیرلایه و اسپاتر شدن اتم های سطح آن شود. همچنین ممکن است موجب ایجاد نقص در لایه نشانده شده نیز بشود. ذرات پراکنده شده از زیرلایه و ذرات ساطع شده از ماده هدف، منطقه ی برخوردی را تشکیل می دهند که به عنوان منبع چگالش ذرات عمل می کند. هنگامی که میزان تراکم به اندازه کافی بالا باشد، تعادل حرارتی ایجاد شده و لایه نازک با جریان مستقیم ذرات ماده هدف و تعادل حرارتی به دست آمده بر روی سطح زیرلایه رشد می کند. فرآیند هسته بندی و سینتیک رشد لایه نازک به چندین پارامتر رشد بستگی دارد از جمله:

  • پارامترهای لیزر: فاکتورهایی مثل فلوئنس لیزر(Joule/cm۲)، انرژی لیزر و درجه یونیزاسیون مواد جدا شده از سطح ماده هدف در کیفیت فیلم، استوکیومتری و نرخ لایه نشانی مؤثر هستند.
  • دمای سطح: دمای سطح تاثیر زیادی در چگالی هسته بندی دارد. به طور کلی چگالی هسته بندی با افزایش دما کاهش می یابد. گرم شدن سطح می تواند در اثر استفاده از لیزر Co۲ باشد.
  • سطح زیرلایه: هسته بندی و رشد با آماده سازی سطح تحت تاثیر قرار می گیرد. زبری سطح در اثر فرایندهایی مثل زدودن(Etching) تاثیر نامناسبی روی فرایند دارد.
  • فشار پس زمینه: معمولا در لایه نشانی اکسیدها برای اطمینان از استوکیومتری مناسب لایه نازک رشد داده شده، اکسیژن به عنوان گاز پس زمینه استفاده می شود. در صورتی که فشار اکسیژن موجود در محفظه کم باشد، هسته بندی، استوکیومتری و کیفیت لایه نازک ایجاد شده تحت تاثیر قرار خواهد گرفت.

در طول پالس لیزر در فرایند لایه نشانی با لیزر پالسی یا PLD، سطح زیرلایه اشباع می شود. بسته به ویژگی های لیزر، پالس حدود ۱۰ تا ۴۰ میکرو ثانیه طول می کشد. اشباع شدن سطح باعث چگالی بالای هسته بندی در این روش نسبت به روش اسپاترینگ می شود که در نتیجه منجر به همواری(Smoothness) لایه نشانده شده می شود.

روش لایه نشانی با لیزر پالسی یا PLD فواید قابل توجهی نسبت به سایر روش های لایه نشانی دارد از جمله:

  • قابلیت انتقال استوکیومتری مواد از تارگت به زیرلایه، یعنی ترکیب دقیق شیمیایی یک ماده پیچیده مانند YBCO، می تواند در فیلم لایه نشانی شده تولید مثل شود.
  • نرخ لایه نشانی نسبتا بالایی دارد(معمولا ۱۰۰ آنگستروم در دقیقه). همچنین ضخامت لایه نازک ایجاد شده می تواند به صورت همزمان با لایه نشانی فقط با روشن و خاموش کردن لیزر کنترل شود.
  • این واقعیت که یک لیزر به عنوان منبع انرژی خارجی استفاده می شود منجر به یک فرآیند بسیار تمیز و بدون فیلامان گرمایی می شود.

علی رغم این مزیت های مهم، میزان استفاده صنعتی از فرآیند لایه نشانی با لیزر پالسی یا PLD کم بوده و تا به امروز بیشتر برنامه ها محدود به محیط تحقیق بوده اند. اساسا سه دلیل اصلی برای این امر وجود دارد:

  • ستون پلاسمایی ایجاد شده از مواد جدا شده از سطح تارگت توسط پرتوی لیزر، در جهت رو به جلو است در نتیجه ضخامت ذرات جمع شده روی زیرلایه غیر یکنواخت است و ترکیب لایه نازک ایجاد شده ممکن است در عرض آن و با دور شدن از مرکز تجمع ذرات، یکسان نباشد. مساحت لایه نشانی شده هم در نتیجه کوچک خواهد بود(تقریبا ۱ سانتی متر مربع).
  • ستون پلاسمایی ایجاد شده شامل ذرات مذاب با قطر متوسط ۱۰ میکرومتر نیز است. رسیدن این ذرات به زیرلایه موجب افت کیفیت لایه نازک خواهد شد.
  • فرآیندهای اساسی، که در پلاسمای تولید شده توسط لیزر اتفاق می افتد، کاملا شناخته نشده اند. در نتیجه لایه نشانی مواد جدید معمولا شامل یک دوره بهینه سازی تجربی پارامترهای لایه نشانی است.

با استفاده از تکنیک حرکت نقطه لیزر در سطح  ماده هدف با استفاده از Target Manipulator و یا حرکت زیرلایه در هنگام لایه نشانی، تا حدود زیادی دو مشکل اول حل شده است و می توان با روش PLD فیلم هایی با ضخامت و ترکیب یکنواخت لایه نشانی کرد.

دستگاه PLD یا دستگاه لایه نشانی با لیزر پالسی و تبخیر حرارتی، ساخت شرکت پوشش های نانوساختار، مجهز به سیستم Target Manipulator است. این دستگاه قادر است لایه نازک هایی با ترکیب و ضخامت یکنواخت در تمام نواحی زیرلایه ایجاد نماید. همچنین این دستگاه لایه نشانی تحت خلاء قابلیت مجهز شدن به سه منبع تبخیر حرارتی به منظور انجام لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی را نیز دارا می باشد. به منظور کسب اطلاعات بیشتر به سایت شرکت پوشش های نانو ساختار مراجعه نمایید.

PLD full face

دستگاه PLD ساخت شرکت پوشش های نانوساختار

منابع