PLD se bazează pe lasere cu excimeri puternice pentru producția stoechiometrică a tuturor tipurilor de filme subțiri, de la cercetarea avansată a bateriilor până la producția în volum de bandă supraconductoare.
Există multe modalități de a produce diferite tipuri de filme subțiri pentru aplicații electronice, optice și fotonice, de exemplu, evaporare termică, pulverizare reactivă, depunere chimică de vapori. Dar, în ultimii ani, depunerea cu laser pulsat (PLD) a devenit tehnologia de alegere în multe aplicații emergente cu film subțire, trecând de la un instrument pur de cercetare de laborator pentru a sprijini acum și fabricarea în volum. Să aruncăm o privire la modul în care funcționează PLD, principalele sale avantaje și câteva aplicații interesante.
În PLD, o bucată solidă din materialul subțire – numită țintă – este plasată în interiorul unei camere de vid aproape de substratul pe care urmează să fie depus filmul. Ținta este apoi iradiată de impulsuri de la un excimer ultraviolet de înaltă energie care funcționează fie la 193 nm 248 nm, fie la 308 nm, în funcție de specificul materialului. Fluența mare a impulsurilor laser excimer generează specii atomice cu un grad ridicat de ionizare și energie cinetică ridicată. Acești atomi se depun pe substrat formând încet o peliculă de material.
REZULTATE STOICHIOMETRICE
Stoichiometria este un termen de chimie care se referă la raportul dintre diferiți atomi dintr-un material. De exemplu, stoichiometria etilenei este hidrogen și carbon în raport de 2:1. Când un material țintă elementar precum grafitul (adică numai atomi de carbon) este utilizat în PLD, filmul va avea întotdeauna aceeași compoziție ca ținta, deoarece nu există altă posibilitate.
Dar multe tipuri importante de filme noi au stoichiometrii destul de complexe. Exemple remarcabile sunt supraconductorii de înaltă temperatură (HTS) și materialele perovskite utilizate în dispozitive fotonice noi, inclusiv solare de generația următoare. Provocarea este de a vaporiza materialul la țintă și de a depune toți atomii pe substrat în aceleași rapoarte – aceeași stoichiometrie – ca în forma țintă inițială. Procesul este denumit apoi depunere stoichiometrică, iar filmele sunt numite filme stoichiometrice.
Figura 2. PLD stoichiometric creeaza straturi subtiri cu aceeasi compozitie ca si tinta.
Unul dintre avantajele cheie ale PLD cu lasere cu excimeri este capacitatea sa de a produce filme extrem de stoichiometrice atunci când procesul este optimizat corespunzător. Capacitatea sa de a face acest lucru cu o gamă largă de materiale este și mai importantă în dispozitivele avansate a căror funcție depinde de straturi alternative de două sau mai multe materiale. În schimb, mai multe alte procese de depunere se luptă adesea în acest sens, în special acolo unde materialele conțin un amestec de atomi cu mase și proprietăți chimice foarte diferite.
LASERUL CU EXCIMERI POTRIVIT
Trei parametri laser sunt destul de importanți pentru succesul PLD, unde succesul este definit de randamente mari de filme de înaltă densitate cu grosime uniformă și stoichiometrie corectă.
Prima este uniformitatea fasciculului mare. O intensitate uniformă a fasciculului permite ablația unei zone mai mari a țintei, toate cu aceeași fluență optimizată. Punctele fierbinți ale fasciculului sau punctele slabe pot compromite această optimizare și pot diminua calitatea și uniformitatea filmului. Din același motiv, PLD are nevoie de un laser excimer cu o bună stabilitate puls la puls. Și, în sfârșit, PLD are nevoie de un excimer cu energie puls mare și putere mare pentru a permite scalarea volumului procesului în liniile de producție.
Seria de excimeri Coherent COMPex este alegerea principală pentru aplicațiile PLD, deoarece îndeplinesc toate aceste cerințe. Cu energii de puls de până la 750 mJ și peste 30 de wați de putere, aceste lasere oferă o stabilitate inegalabilă a pulsului de 0,75%, rms pentru a asigura un control ridicat al fluentei.
UNDE ESTE FOLOSIT PLD?
Benzi supraconductoare de înaltă temperatură
Benzile multistrat supraconductoare la temperatură înaltă (HTS) care conțin un strat supraconductor depus în PLD de oxid de cupru de bariu (REBCO) sunt ingredientul cheie pentru o nouă generație de magneți pentru fuziune, RMN și acceleratoare de particule, precum și componente ale rețelei electrice cu pierdere redusă. Doar PLD pe bază de laser excimer sa dovedit capabil să furnizeze filme HTS aplicabile aplicațiilor industriale din lumea reală.
Filtre piezofrecvențe radio
Filtrele de radiofrecvență (RF) bazate pe nitrură de aluminiu piezoelectrică (AlN) sunt utilizate pe scară largă pentru infrastructura de comunicații mobile. Standardele 5G și Wi-Fi de nouă generație depind de filme subțiri cristaline mai subțiri și mai piezo-active, cu o concentrație precisă de dopant. Metoda PLD produce pelicule subțiri RF superioare la costuri chiar mai mici decât procesul de depunere prin pulverizare prin pulverizare. Creează filme subțiri foarte ordonate, cu caracteristici RF omogene, pregătite pentru era 5G și 6G.
Strat de carbon asemănător cu diamant
Acoperirile de carbon asemănător diamantului (DLC) rezistente la uzură și stabile mecanic, cu coeficient de frecare extrem de scăzut, sunt cheia pentru utilizarea eficientă din punct de vedere al costurilor a sculelor și componentelor foarte solicitate. Laserele excimer depun straturi DLC fără hidrogen într-un proces PLD la temperatură joasă și asigură o aderență foarte bună la o gamă largă de materiale atunci când sunt combinate cu recoacere cu laser cu excimer.
Wafere pentru straturi subtiri
Producția de film subțire este aplicată pe o mare varietate de piețe bazate pe wafer, cum ar fi MEMS, semiconductori, fotovoltaice, afișaje OLED și filtre front-end RF. Procesele mature PLD pe plachete industriale cu dimensiuni de până la 300 mm le permit furnizorilor de sisteme să-și extindă capacitățile și complexitățile/funcționalitățile filmului dincolo de metodele existente, cum ar fi pulverizarea, depunerea stratului atomic sau depunerea de vapori chimici.
Baterii cu film subțire in stare solidă
Bateriile bazate pe electroliți solizi promit o gamă extinsă plus capacitate de încărcare rapidă pentru piața în creștere a mobilității electrice. PLD permite creșterea electroliților solizi conducători de ioni de ultimă oră, inclusiv materiale anodice și catodice, cu densitate și stoichiometrie reglabile, precum și o precizie a grosimii în intervalul nanometric.
Oxizi transparenti conductivi
În diferite tipuri de celule solare, cum ar fi celulele fotovoltaice perovskite cu halogenuri, o provocare majoră este depunerea electrodului conductor transparent deasupra straturilor organice sensibile. PLD pe bază de plachetă permite fabricarea de electrozi transparenți de înaltă calitate pentru celule solare perovskite semi-transparente fără tampon.
Laserul cu excimer – Laserul optim pentru PLD
În concluzie, excimerul este un laser ideal pentru PLD, furnizând energie fotonică ridicată pentru a sprijini crearea filmului stoechiometric și energia pulsului mare și puterea medie pentru a permite rate de producție industrială. Și așa cum demonstrează acestea foarte diferite
