Deposición láser pulsada
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 golpear un objetivo del material que se va a depositar. Este material se vaporiza desde el objetivo (en una columna de plasma) que lo deposita como una película delgada sobre un sustrato (como una oblea de silicio frente al objetivo). Este proceso puede ocurrir en ultra alto vacío o en presencia de un gas de fondo, como el oxígeno que se usa comúnmente cuando se depositan 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 pulso del láser es absorbido por el objetivo, la energía se convierte primero en excitación electrónica y luego en energía térmica, química y mecánica, lo que resulta en evaporación, ablación , formación de plasma e incluso exfoliación . [1] Las especies expulsadas se expanden en el vacío circundante en forma de un penacho que contiene muchas especies energéticas, incluidos átomos , moléculas , electrones e iones ., racimos, partículas y glóbulos fundidos, antes de depositarse en el sustrato típicamente caliente.
Los mecanismos detallados de PLD son muy complejos, incluido el proceso de ablación del material objetivo por la irradiación láser , el desarrollo de un penacho de plasma con iones de alta energía, electrones y neutros 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. Los métodos más utilizados para modelar el proceso PLD son las técnicas de Monte Carlo . [2]
La ablación del material objetivo tras la irradiación láser y la creación de plasma son procesos muy complejos. La eliminación de átomos del material a granel se realiza por vaporización del material a granel en la región de la superficie en un estado de no equilibrio. En esto, el pulso 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 aplicado 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, la superficie del objetivo se calienta y el material se vaporiza.
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 pluma depende de la presión de fondo dentro de la cámara PLD. La densidad de la pluma se puede describir mediante una ley cos n (x) con una forma similar a una curva de Gauss. La dependencia de la forma de la pluma con la presión se puede describir en tres etapas:
