脈沖激光沉積： 從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)

PLD 依靠強(qiáng)大的準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行各種薄膜的化學(xué)計(jì)量生產(chǎn)，從高級(jí)電池研究到超導(dǎo)帶材的批量生產(chǎn)。

有許多方法可以生產(chǎn)用于電子、光學(xué)和光子應(yīng)用的各種類型的薄膜，例如熱蒸發(fā)、反應(yīng)濺射、化學(xué)氣相沉積。 但近年來(lái)，脈沖激光沉積 (PLD) 已成為許多新興薄膜應(yīng)用的首選技術(shù)，從純粹的實(shí)驗(yàn)室研究工具過(guò)渡到支持現(xiàn)如今的批量制造。 讓我們一起來(lái)看看 PLD 的工作原理、主要優(yōu)點(diǎn)和一些有趣的應(yīng)用。

在 PLD 中，將一塊固體薄材料(稱為靶材)放置在真空室內(nèi)，靠近要沉積薄膜的基板。 然后，根據(jù)材料的特性，可以選擇工作波長(zhǎng)為 193 nm、248 nm 或 308 nm 的高能紫外線準(zhǔn)分子脈沖來(lái)照射靶材。 準(zhǔn)分子激光脈沖的高通量可產(chǎn)生具有高度電離和高動(dòng)能的原子種類。 這些原子沉積在基板上，慢慢地形成一層材料膜。

化學(xué)計(jì)量結(jié)果

化學(xué)計(jì)量是一個(gè)化學(xué)術(shù)語(yǔ)，指的是材料中不同原子的比例。 例如，乙烯的化學(xué)計(jì)量是指氫和碳的比例為 2:1。 當(dāng)在 PLD 中使用像石墨(即只有碳原子)這樣的元素靶材時(shí)，薄膜將始終具有與靶材相同的成分，因?yàn)闆](méi)有其他可能性。

但是許多重要的新型薄膜擁有相當(dāng)復(fù)雜的化學(xué)計(jì)量。 比較突出的示例包括用于新型光子器件(包括新一代太陽(yáng)能)的高溫超導(dǎo)體 (HTS) 和鈣鈦礦材料。 挑戰(zhàn)在于蒸發(fā)靶上的材料并將所有原子以與原始靶形式相同的比例(相同的化學(xué)計(jì)量)沉積到基板上。 該過(guò)程稱為化學(xué)計(jì)量沉積，而此類薄膜稱為化學(xué)計(jì)量薄膜。

圖 2. 化學(xué)計(jì)量 PLD 生成與靶材成分相同的薄膜。

使用準(zhǔn)分子激光器的 PLD 的主要優(yōu)勢(shì)之一是，當(dāng)工藝經(jīng)過(guò)適當(dāng)優(yōu)化后，它能夠生產(chǎn)出優(yōu)秀的化學(xué)計(jì)量薄膜。 它能夠使用多種材料做到這一點(diǎn)，這對(duì)于功能取決于兩種或多種材料的交互層的先進(jìn)設(shè)備更為重要。 相比之下，其他幾種沉積工藝往往難以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，特別是在材料包含質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)截然不同的原子混合物的情況下。

合適的準(zhǔn)分子激光器

三個(gè)激光參數(shù)對(duì)于成功的 PLD 非常重要，其中成功是指具有均勻厚度和正確化學(xué)計(jì)量的高產(chǎn)量高密度薄膜。

首先是高光束均勻性。 均勻的光束強(qiáng)度允許在相同的優(yōu)化通量下燒蝕更大的靶材區(qū)域。 光束熱點(diǎn)或弱點(diǎn)可能會(huì)影響這種優(yōu)化并降低薄膜質(zhì)量和均勻性。 出于同樣的原因，PLD 需要具有良好脈沖間穩(wěn)定性的準(zhǔn)分子激光器。 最后，PLD 需要具有高脈沖能量和高功率的準(zhǔn)分子，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線中的工藝批量擴(kuò)展。

Coherent 公司 COMPex 系列準(zhǔn)分子是 PLD 應(yīng)用的優(yōu)先選擇，因?yàn)樗鼈儩M足所有這些要求。 這些激光器具有高達(dá) 750 mJ 的脈沖能量和超過(guò) 30 瓦的功率，提供出色的脈沖穩(wěn)定性 (0.75% rms)，可確保高通量控制。

PLD 的應(yīng)用場(chǎng)景

高溫超導(dǎo)帶材

多層高溫超導(dǎo) (HTS) 帶材包含 PLD 沉積的稀土氧化鋇銅 (REBCO) 超導(dǎo)層，是用于聚變、MRI 和粒子加速器的新一代磁體以及具有低損耗特性的電網(wǎng)組件的關(guān)鍵原料。 只有基于準(zhǔn)分子激光的 PLD 被證明能夠提供適用于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的 HTS 薄膜。

射頻壓電濾波器

基于壓電氮化鋁 (AlN) 薄膜的射頻 (RF) 濾波器廣泛用于移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施。 5G 和新一代 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)依賴具有精確摻雜濃度的更薄、更具壓電活性的結(jié)晶薄膜。 PLD 方法可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的 RF 薄膜，同時(shí)，成本比傳統(tǒng)濺射沉積工藝更低。 它生產(chǎn)出了具有均勻 RF 特性的高度有序的薄膜，為 5G 和 6G 時(shí)代做好準(zhǔn)備。

類金剛石碳層

耐磨且機(jī)械穩(wěn)定的類金剛石碳 (DLC) 涂層具有極低的摩擦系數(shù)，是經(jīng)濟(jì)高效地使用高應(yīng)力工具和組件的關(guān)鍵。 準(zhǔn)分子激光器可在低溫 PLD 工藝中沉積無(wú)氫 DLC 層，在與準(zhǔn)分子激光退火結(jié)合使用時(shí)，可確保對(duì)多種材料的良好附著力。

薄膜晶圓

薄膜制造廣泛應(yīng)用于各種晶圓市場(chǎng)，例如 MEMS、半導(dǎo)體、光伏、OLED 顯示屏和 RF 前端濾波器。 工業(yè)晶圓尺寸高達(dá) 300 mm 的成熟 PLD 工藝使系統(tǒng)供應(yīng)商能夠擴(kuò)展他們的能力和薄膜復(fù)雜性/功能，超越了濺射、原子層沉積或化學(xué)氣相沉積等現(xiàn)有方法。

固態(tài)薄膜電池

基于固體電解質(zhì)的電池有望為不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車市場(chǎng)提供更遠(yuǎn)的續(xù)航里程和更快的充電能力。 PLD 促進(jìn)了先進(jìn)的離子導(dǎo)電性固體電解質(zhì)的發(fā)展，包括陽(yáng)極和陰極材料，這些材料均具有可調(diào)節(jié)密度和化學(xué)計(jì)量以及納米級(jí)厚度精度。

透明導(dǎo)電氧化物

在各式各樣的太陽(yáng)能電池(如鹵化物鈣鈦礦光伏電池)中，一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)是，將透明導(dǎo)電電極沉積在敏感的有機(jī)層上。 基于晶圓的 PLD 能夠?yàn)闊o(wú)緩沖半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制造高質(zhì)量透明電極。

準(zhǔn)分子激光器是適用于 PLD 的理想激光器

總之，準(zhǔn)分子是適用于 PLD 的理想激光器，可提供高光子能量以支持化學(xué)計(jì)量薄膜的生成，并能提供高脈沖能量和平均功率以提高工業(yè)生產(chǎn)率。 正如這些截然不同的示例所證明的那樣，它可以應(yīng)用于極其廣泛的薄膜，使其成為當(dāng)今發(fā)展超快的激光應(yīng)用之一。

審核編輯 黃宇