脉冲激光沉积

脉冲激光沉积 (PLD) 是一种物理气相沉积 (PVD) 技术，其中高功率脉冲激光束在真空室内聚焦以撞击待沉积材料的目标。 这种材料从靶上蒸发（在等离子体羽流中），靶上将其沉积为基板（例如面向靶的硅晶片）上的薄膜。 这个过程可以在超高真空或存在背景气体的情况下发生，例如在沉积氧化物时通常使用的氧气以完全氧化沉积的薄膜。

虽然基本设置相对于许多其他沉积技术来说很简单，但激光靶相互作用和薄膜生长的物理现象却相当复杂（请参见下面的过程）。 当激光脉冲被目标吸收时，能量首先转化为电子激发，然后转化为热能、化学能和机械能，导致蒸发、烧蚀、等离子体形成甚至剥落。 喷射出的物质以羽流的形式膨胀到周围的真空中，其中包含许多高能物质，包括原子、分子、电子、离子、团簇、微粒和熔球，然后沉积在通常很热的基板上。

PLD 的详细机制非常复杂，包括激光照射对目标材料的烧蚀过程，具有高能离子、电子和中性粒子的等离子体羽流的发展，以及薄膜本身在加热基板上的晶体生长。 PLD的过程一般可以分为四个阶段：

• 目标表面的激光吸收和目标材料的激光烧蚀以及等离子体的产生
• 血浆动力学
• 烧蚀材料在基板上的沉积
• 衬底表面薄膜的成核和生长

这些步骤中的每一步对于所得薄膜的结晶度、均匀性和化学计量都是至关重要的。 最常用的 PLD 过程建模方法是蒙特卡罗技术。

激光照射时靶材的烧蚀和等离子体的产生是非常复杂的过程。 从块体材料中去除原子是通过在非平衡状态下在表面区域蒸发块体来完成的。 在这种情况下，入射激光脉冲在穿透深度内穿透材料表面。 该尺寸取决于激光波长和目标材料在所应用的激光波长下的折射率，对于大多数材料而言，该尺寸通常在 10 nm 左右。 激光产生的强电场足以从穿透体积的块体材料中去除电子。 该过程发生在 ns 激光脉冲的 10 ps 内，并且是由非线性过程引起的，例如多光子电离，表面的微观裂纹、空隙和结节增强了电场，从而增加了电场。 自由电子在激光的电磁场内振荡，并可以与块体材料的原子碰撞，从而将它们的一些能量转移到表面区域内目标材料的晶格。 然后靶材表面被加热，材料被蒸发。

在第二阶段，由于目标表面的库仑排斥和反冲，材料在平行于目标表面的法向矢量的等离子体中向衬底膨胀。 羽流的空间分布取决于 PLD 室内的背景压力。 羽流的密度可以用形状类似于高斯曲线的 cosn(x) 定律来描述。 羽流形状对压力的依赖性可以分三个阶段来描述：

• 真空阶段，羽流非常狭窄且向前； 背景气体几乎不发生散射。
• 可以观察到高能离子从低能离子分裂的中间区域。 飞行时间 (TOF) 数据可以拟合到冲击波模型中； 然而，其他模型也是可能的。

• 我们发现烧蚀材料更像扩散的膨胀的高压区域。 当然，这种散射也取决于背景气体的质量，并且会影响沉积膜的化学计量。

增加背景压力的最重要后果是在膨胀的等离子体羽流中放慢高能物质的速度。 已经表明，具有大约 50 eV 动能的粒子可以重新溅射已经沉积在基板上的薄膜。 这导致较低的沉积速率并且可以进一步导致膜的化学计量的变化。