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脉冲激光沉积:从实验室研究到规模量产
材料来源:Coherent高意激光           录入时间:2023/3/23 22:45:35

PLD 依靠强大的准分子激光器进行各种薄膜的化学计量生产,从先进电池研究到超导带材的大规模生产。

有许多方法可以用于制造电子、光学和光子应用所需的各种薄膜,例如热蒸发、反应溅射、化学气相沉积等。但近年来,脉冲激光沉积 (PLD) 已成为许多新兴薄膜应用的首选技术之一,从纯实验室研究工具转变为现如今的大规模量产。让我们一起来看看 PLD 的工作原理、主要优势和一些有趣的应用。

在 PLD 中,将一块固体薄材料(称为靶材)放置在真空室内,靠近待沉积薄膜的基板上。然后,根据材料的特性,可以选择工作波长为 193 nm、248 nm 或 308 nm 的高能紫外线准分子脉冲来照射靶材。准分子激光脉冲的高能量密度可产生具有高度电离和高动能的原子种类。这些原子缓慢地沉积在基板上,逐渐形成一层材料薄膜。

化学计量结果

化学计量比是一个化学术语,指的是材料中不同原子的比例。例如,乙烯的化学计量比是指氢和碳的比例为 2:1。当在 PLD 中使用类似石墨的元素靶材(即只含有碳原子),由于没有其他的可能性,薄膜的组成将始终与靶材相同。

但许多重要的新型薄膜拥有相当复杂的化学计量比。比较突出的示例是高温超导体 (HTS) 和钙钛矿材料,它们用于新型光子器件,包括新一代太阳能电池。挑战在于蒸发靶上的材料,并以与原始靶材相同的比例——即以相同的化学计量比沉积到基板上。该过程称为化学计量沉积,而此类薄膜称为化学计量薄膜。

化学计量 PLD 生成与靶材成分相同的薄膜

使用准分子激光器的 PLD 的主要优势之一是,当工艺经过适当优化后,它能生产出优秀的化学计量薄膜。它能在多种材料范围内做到这一点,这对于功能依赖于两种或多种材料交替层的先进设备更为重要。相比之下,其他几种沉积工艺往往难以实现这一点,特别是在材料包含质量和化学性质截然不同的原子混合物时。

合适的准分子激光器

三个激光参数对于成功的 PLD 非常重要,其中成功是指具有均匀厚度和正确化学计量比的高产量高密度薄膜。

首先是高光束均匀性。均匀的光束强度允许在相同的优化能量密度下更大面积的靶材被剥离。光斑热点或弱点可能会影响优化效果,降低薄膜质量和均匀性。出于同样的原因,PLD 需要具有良好脉冲稳定性的准分子激光器。最后,PLD 需要具备高脉冲能量和高功率的准分子,以实现生产线中的工艺批量扩展。

Coherent高意公司的 COMPex 系列准分子激光器是 PLD 应用的领先选择,因为它们满足所有这些要求。这些激光器具有高达 750 mJ 的脉冲能量,功率超过30W,提供出色的脉冲稳定性 (0.75% rms),可确保高能量密度控制。

PLD的应用场景

高温超导带材

多层高温超导 (HTS) 带材包含 PLD 沉积的稀土氧化钡铜 (REBCO) 超导层,是新一代用于聚变、MRI 和粒子加速器的磁体以及具有低损耗特性的电网组件的关键组成部分。只有基于准分子激光的 PLD 被证明能够提供适用于实际工业应用的 HTS 薄膜。

射频压电滤波器

基于压电氮化铝 (AlN) 薄膜的射频 (RF) 滤波器广泛用于移动通信基础设施。5G 和新一代 Wi-Fi 标准依赖具有精确掺杂浓度的更薄、更具压电活性的结晶薄膜。PLD 方法可生产出优质的 RF 薄膜,同时,成本比传统溅射沉积工艺更低。它生产出了具有均匀 RF 特性的高度有序的薄膜,已经准备好迎接 5G 和 6G 时代。

类金刚石薄膜

耐磨且机械稳定的类金刚石薄膜 (DLC) 涂层具有非常低的摩擦系数,是经济高效地使用高应力工具和组件的关键。准分子激光器可在低温 PLD 工艺中沉积无氢 DLC 层,并与准分子激光退火相结合,可确保对多种材料的良好附着力。

薄膜晶圆

薄膜制造广泛应用于各种基于晶圆的市场,例如 MEMS、半导体、光伏、OLED 显示屏和 RF 前端滤波器。成熟PLD工艺可应用于行业标准下的300毫米晶圆,使系统供应商能够扩展他们的能力和薄膜的复杂性/功能,超越了溅射、原子层沉积或化学气相沉积等现有方法。

固态薄膜电池

基于固体电解质的电池有望为不断增长的电动汽车市场提供更远的续航里程和更快的充电能力。PLD 促进了先进的离子导体固态电解质的发展,包括具有可调密度和化学计量比的阳极和阴极材料,以及纳米级薄膜厚度精度。

透明导电氧化物

在各式各样的太阳能电池(如卤化物钙钛矿光伏电池)中,一项主要挑战是,将透明导电电极沉积在敏感的有机层上。基于晶圆的 PLD 能够为无缓冲半透明钙钛矿太阳能电池制造高质量透明电极。

准分子激光器是适用于 PLD 的理想激光器

总之,准分子是适用于 PLD 的理想激光器,可提供高光子能量以支持化学计量薄膜的制造,同时具备高脉冲能量和平均功率以提高工业生产效率。正如这些不同的示例所证明的那样,它可以应用于生产加工极其广泛的薄膜,使其成为当今发展最快的激光应用之一。

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