لایه نشانی با لیزر پالسی یا Pulsed Laser Deposition یکی از انواع لایه نشانی در خلاء به روش فیزیکی(PVD) است. در این روش پرتوی لیزر پالسی توان بالا، بر روی تارگت مورد نظر که در داخل محفظه خلاء قرار دارد فوکوس می شود. ماده هدف در اثر پرتوی لیزر به شکل یک ستون پلاسمایی(Plasma Plume) بخار می شود و به صورت لایه نازک روی زیرلایه می نشیند. این فرایند می تواند در محیط خلاء بالا یا در محیطی با حضور گازهایی مانند اکسیژن انجام شود. معمولا برای لایه نشانی اکسیدها به منظور اکسیژنه کردن کامل لایه نازک نشانده شده، در حین فرایند PLD از گاز اکسیژن استفاده می شود.
در حالی که تجهیزات لازم برای انجام لایه نشانی به این روش(Pulsed Laser Deposition)، تقریبا مشابه با سایر روش های لایه نشانی(مانند اسپاترینگ) است، تعامل فیزیکی بین پرتوی لیزر، ماده هدف و شکل گیری لایه نازک، از پیچیدگی های زیادی برخوردار است. زمانی که پالس لیزر(Pulsed Laser) توسط تارگت جذب می شود، انرژن آن اول به صورت برانگیختگی الکترون ها و سپس به صورت گرمایی، شیمیایی و مکانیکی تبدیل می شود که در نتیجه موجب بخار شدن، فرسایش، تشکیل پلاسما و لایه برداری از ماده هدف می شود. ذرات جدا شده از سطح تارگت به صورت یک ستون(Plume) در محیط خلاء اطراف پراکنده می شوند. این ذرات پر انرژی شامل اتم ها، مولکول ها، یون ها، الکترون ها و ذرات مذاب هستند که روی زیرلایه نشانده می شوند.
مکانیزم دقیق فرایند لایه نشانی با لیزر پالسی(PLD) بسیار پیچیده است از جمله فرایند فرسایش ماده هدف در اثر تابش لیزر، ایجاد ستون پلاسما با یون های پر انرژی، الکترون ها، اتم ها و مولکول های بدون بار و رشد کرستالی لایه نازک روی زیر لایه مورد نظر. به طور کلی فرایند Pulsed Laser Deposition را می توان به چهار بخش تقسیم کرد:
هر کدام از مراحل ذکر شده، تاثیر به سزایی در تبلور، یکنواختی و استوکیومتری لایه نازک ایجاد شده خواهند داشت.
جدا کردن اتم ها از توده ماده، توسط تبخیر در سطح در شرایط عدم تعادل انجام می شود. پالس لیزر به سطح ماده هدف تا یک عمق نفوذ خاص، نفوذ می کند. میزان عمق نفوذ بستگی به طول موج لیزر و ضریب شکست ماده هدف در طول موج لیزر بستگی دارد. برای بیشتر مواد این عمق حدود ۱۰ نانومتر است. میدان الکتریکی قوی ایجاد شده توسط پرتوی لیزر موجب جدا شدن الکترون ها از توده ماده می شود. این فرایند در یک پالس با عرض ۱۰ پیکو ثانیه یا نانو ثانیه، انجام شده و به علت فرایندهای غیر خطی مثل یونیزاسیون چند فوتونی رخ می دهد. این فرایندهای غیر خطی در اثر ترک های میکروسکوپی سطحی، حفره ها و گره ها، افزایش می یابند و باعث افزایش شدت میدان الکتریکی می شوند. الکترون های آزاد در میدان الکترومغناطیسی نور لیزر نوسان کرده و با اتم های توده ماده برخورد می کنند و موجب انتقال انرژی به شبکه اتمی سطح ماده هدف می شوند. در اثر این پدیده ها دمای سطح ماده هدف افزایش می یابد و بخار می شود.
در مرحله دوم، به علت دفع کلمبی و پس زده شدن از سطح ماده هدف، مواد تبخیر شده در پلاسمایی عمود بر سطح ماده هدف به سمت زیرلایه گسترش می یابند. گسترش مکانی ستون پلاسمایی ایجاد شده به فشار محفظه خلاء بستگی دارد. وابستگی شکل ستون پلاسمایی به فشار را می توان در سه مرحله توصیف کرد:
مهم ترین پیامد افزایش فشار پس زمینه، کند شدن گونه های پر انرژی در ستون پلاسمای در حال گسترش است. نشان داده شده است که ذرات با انرژی جنبشی در حدود ۵۰ الکترون ولت می توانند فیلم نشانده شده روی زیرلایه را باز اسپاتر کنند. این امر باعث کم شدن نرخ لایه نشانی و تغییر در استوکیومتری لایه نازک ایجاد شده می شود.
مرحله سوم فرایند Pulsed Laser Deposition در تعیین کیفیت لایه نشانده شده بسیار مهم است. ذرات پر انرژی از ماده هدف خارج می شوند و سطح زیرلایه را بمباران می کنند. این فرایند ممکن است موجب آسیب رساندن به سطح زیرلایه و اسپاتر شدن اتم های سطح آن شود. همچنین ممکن است موجب ایجاد نقص در لایه نشانده شده نیز بشود. ذرات پراکنده شده از زیرلایه و ذرات ساطع شده از ماده هدف، منطقه ی برخوردی را تشکیل می دهند که به عنوان منبع چگالش ذرات عمل می کند. هنگامی که میزان تراکم به اندازه کافی بالا باشد، تعادل حرارتی ایجاد شده و لایه نازک با جریان مستقیم ذرات ماده هدف و تعادل حرارتی به دست آمده بر روی سطح زیرلایه رشد می کند. فرآیند هسته بندی و سینتیک رشد لایه نازک به چندین پارامتر رشد بستگی دارد از جمله:
در طول پالس لیزر در فرایند لایه نشانی با لیزر پالسی یا PLD، سطح زیرلایه اشباع می شود. بسته به ویژگی های لیزر، پالس حدود ۱۰ تا ۴۰ میکرو ثانیه طول می کشد. اشباع شدن سطح باعث چگالی بالای هسته بندی در این روش نسبت به روش اسپاترینگ می شود که در نتیجه منجر به همواری(Smoothness) لایه نشانده شده می شود.
روش لایه نشانی با لیزر پالسی یا PLD فواید قابل توجهی نسبت به سایر روش های لایه نشانی دارد از جمله:
علی رغم این مزیت های مهم، میزان استفاده صنعتی از فرآیند لایه نشانی با لیزر پالسی یا PLD کم بوده و تا به امروز بیشتر برنامه ها محدود به محیط تحقیق بوده اند. اساسا سه دلیل اصلی برای این امر وجود دارد:
با استفاده از تکنیک حرکت نقطه لیزر در سطح ماده هدف با استفاده از Target Manipulator و یا حرکت زیرلایه در هنگام لایه نشانی، تا حدود زیادی دو مشکل اول حل شده است و می توان با روش PLD فیلم هایی با ضخامت و ترکیب یکنواخت لایه نشانی کرد.
دستگاه PLD یا دستگاه لایه نشانی با لیزر پالسی و تبخیر حرارتی، ساخت شرکت پوشش های نانوساختار، مجهز به سیستم Target Manipulator است. این دستگاه قادر است لایه نازک هایی با ترکیب و ضخامت یکنواخت در تمام نواحی زیرلایه ایجاد نماید. همچنین این دستگاه لایه نشانی تحت خلاء قابلیت مجهز شدن به سه منبع تبخیر حرارتی به منظور انجام لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی را نیز دارا می باشد. به منظور کسب اطلاعات بیشتر به سایت شرکت پوشش های نانو ساختار مراجعه نمایید.
