Laserstrahlverdampfen

Unter Laserstrahlverdampfen (engl. pulsed laser deposition, PLD) ist ein PVD-Verfahren. Man versteht darunter die Abscheidung von Schichten durch Laserablation. Hierzu werden sowohl der abzuscheidende Schichtwerkstoff (Target) als auch die Unterlage, auf der die Schicht abgeschieden werden soll (Substrat) in einem Vakuumbehälter (Rezipient) platziert.

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Verfahren

Das Material des Targets wird mit großer Intensität der Laserstrahlung beleuchtet (~100 MW/cm²) und dabei verdampft. Das abgetragene Material wechselwirkt mit der Laserstrahlung und wird dabei ionisiert und beschleunigt (10-100 eV/Ion). In einem Prozessgas expandiert das abgetragene Material und wird dadurch verzögert, chemische Reaktionen in der Gasphase sind möglich. Anschließend bilden die Teilchen des Plasmas die Schicht auf dem Substrat. Für kristalline Schichten wird das Substrat beheizt, um Diffusionsprozesse zu ermöglichen und damit einen Einbau der Teilchen in den Kristall zu gewährleisten. Unter Verwendung großer Prozessgasdrücke (>1 mbar) ist in der Gasphase die Kondensation des Materialdampfes zu Clustern möglich.

Besonders gute Ergebnisse erreicht man mit UV-Lasern (Excimerlaser), da deren Strahlung eine hohe Photonenenergie besitzt, welche von einer Vielzahl von Materialien absorbiert wird, da sie oberhalb der Plasmafrequenz liegt. Weitere gepulste Laser für PLD sind transversal angeregte CO₂-Laser, gütegeschaltete Nd:YAG-Laser und zunehmend auch femtosekunden gepulste Laser.

Vorteile

• Ein Vorteil des Verfahrens gegenüber anderen Abscheidungsverfahren liegt darin, dass man über die Anzahl der Laser-Pulse genau die Menge festlegen kann, die auf dem Substrat abgeschieden werden kann. Damit immer gleich viel Material vom Target abgtragen wird, wird das Target nach jedem Laserpuls ein kleines Stück verrückt, sonst schlägt der Laser immer in der selben Stelle ein.
• Ein weiter Vorteil ist, dass man auch komplizierte (stöchiometrische) Zusammensetzungen von Elementen exakt übertragen kann, bei anderen Verfahren wird oft die Zusammensetzung der Elemente beim übertragen verändert, so dass man auf dem Substrat nicht genau die selben chemischen Verbindungen hat wie am Target.
• Einfache Herstellung von vielschichtigen Lagen (multilayers)
• Gleichzeitige Herstellung von Qualitativ hochwertigen Schichten verschiedener Materialklassen wie Keramiken, Metallen, Halbleitern und einiger Polymere

Nachteile

• langsamere Abscheidung als bei anderen PVD-Verfahren wie zum Beispiel Elektronenstrahlverdampfen
• Tröpfchenbildung auf Substrat möglich
• Cluster sind oft unerwünscht
• keine großen Flächen möglich im Gegensatz zum Sputtern
• vergleichsweise teuer

Anwendungsgebiete

Das PLD-Verfahren wird in der Materialwissenschaft eingesetzt, um neuartige Werkstoffe mit vielen Komponenten (Keramiken, beispielsweise der Hochtemperatursupraleiter YBaCuO) oder in besonderen metastabilen Strukturen (beispielsweise amorphen diamantähnlichen Kohlenstoff, Diamond-like carbon, DLC) oder spezielle ferromagnetische Funktionsschichten (AMR-, GMR- oder GMI-Schichten) herzustellen.