19 Mai Pulsed Laser Deposition mit Excimerlasern
Sponsored Post – Coherent zeigt auf der E-MRS Konferenz 2023 den ExciStar Laser für Pulsed Laser Deposition.
Es gibt viele Möglichkeiten, Dünnschichten für elektronische, optische und photonische Anwendungen herzustellen, z. B. thermisches Verdampfen, reaktives Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung. Doch in den letzten Jahren hat sich die gepulste Laserabscheidung (PLD) zur bevorzugten Technologie für viele neue Dünnschichtanwendungen entwickelt. Sie hat sich von einem reinen Laborforschungswerkzeug zu einer Technologie entwickelt, die auch die Serienfertigung unterstützt.
Bei der PLD wird ein festes Target in einer Vakuumkammer in der Nähe des Substrats platziert, auf das die Schicht aufgebracht werden soll. Das Target wird mit Pulsen eines ultravioletten Excimerlasers bestrahlt, der je nach Material entweder bei 248 nm oder 308 nm arbeitet. Die hohe Fluenz der Laserpulse erzeugt Atome mit einem hohen Ionisierungsgrad und hoher kinetischer Energie. Diese Atome scheiden sich als hochgeordnete Materialschicht auf dem Substrat ab.
Eine neue Generation von Solarzellen mit PLD
Herausragende Beispiele für komplexe Schichten, die mit der PLD- Methode erzeugt werden, sind leitfähige, transparente Oxide für die nächste Generation von Solarzellen. Bei verschiedenen Arten von Solarzellen, wie z. B. Halogenid-Perowskit-Photovoltaikzellen, besteht eine der größten Herausforderungen in der Abscheidung der transparenten, leitenden Elektrode auf den empfindlichen organischen Schichten. Wafer-basierte PLD an der Universität von Twente in den Niederlanden in der Abteilung von Professorin Monica Morales Masis ermöglicht die Herstellung von hochwertigen transparenten Elektroden für pufferfreie halbtransparente Perowskit-Solarzellen.
Die Herausforderung besteht darin, das Material des Targets zu verdampfen und alle Atome in den gleichen Verhältnissen – der gleichen Stöchiometrie – auf dem Substrat abzulagern wie mit dem Target vorgegeben. Der Prozess wird dann als stöchiometrische Abscheidung bezeichnet. Hier punktet die PLD und sie eignet sich daher besonders zur Erzeugung komplexer und kristalliner Schichtmaterialien.
Im Gegensatz dazu haben mehrere andere Abscheidungsverfahren in dieser Hinsicht oft Probleme, insbesondere wenn die Materialien eine Mischung aus Atomen mit sehr unterschiedlichen Massen und chemischen Eigenschaften enthalten.
Drei Laserparameter sind für erfolgreiche Resultate mit der PLD wichtig, wobei der Erfolg durch eine hohe Ausbeute an hochdichten Schichten mit gleichmäßiger Dicke und der richtigen Stöchiometrie definiert ist.
Die erste ist die Homogenität des Laserstrahls. Durch eine gleichmäßige Strahlintensität kann ein größerer Bereich des Targets abgetragen werden, und zwar mit der gleichen optimierten Fluenz. Hot Spots oder Schwachstellen im Strahl könnten diese Optimierung gefährden und die Qualität und Gleichmäßigkeit der Schicht beeinträchtigen. Aus demselben Grund benötigt PLD einen Excimerlaser mit guter Puls-zu-Puls-Stabilität. Und schließlich bedarf es hoher Pulsenergie und hoher Leistung, um die Skalierung des Prozesses auch in Produktionslinien zu ermöglichen.
Die Excimerlaser der COMPex-Serie von Coherent sind die erste Wahl für PLD-Anwendungen, da sie alle diese Anforderungen erfüllen. Mit Pulsenergien von bis zu 750 mJ und einer Leistung von über 30 Watt bieten diese Laser eine unerreichte Pulsstabilität von 0,75 %, rms, um eine hohe Fluenzkontrolle zu gewährleisten.
Mittlerweile hat auch die Industrieproduktion die Vorzüge der PLD-Methode für die Herstellung anspruchsvoller Funktionsschichten für eine zunehmende Anzahl von Anwendungen erkannt.
Excimerlaser der COMPex-Serie und der LEAP-Serie sind auf die PLD-Schichterzeugung zugeschnitten. Sie liefern hohe Photonenenergie für die stöchiometrische Schichterzeugung sowie hohe Pulsenergie und mittlere Leistung für industrielle Produktionsraten. Die PLD-Methode lässt sich auf die meisten Dünnschichten anwenden, und ermöglicht Innovationen im wachsenden Bereich der Hochleistungsmaterialien.
