Pulslaserabscheidung: Vom Labor zur Produktion

Es gibt zahlreiche Verfahren zur Herstellung verschiedener Arten von Dünnschichten für elektronische, optische und photonische Anwendungen, beispielsweise thermische Verdampfung, reaktives Sputtern und chemische Gasphasenabscheidung. In den letzten Jahren hat sichdie Pulslaserabscheidung (PLD) jedoch zur bevorzugten Technologie für viele neue Dünnschichtanwendungen entwickelt und den Übergang von einem reinen Forschungsinstrument im Labor hin zur Unterstützung der heutigen Serienfertigung vollzogen. Werfen wir gemeinsam einen Blick auf die Funktionsweise der PLD, ihre wichtigsten Vorteile und einige interessante Anwendungsbeispiele.

Beim PLD-Verfahren wird ein dünnes Feststoffmaterial (das sogenannte Target) in der Vakuumkammer in der Nähe des Substrats platziert, auf das die Schicht aufgebracht werden soll.Anschließend wird das Target je nach Materialeigenschaften mit hochenergetischen UV-Excimer-Laserimpulsen mit einer Arbeitswellenlänge von 193 nm, 248 nm oder 308 nm bestrahlt.Derhohe Durchsatzder Excimer-Laserimpulseerzeugt Atome mit hoher Ionisierung und hoher kinetischer Energie. Diese Atome lagern sich auf dem Substrat ab und bilden nach und nach eine Materialschicht.

Ergebnisse der chemischen Analyse

Die stöchiometrie ist ein chemischer Begriff, der das Verhältnis verschiedener Atome in einem Material bezeichnet. Bei Ethylen beispielsweise beträgt das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff 2:1. Wenn bei der PLD ein Elementtarget wie Graphit (das ausschließlich aus Kohlenstoffatomen besteht) verwendet wird, weist die Schicht stets die gleiche Zusammensetzung wie das Target auf, da keine andere Möglichkeit besteht. 

Viele wichtige neue Dünnschichten weisen jedoch eine recht komplexe chemische Zusammensetzung auf. Zu den herausragenden Beispielen zählen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) und Perowskit-Materialien für neuartige photonische Bauelemente (einschließlich der nächsten Generation von Solarzellen). Die Herausforderung besteht darin, das Material vom Verdampfungstarget auf das Substrat zu übertragen und dabei alle Atome im gleichen Verhältnis (derselben chemischen Zusammensetzung) wie im ursprünglichen Target zu deponieren. Dieser Prozess wird als chemisch-stöchiometrische Abscheidung bezeichnet, und solche Schichten werden als chemisch-stöchiometrische Schichten bezeichnet. 

Einer der Hauptvorteile der PLD unter Verwendung eines Excimerlasers besteht darin, dass sie bei entsprechender Prozessoptimierung die Herstellung chemisch gleichmäßiger Schichten ermöglicht. Dies ist mit einer Vielzahl von Materialien möglich, was für moderne Geräte, deren Funktion von Schichten abhängt, in denen zwei oder mehr Materialien miteinander interagieren, von besonderer Bedeutung ist. Im Gegensatz dazu ist dies bei einigen anderen Abscheidungsverfahren oft nur schwer zu erreichen, insbesondere wenn die Materialien aus Atomgemischen bestehen, die sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften stark unterscheiden.

Geeignete Excimer-Laser

Drei Laserparameter sind für eine erfolgreiche PLD von entscheidender Bedeutung, wobei unter „erfolgreich“ dünne Schichten mit hoher Ausbeute und hoher Dichte sowie gleichmäßiger Dicke und korrekter stöchiometrischer Zusammensetzung zu verstehen ist. 

An erster Stelle steht die Gleichmäßigkeit des Lichtstrahls. Eine gleichmäßige Strahlintensität ermöglicht es, bei gleichem optimiertem Durchsatz größere Bereiche des Targets zu abtragen. Hotspots oder Schwachstellen im Strahl können diese Optimierung beeinträchtigen und die Qualität sowie die Gleichmäßigkeit der Schicht mindern. Aus demselben Grund erfordert das PLD-Verfahren einen Excimerlaser mit guter Stabilität zwischen den Impulsen. Schließlich benötigt das PLD-Verfahren einen Excimerlaser mit hoher Impulsenergie und hoher Leistung, um eine Skalierung der Prozessmengen in der Produktionslinie zu ermöglichen.

COMPex Coherent COMPex die erste Wahl für PLD-Anwendungen, da sie all dieseAnforderungen erfüllen. Diese Laser verfügen über eine Pulsenergie von bis zu 750 mJ und eine Leistung von über 30 Watt und bieten eine hervorragende Pulsstabilität (0,75 % rms), wodurch eine Steuerung mit hohem Durchsatz gewährleistet ist. 

Anwendungsbereiche von PLD

Hochtemperatur-Supraleiterbänder 

 Mehrschichtige Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Bänder, die aus mittels PLD abgeschiedenen REBCO-Supraleiterschichten bestehen, sind ein entscheidender Werkstoff für Magnete der nächsten Generation in den Bereichen Kernfusion, MRT und Teilchenbeschleuniger sowie für Stromnetzkomponenten mit geringen Verlusten. Nur die auf Excimer-Lasern basierende PLD-Technologie hat sich als geeignet erwiesen, um HTS-Dünnschichten für praktische industrielle Anwendungen herzustellen.

HF-Piezofilter 

Hochfrequenzfilter (HF-Filter) auf Basis piezoelektrischer Aluminiumnitrid (AlN)-Dünnschichten Filter auf Basis von piezoelektrischen AlN-Dünnschichten finden breite Anwendung in der Mobilfunkinfrastruktur. 5G- und Wi-Fi-Standards der nächsten Generation erfordern dünnere, piezoaktivere kristalline Schichten mit präziser Dotierungskonzentration. Das PLD-Verfahren ermöglicht die Herstellung hochwertiger HF-Schichten bei gleichzeitig geringeren Kosten als herkömmliche Sputter-Abscheidungsverfahren. Es erzeugt hochgeordnete Schichten mit gleichmäßigen HF-Eigenschaften, die für das 5G- und 6G-Zeitalter gerüstet sind.

Diamantähnliche Kohlenstoffschicht 

Die verschleißfeste und mechanisch stabile diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtung (DLC) weist einen extrem niedrigen Reibungskoeffizienten auf und ist entscheidend für den wirtschaftlichen Einsatz von Werkzeugen und Bauteilen unter hoher Belastung. Mit einem Excimer-Laser lassen sich im Niedertemperatur-PLD-Verfahren wasserstofffreie DLC-Schichten abscheiden, die in Kombination mit einer Excimer-Laser-Glühbehandlung eine gute Haftung auf einer Vielzahl von Werkstoffen gewährleisten.

Dünnschichtwafer 

Die Dünnschichtfertigung findet breite Anwendung in verschiedenen Wafer-Märkten, beispielsweise bei MEMS, Halbleitern, Photovoltaik, OLED-Displays und HF-Frontend-Filtern. Ausgereifte PLD-Verfahren für industrielle Wafer mit Durchmessern von bis zu 300 mm ermöglichen es Systemanbietern, ihre Kapazitäten sowie die Komplexität und Funktionalität der Dünnschichten zu erweitern und damit bestehende Verfahren wie Sputter, Atomlagenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung zu übertreffen.

Festkörper-Dünnschichtbatterie 

Batterien auf Basis fester Elektrolyte versprechen für den stetig wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge eine größere Reichweite und schnellere Ladezeiten. PLD fördert die Entwicklung fortschrittlicher, ionenleitender fester Elektrolyte, einschließlich Anoden- und Kathodenmaterialien, die sich durch einstellbare Dichte und stöchiometrische Zusammensetzung sowie eine Dickengenauigkeit im Nanobereich auszeichnen.

Transparente leitfähige Oxide 

Bei den verschiedenen Arten von Solarzellen (wie beispielsweise Halogenid-Perowskit-Solarzellen) besteht eine der größten Herausforderungen darin, transparente, leitfähige Elektroden auf die empfindlichen organischen Schichten aufzubringen. Das waferbasierte PLD-Verfahren ermöglicht die Herstellung hochwertiger transparenter Elektroden für Perowskit-Solarzellen ohne Pufferschicht.

Excimerlaser sind die idealen Laser für die PLD

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Excimer-Laser der ideale Laserfür die PLDist, da er eine hohe Photonenenergie liefert, die die Bildung stöchiometrischer Schichten ermöglicht, und zudem eine hohe Impulsenergie sowie eine hohe Durchschnittsleistung bietet, was die industrielle Produktivität steigert. Wie diese sehr unterschiedlichen Beispiele zeigen, lässt er sich für ein äußerst breites Spektrum an Schichten einsetzen, was ihn zu einer der derzeit am schnellsten wachsenden Laseranwendungen macht.

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