Universität Augsburg: Analyse der Modifikation von Lasertargets bei der PLD

Herausforderung

Dr. Helmut Karl ist Professor für Experimentalphysik an der Universität Augsburg und leitet dort die Forschungsgruppe für funktionale Oxide im Nanobereich. Dr. Karl erklärt, dass sein Team ein besonderes Interesse an Mischoxiden habe, da diese eine Reihe hervorragender magnetischer und elektrischer Eigenschaften aufweisen und sich daher für den Einsatz in modernen Geräten wie Speicherchips, Brennstoffzellen und Keramikkondensatoren eignen. 

Mit Hilfe der Pulslaserabscheidung (PLD)lassen sich hochwertige Oxidschichten erzeugen. Bei diesem Verfahren verdampft ein Laserpuls die Oberfläche des Targets in einer Vakuumkammer, woraufhin das ausgestoßene Material auf Klebeband, Wafern oder anderen Substraten abgeschieden wird. Das PLD-Verfahren ist ein weit verbreitetes Verfahren, dessen Vorteile sich bei der stöchiometrischen Abscheidung und dem Epitaxiewachstum komplexer Oxide und vieler anderer Materialklassen in funktionellen Heterostrukturen bewährt haben. Dr. Karl weist darauf hin, dass PLD auch hinsichtlich der Materialien und der Abscheidungsbedingungen (wie beispielsweise des Hintergrundsauerstoffdrucks) eine sehr zuverlässige und vielseitige Technologie ist. 

Zahlreiche veröffentlichte Studien, darunter auch einige der Forschungsgruppe der Universität Augsburg, haben sich bereits mit den Endergebnissen des PLD-Verfahrens – also der Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten – befasst. Dem anfänglichen Teil des Verfahrens, nämlich der Abtragungswechselwirkung zwischen Laser und Target, wurde in der Forschung jedoch bislang weniger Aufmerksamkeit geschenkt. Daher beschlossen Dr. Karl und seine Kollegen, mehrere komplexe Oxid-Einkristalle wiederholt mit Laserimpulsen unterschiedlicher Ausrichtung und unterschiedlicher Zielleistung abzutragen, um die Abtragungsmechanismen zu verstehen und damit die Forschungslücke zu schließen. Zu diesem Zweck entwickelten sie einen optimierten PLD-Strahlengang, der es ermöglicht, die Größe und Form beizubehalten, während die Laserleistung variiert wird [1].

Lösung

Das Team beschloss, die Auswirkungen der Ablation durch gepulste Laser auf Einkristalle von SrTiO₃ (STO) mit den Orientierungen (001), (011) und (111) sowie von Y₃Al₅O₁₂ (YAG) mit der (102)-Orientierung (LAO) sowie Y₃Al₅O₁₂ (YAG) mit (001)-Orientierung zu untersuchen. Die Wahl von Einkristallen für die Untersuchung erfolgte, da bekannt ist, dass PLD-wachsende Schichten eine genaue Kationenchemie aufweisen, weniger anfällig für die Bildung von Partikelbruchstücken sind (ein Problem, das bei polykristallinen Sintertargets häufig auftritt) und eindeutige Ausgangsbedingungen für die Oberfläche bieten.

Sie entschieden sich in dieser Studie für den Einsatz eines KrF-Excimerlasers, insbesondere COMPex 205 F Coherent (mit einer Betriebswellenlänge von 248 nm), da dieser in vielen PLD-Untersuchungen und industriellen Anwendungen der bevorzugte und gängige Laser ist. Die relativ hohe Pulsenergie dieses Lasers von 750 mJ ermöglicht die Abtragung großer Flächen bei niedrigen bis hohen Durchsätzen. Karl erklärt: „Die Praxis hat gezeigt, dass sich dieser 248-nm-Excimerlaser in Kombination mit unserem speziellen Strahlengang für die PLD vieler verschiedener Oxide eignet und die Strahlhomogenität sowie die hohe Stabilität zwischen den Impulsen bietet, die wir für aussagekräftige quantitative Untersuchungen benötigen.“

Abbildung 1 zeigt einen Ausschnitt der in dieser Studie verwendeten optischen Anordnung. Um am Zielobjekt stets identische Strahlbedingungen zu gewährleisten, wurden die Blende und die Reduktionslinse in einer festen Position gehalten, während die Laserenergie an der Blende mithilfe eines Vollmedium-Dämpfungselements stufenlos reguliert wurde. Auf diese Weise konnte die Energiedichte an der Zieloberfläche im Bereich von 1 bis 6 J/cm² variiert werden, wobei die Größe des Laserspots konstant blieb.

Ergebnisse

Mithilfe dieser Anlage machten sich die Forscher daran, Einkristall-Targetmaterialien umfassend zu untersuchen, einschließlich der Morphologie, des Sauerstoffverlusts und der Rissbildung nach der Laserbestrahlung mit verschiedenen Kurzpulssequenzen bei unterschiedlichen Durchsätzen. Sie bildeten die Oberflächenmorphologie der Targets mittels Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und konfokaler Laserscanning-Mikroskopie ab und analysierten die kristallographischen Veränderungen und die Elementzusammensetzung der Oberfläche mittels Elektronenrückstreubeugung und energiedispersiver Röntgenspektroskopie.

Die Studie hat einige interessante Ergebnisse zutage gefördert. So weisen beispielsweise alle Materialien eine mehrere hundert Nanometer dicke Ablagerungsschicht auf, die zwangsläufig durch das periodische Schmelzen und Rekristallisieren bei jedem Laserimpuls entstanden ist (Abb. 2). Bei den meisten Materialien sind Oberflächenrisse in irgendeiner Form zu beobachten, was darauf hindeutet, dass der Thermoschock nicht der einzige wichtige Mechanismus ist. Genauer gesagt spielt auch die durch thermische Ausdehnung verursachte mechanische Beanspruchung eine Rolle. Bei bestimmten Materialien ist die Zersetzung durch Sauerstofffreisetzung ein weiterer aktiver Mechanismus.

Insgesamt hofft das Team, dass diese neuen Erkenntnisse die Auswahl von PLD-Zielstrukturen verbessern und darüber hinaus die Leistungsfähigkeit bestimmter Anwendungen zur Oberflächenstrukturierung mittels Excimer-Laserimpulsen steigern können.

Literaturverzeichnis

1. F. Jung et al., Oberflächenentwicklung von kristallinen SrTiO₃-, LaAlO₃- und Y₃Al₅O₁₂-Targets während Laser-Ablation gepulsten Laser-Ablation, Applied Physics A, Band 128, Artikelnummer: 750 (2022) https://doi.org/10.1007/s00339-022-05805-5

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