Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng bằng kỹ thuật PLD

4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
Mục Lục
I.Lịch sử và những nền tảng của PLD 1
1. Giới thiệu 1
2.Tại sao PLD lại được sử dụng khá phổ biến 2
3.Lịch sử của PLD : một niên đại nhìn lại 3
4. Lịch sử của sự phát triển lý thuyết 12
5.Quá trình hoàn thiện kĩ thuật thí nghiệm : Giảm “ Splashing” 15
6.Những giải pháp để tránh Splashing 17
II. Khái quát về Laser trong PLD 19
II.1 Excimer Basics 19
II.2 Một số thiết kế cho sự phóng điện Excimer Laser 22
III.Thiết bị trong PLD 23
III.1 Optics 23
III.2 Deposition systems 27
IV. CƠ CHẾ CHÍNH TRONG VIỆC PHỦ MÀNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PLD?
35
IV.1 Một số khái niệm cơ bản 35
IV.2 Một số hiện tượng xuất hiện trong phương pháp PLD 40
IV.3 Mô tả các cơ chế chính 48
I. Lịch sử và những nền tảng của PLD
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
1. Giới thiệu :
Laser, như một nguồn năng lượng tinh khiết trong dạng những photon đơn
sắc và kết hợp, đang có được sự gia tăng tính phổ biến trong ứng dụng khác nhau
và đa dạng từ việc khoan những lỗ trống trên những thiết bị bán dẫn đến hệ thống
chỉ dẫn được dùng trong việc khoan những đường hầm khổng lồ dưới những con
kênh ở nước Anh. Trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như luyện kim, công nghệ y

khoa, và công nghệ điện tử, laser đã trở thành một công cụ không thể thay thế
được. Trong lĩnh vực khoa học vật liệu, laser cũng đóng một vai trò có y nghĩa
trong những bộ phận bị động trong những quy trình giám sát hoặc như một công cụ
chủ động bằng việc kết hợp năng lượng bức xạ của nó vào trong vật liệu để được
xử lý, dẫn đến những ứng dụng khác nhau định xứ sự nóng chảy trong súôt quá
trình kéo sợi quang học, laser ủ nhiệt những bán dẫn, làm sạch bề mặt bằng sự giải
hấp và bay hơi, và gần đây nhất thì PLD dành cho sự phát triển màng mỏng.
Cũng như nhiều khám phá kĩ của kĩ thuật khác, những ứng dụng khác nhau
của Laser đã không được định nghĩa ngay từ đầu, nhưng là một hệ quả của sự biến
hoá tự nhiên bởi những nghiên cứu lý thuyết. Sau sự chứng minh đầu tiên về Laser,
những nghiên cứu trước tiên là chủ yếu là khảo sát lý thuyết trên sự tương tác của
laser với bia. Những thí nghiệm đã được tiến hành để xác địng những mô hình lý
thuyết. sau đó, những thí nghiệm trở thành những trụ cột của nhiều ứng dụng thực
tế.
Khái niệm và thực nghiệm, PLD thì vô củng đơn giản,có thể là đơn giản
nhất trong số tất cả những phương pháp phát triển màng. Một Laser mang năng
lượng cao được dùng như một nguồn năng lượng bên ngoài để bốc bay vật liệu và
để phủ màng mỏng. một sự sắp đặt những thành phần quang học được sử dụng để
hội tụ và quét chùm tia laser trên bề mặt bia. Sự cách ly phần cứng chân không và
nguồn năng luợng bốc bay khiến cho kĩ thuật này có thể thích nghi đến nỗi mà nó
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
dễ dàng thích nghi với những kiểu hoạt động khác nhau mà không có những điều
kiện ràng buộc nào bằng việc sử dụng những nguồn bay hơi mang năng luọng bên
trong. Sự phát triển màng có thể duoc tiến hành trong môi trường phản ứng của
nhiều loại khí với nhau hoặc không có sự kích thích Plasma.
2. Tại sao PLD lại được sử dụng khá phổ biến
Kĩ thuật PLD đã tìm thấy những lợi ích đáng kể so với những
phương pháp phủ màng khác , bao gồm :

i. Khả năng chuyển dời có hợp thức của vật liệu từ bia tới đế,
tức là thành phần hóa học chính xác của một vật liệu phức
tạp chẳng hạn như YCBO (YBa
2
Cu
3
O
7+
), có thể tái tạo lại trên
màng được phủ.
ii. Tốc độ phủ khá cao, điển hình ~ 100 A
0
/ min, có thể đạt được khi
dòng laser ổn định, với độ dày màng điều khiển được trong thời gian
thực bằng việc điều khiển tắt mở laser một cách đơn giản.
iii. Thực tế thì laser được dùng là một nguồn năng lượng bên ngoài vì vậy
đây là một quá trình vô cùng sạch vì không có những sợi đốt. Vì vậy
sự phủ màng có thể xảy ra trong cả khí trơ và khí nền có hoạt tính.
iv. Việc sử dụng một chứa nhiều bia có thể xoay vòng trong buồng cho
phép những màng đa lớp được phủ mà không cần phải phá vỡ chân
không trong quá trình thay bia để phủ lớp khác.
Mặc dù có nhiều thuận lợi có ý nghĩa, nhưng vẫn còn tồn tại những vấn đề cần
được giải quyết, có ba vấn đề chính đó là :
i. Vùng plasma được tạo ra trong suốt quá trình bay hơi bằng laser thì
được định hướng trực diện cao, vì vậy độ dày của vật liệu thu được
trên đế thì độ bất đồng đều cao và thành phần có thể rất khác nhau
trên màng. Diện tích vật liệu được phủ thì rất nhỏ, điển hình ~ 1 cm
2
| Pulse Laser Deposion
4

Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
so với những yêu cầu cho nhiểu ứng dụng công nghiệp thì yêu cầu
diện tích bao phủ phải là ~ (7.5 x 7.5) cm
2
.
ii. Những vật liệu được phủ có chứa cả những giọt hình cầu vĩ mô của
vật liệu tan chảy, khoảng ~ 10 μm đường kính. Những hạt đó tới trên
đế thì hiển nhiên có hại cho thuộc tính của màng được phủ.
iii. Quá trình cơ bản, xảy ra bên trong vùng plasma được tạo thành do
laser, thì không hiểu một cách đầy đủ ; Vì vậy sự phủ màng của
những vật liệu mới luôn luôn bao hàm cả giai đoạn của sự tối ưu hóa
kinh nhiệm của những thông số phủ màng.
3. Lịch sử của PLD : một niên đại nhìn lại
Ngay sau khi laser ruby mang năng lượng cao đầu tiên sẵn có, đã có một
dòng những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên sự tương tác của chùm
laser có cườnh độ cao với bề mặt chất rắn (Ready 1963; white 1963), những chất
lỏng (Aska’yan et al., 1963), và vật liệu khí (Meyerand , and Haught 1963). với
những vật liệu được bay hơi đã đề nghị rằng sự bức xạ của laser cường độ cao có
thể được dùng để phủ màng mỏng. Ý tưởng này đã được chứng minh một vài năm
sau đó (Smith, and Turner, 1965). Tuy nhiên, trong suốt những thập niên tiếp
theo, thỉ những sự nghiên cứu xa hơn thì rời rạc và có những bước đi chậm, với
tổng thể có 100 bài báo, một con số đặc biệt ít so với những kĩ thuật hiện tại khác.
Đột phá chính đầu tiên đến vào giữa những năm 1970, khi những laser xung
khổng lồ được phát triển để phát ra những xung ngắn với mật độ năng lượng đỉnh
rất cao. Nó đã làm mở rộng phạm vi lựa chọn vật liệu. nhưng chính cái đột phá
thứ hai, cái mà được khơi mào bởi sự phát triển thành công màng siêu dẫn ở nhiệt
độ cao T
c
vào năm 1987, thật sự đã đưa PLD đi lên. Việc tiên phong đã đựơc dẫn
đường bởi Venkatesan of Bencore (Dijkamp et al., 1987 ; Wu et al., 1990) đã

thuyết phục những người đó người mà trước đây đã hoài nghi về sự phát triển của
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
PLD và đã mở ra một cánh cổng lớn mà nó dẫn đến những sự nghiên cứu lớn lao.
Sự phát triển cũa PLD có thể được chia thành bốn giai đọan, mỗi một giai đoạn
đưa đến hoặc sự phát triển của một công nghệ laser mới hoặc là bởi sự ứng dụng
thành công đến việc phủ màng mỏng của một lớp mới của vật liệu.
3.1 1960 – 1969 :
Công việc thực hiện trong giai đoạn này thì ít ỏi và chủ yếu là thăm dò.
thí nghiệm đầu tiên, được báo cáo vào năm 1965 bởi Turner và Smith, sử dụng
một laser ruby để phủ màng mỏng bán dẫn, điện môi, chalcogenide, và vật liệu
hữu cơ kim loại. Việc thiết kế thí nghiệm là sự đối chiếu cho những chuẩn mực
ngày nay. Tuy nhiên, nó đã chỉ ra một vài đặc trưng cần thiết cho sự phát triển
sau này. Cái động lực của việc nay( thì tương tự sự bay hơi thật nhanh với sự
điều khiển hợp thức bằng việc sử dụng xung laser chiếu tới để tao ra một quá
trình nhiệt ngắn. Việc sử dụng laser cũng đã có những thuận lợi rõ ràng với
mức độ nhiễm bẩn thấp và sự dễ dàng điều khiển quy trình. Bởi vì nguồn năng
lượng không đủ và xung laser thì dài, tuy nhiên, sự chứng minh về sự bay hơi
đồng dạng là không thuyết phục. Có những giới hạn khác bao gồm việc thất bại
trong việc bay hơi và phủ màng từ bia “trắng”, cái mà hấp thụ rất ít bức xạ
laser. Những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ Laser tạo nên những loại khác
nhau của laser, và chúng đã được sử dụng thành công trong PLD, chẳng hạn
như laser CO
2
(Hass and Ramsey , 1969; Byskovkii et al., 1978; Cali et al.,
1976) and những laser thuỷ tinh : Nd (Schwarz and Tourtellotte, 1968). Những
laser đó có một tần số cao hơn laser ruby, làm cho sự phát triển màng dày có
thể. Quan trọng nhất, một vài đặc trưng độc nhất của PLD đã được chứng minh
trong giai đọan này, bao gồm sự bảo toàn có tính hợp thức của các bia đa thành

phần. Việc sử dụng laser CO
2
với bước sóng 10.6 μm với những photon có thể
làm bay hơi nhiều vật liệu mà nó không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy nhưng là
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
chắn phổ hồng ngoại ở bước sóng 10.6 μm. Bởi vì độ sâu hấp thụ lớn hơn của
những photon có bước sóng 10.6μm, tuy nhiên, lớp chất lỏng được tạo thành
bằng chùm laser thì dày và có thể là gây ra những hiệu ứng không mong muốn
chẳng hạn như là “splashing” của những hạt cỡ micro và thỉnh thoảng lệch
hướng từ sự bay hơi phù hợp. Nói chung, chất lượng màng thì kém so với
những màng được phủ vào thời điểm này. PLD vẫn còn trong giai đoạn nghiên
cứu và phát triển trong nhiều năm.
Khi công nghệ laser tiến bộ hướng tới nguồn phát ra mạnh hơn, độ rộng
xung ngắn hơn, sự ổn định lâu dài hơn, và giá thành thấp hơn, mức độ của hoạt
động nghiên cứu về PLD tăng theo. Qua những nghiên cứu đẩu tiên, dẫn dắt bởi
những nghiên cứu có tính hệ thống trong việc nghiên cứu phổ khối lượng với sự
phân bố kích thước và điện tích của những loại được tạo thành bằng sử bốc bay
bằng xung laser (Knox and Ban, 1968), nói chung đã đồng ý rằng tương tác
laser-rắn là một quá trình phức tạp và xảy ra từ sự cân bằng. Tuy nhiên rất ít
những kiến thức và sự quan sát đạt được từ việc nghiên tương tác chất rắn-laser
đươc áp dụng để cải thiện điều kiện phủ màng. Sự phát triển của PLD theo kinh
nghiệm là chính.
Một xu hướng thông thường trong số tất cả những việc nghiên cứu PLD
trong suốt giai đoạn này là sự thiếu một sự nỗ lực nghiên cứu lâu dài. Hầu hết
công việc chỉ là một sự kiểm chứng những khái niệm mà không có bất kỳ một
sự nỗ lực liên tục nào để tối ưu hóa mang tính hệ thống trong những điều kiện
phát trển màng.Tuy nhiên, một vài hoạt động nền tảng quan trọng nhất cho
những phát triển sau này đã được chứng minh trong giai đoạn này. Ví dụ,

nghiêm cứu trên màng perovskite odxide BaTiO
3
bởi Schwartz and Tourtellotte
là sự cố gắng đầu tiên để phát triển màng mỏng chất sắt điện bằng PLD. Phải
mất 20 năm để tái khám phá cái ứng dụng này bằng việc bắt đầu nghiên cứu có
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
tính hệ thống với việc cải thiện những điều kiện phát triển. Hiện tại, sự phát
triển của màng perovskite, bao gồm màng mỏng siêu dẫn và chất sắt điện bằng
PLD, bắt đầu được theo đuổi trong các phòng thí nghiệm và sự phát triển của
màng đơn tinh thể sắt điện bằng PLD bây giờ thì có thể.
3.21970-1979
Trong suốt những năm 1970, hai sự phát triển chính đã thêm vào một hướng
mới trong PLD. (Q-Switches: thường được biết như là “sự tạo thành xung khổng lồ”, là một
kĩ thuật bằng cách nào đó laser có thể được tạo ra để tạo thành một chùm xung phát ra ngoài.
Kĩ thật này cho phép sự tạo thành của những xung ánh sáng với năng lượng có giá trị cực đại
vô cùng cao, cỡ Gigawatt, cao hơn nữa sẽ được tạo thành bởi cùng laser nếu nó được hoạt
động trong một mẫu bước sóng liên tục(ngõ ra hằng số). So sánh với “mẫu khoá”(Mode-
locking : là một kĩ thật trong quang học bằng cách nào đó laser có thể được tạo ra để tạo thành
những xung của ánh sáng với độ rộng xung vô cùng ngắn, có bậc khoảng ps hoặc fs), một kĩ
thuật khác cho việc phát ra xung bằng laser, Q-switching dẫn đến tần số xung thấp hơn, năng
lượng xung cao hơn, và bề rộng xung dài hơn. Cả hai kĩ thuật này thình thoảng được áp dụng
cùng 1 lúc. Q-switching đạt được bằng cách đặt vài mẫu của bộ suy giảm biến đổi bên trong
buồng cộng hưởng của laser. Khi bộ suy giảm hoạt động, ánh sáng cái mà thoát khỏi bộ khuếch
đại trung bình không trở lại, và laser không thể bắt đầu. Bên trong sự suy giảm này buồng cộng
hưởng đáp ứng lại một sự giảm trong yếu tố Q hoặc yếy tố chất lượng của bộ cộng hưởng
quang học. Một yếu tố Q cao phù hợp với sự mất mát cộng hưởng thấp trên một sự khứ
hồi,ngược lại. bộ suy giảm biến đổi thì thông thường được gọi là một “ Q-switch” , khi sử dụng
cho mục đích này.

Đầu tiên dụng cụ laser được bơm vào trong khi Q-switch được đặt để ngăn chặn sự khứ
hồi của ánh sáng vào trong buồng khuếch đại (tạo ra một sự tăng cường quang học với điểm Q
thấp), điều này tạo ra một sự đảo ngược phổ biến, nhưng sự hoạt động của laser không thể xảy
ra khi không có sự khứ hồi từ bộ cộng hưởng.Bởi vì tỉ lệ của sự phát xạ kích thích phụ thuộc
vào số lượng ánh sáng vào trong buồng khuếch đại, lượng năng lượng được giữ lại bên trong
buồng cộng hưởng tăng lên khi buồng đuợc bơm vào.Bởi vì sự mất mát từ sự bức xạ tự phát và
một số quá trình khác, sau một thời gian đã biết năng lượng tích luỹ sẽ đạt tới một giá trị cực
đại, đạt đuợc sự khuêch đại bão hoà. ở điểm này, thiết bị Q-switch nhanh chóng thay đổi từ
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
điểm Q thấp sang Q cao, cho phép khứ hồi và quá trình của sự khuếch đại quang học bằng phát
xạ kích thích bắt đầu.Bởi vì một lựong lớn năng lượng lưu trữ vừa rồi trong buồng khuếch đại,
cuờng độ của ánh sáng trong bộ suy giảm laser tích lũy rất nhanh, điều này gây nên sự tích luỹ
năng lượng trong buồng để được làm khô kiệt rất nhanh chóng. Kết quả là xung ngắn của ánh
sáng phát ra từ lase, được biết như là một “xung lhổng lồ” cái mà có thể có cường độ rất
cao.có 2 loại Q-switches là : Active Q-switching va Passive Q-switching ). Đầu tiên, sự tạo
thành xung khổng lồ điện tử có thể tin cậy được trở thành sẳn có cho sự phát ra
xung quang học rất ngắn để đạt được một năng lượng đỉnh lớn hơn 10
8
W/cm
2
.
Theo biểu thức cơ bản trong điện từ học sau :
E = (2Φ/cε
0
n)
1/2
Trong đó : E là điện trường của sóng điện từ (V/m)
Φ là mậ độ năng lượng (W/cm

2
)
ε
0
là hằng số điện môi trong chân không = 8.854 x 10
-12
F/m
n là chiết suất
c là vận tốc ánh sáng.
Xét một vật liệu với n = 1.5 và một năng lượng bức xạ cực đại tác động lên
vật liệu là 5x10
8
W/cm
2
. Trường điện thế tương đương bên trong vật liệu sẽ là
5x10
5
V/cm, đủ cao để gây ra sự phá vở chất điện môi. Vì vậy bất kì vật liệu nào ,
mà hấp thụ bứoc sóng laser của mức năng lượng này, sẽ chuyển đổi thành dạng
Plasma. Nói cách khác, PLD có thể được dùng để bay hơi phủ màng mỏng của bất
kỳ vật liệu nào nếu mật độ năng lượng laser được hấp thụ la đủ cao. Việc sử dụng
xung laser ngắn đưa ra những lợi thế khác, chẳng hạn như là sự bay hơi thích hợp.
tiêu chuẩn cho điều kiện này yêu cầu thể tích bị làm nóng, đặc trưng bởi độ dài
khuếch tán nhiệt trong suốt tương tác laser và bia L = 2(D.τ)
1/2
, trong đó D là độ
khuếch tán nhiệt và τ là thời gian tương tác giữa laser và bia (tức là độ rộng xung),
để nhỏ hơn hoặc bằng với độ dày của lớp bị bốc bay trên một xung. Do đó, việc sử
| Pulse Laser Deposion
4

Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
dụng xung laser ngắn cho sự bốc bay là có khả năng hơn để đạt được sự bốc bay
đồng dạng mà cho phép PLD bảo toàn hợp thức qua sự chuyển khối lượng từ bia
sang màng mỏng.
Tiến bộ kĩ thuật có ý nghĩa thứ 2 là sự phát trển của một máy phát điều hoà
thứ cấp có hiệu suất cao để phát ra sự bức xạ ra sóng ngắn hơn. Do đó, độ sâu hấp
thụ thì cạn hơn và sự bắn tung toé giảm đi. Ngoài ra thể tích nhận nhiệt nhỏ hơn,
cũng ưu tiên cho sự bay hơi đồng dạng.
Cùng với 2 sự phát triển đó mở rộng rất nhiều cho sự lựa chọn vật liệu và cải
thiện chất lượng màng. Sự bay hơi đồng dạng đã được quan sát trong nhiều hệ
thống từ những hợp chất ba thành phần đơn giản đến những chất bán dẫn nhiệt độ
thấp với sự hợp thức phức tạp, chẳng hạn như ReB
22
(Dessere and Eloy, 1975).
Một vài hoạt động cổ điển trng PLD đã được tiến hành bởi Gaponov và đồng
nghiệp, bao gồm sự phát triển đầu tiên của chất siêu dẫn siêu mạng, và những
sáng đạt đuợc để làm giảm sự hình thành hạt, và sự phủ phản ứng. khía cạnh của
phủ phản ứn glà độc nhất và chắc chắn là đặc trưng quan trọng nhất của PLD. Nó
được chứng minh lần đầu tiên bởi Gapanov, người đã phủ mành oxide trong môi
trường oxi hoá và sau đó là Oestereicher, người mà phủ màng hydride trong môi
trừong hydrogen. Bởi vì sự thiếu hụt của những yếu tố điện hoạt động như là sợi
dây tóc và điện cực phóng điện, bất kì loại khí phản ứng nào có thể được sử dụng.
một thuận lợi khác của PLD trong môi trường phản ứng thỉ hoạt tính của pha khí
được tăng cường vì động năng ở nhiệt độ cao (1-20eV) và năng kượngkích thích
điện tử của các loại laser bốc bay.
Trong giai đoạn này, PLD cũng đã được dùng để phủ màng bán dẫn với
những thành công có giới hạn. Bởi vì những yêu cầu nghiêm ngặt trong thuộc tính
vật liệu cho những thiết bị điện tử bán dẫn và sự cạnh tranh tữ kĩ thuật phủ màng
bằng những phuơng pháp khác, những hoạt độn trong PLD để phát triển màng bàn
| Pulse Laser Deposion

4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
dẫn vẫn còn ở mức độ thấp. sự phủ màng mỏng bán dẫn nhóm III-V bằng PLD từ
nguồn đơn luôn cho kết quả màng với sự thiếu hụt cao của những nguyên tố nhóm
V bởi vì áp suất hơi cao của nó. Sự khảo sát này đã được xác định bởi Sheftal với
sự nghiên cứu có tính hệ thống hơn.tuy nhiên, hiệu ứng này đã không được thảo
luận trong công việc của Gapanov trên siêu mạng bán dẫn chứa những hợp chất
III-V. Để phát triển màng chất lượng cao, một nguồn bốc bay riêng biệt của những
nguyên tố nhóm V phải được sử dụng để bổ sung cho sự mất mát vì sự tái bay hơi.
Màng mỏng siêu dẫn chất lượng cao đã không được chế tao mãi cho đến những
năm 1980.
3.31980-1987
Với chất lượng được cải thiện và chấp nhận được của những Laser
thương mại, nhiều nhóm nghiên cứu đã tham gia vào lĩnh vực này. Nhóm đáng chú
ý là Dubowski và Williams của hội đồng nghiên cứu quốc gia Canada, Cheung và
Sankur của Trung tâm khoa học quốc tế, Dimitrov và Metev của Balan, và nhiều
nhóm khác. Lần đầu tiên, màng bán dẫn epitaxy, cấu trúc dị thể, và sự phát triển
siêu mạng bằng PLD cho thấy rằng chất lượng có thể so sánh được với những sự
sự phát triển màng bàng MBE. Ví dụ, Hiệu Ứng Hall Lượng tử nhờ có những hạt
tải hai chiều trong bán dẫn hợp chất đã được quan sát lần đầu tiên trong sự nuôi
trồng siêu mạng CdTe bằng PLD. Công việc tiên phong trong việc sản xuất những
lớp epitaxy bán dẫn II-VI chất lượng cao bằng PLD đã được tiến hành trước tiên
bởi nhóm nghiên cứu ở Trung tâm khoa học quốc tế Rockwell và hội đồng nghiên
cứu quốc gia Canada. Cả hai nhóm này đã dùng laser Nd:YAG cho sự bay hơi của
CdTe và chất Cd trên nền những hợp chất II-VI khác. Đáng quan tâm rằng một
laser được dùng để bay hơi CdTe với hiệu suất cao thông qua một quá trình 2-bước
mặc dù thực tế rằng vùng cấm của CdTe thì lớn hơn năng lượng của những photon
có bước sóng 1.06 μm. Sự ổn định lâu dài tốt cua( laser Nd:YAG cho phép phát
triển những lớp rất mỏng khoảng 10 micro dưới những điều kiện điều khiển chính
| Pulse Laser Deposion

4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
xác. Với một của sổ nhiệt đuợc thiết kế đặc biệt để giữ cho quãng đừơng quang
học chính xác giữa thấu kính hội tụ và bia, Cheung đã có thể chứng minh tỉ lệ bay
hơi ổn định hơn 1% trong 5 giờ, cái mà có thể so sánh được với thiết bị Knudsen
được dùng trong MBE. Ngoài ra, sự bay hơi của CdTe bằng laser Nd:YAG đã loại
bỏ được “Splashing” khiến cho sự phủ những lớp epitaxy có thể mềm mại hơn.
Đơn lớp, sự nuôi trồng cấu trúc dị thể, những bán dẫn từ loãng và siêu mạng đã
được nuôi cấy thành công. Bởi vì sự cạnh tranh từ phương pháp MBE để nuôi cấy
Hg
1-x
Cd
x
Te , Cheung đã tìm kiếm một lĩnh vực có ý nghĩa công nghệ mà có thể thu
lợi từ những khả năng độc nhất của PLD. Động lực đó dẫn đến một thành tựu quan
trọng trong việc nuôi trồng lớp epitaxy ba thành phần Hg
1-x
Cd
x
Te với bất kỳ dạng
nào của vùng cấm. Với sự điều chỉnh dòng bay hơi chính xác và nhanh, một lớp
Hg
1-x
Cd
x
Te nuôi bằng phương pháp PLD có thể đạt được sự chính xác về thành
phần của khoảng hai đơn lớp, cái mà ít ra bậc độ lớn cao hơn cả MBE có thể đạt
được.
Trong suốt giai đoạn này, có một sự góp nhặt lớn của việv phát triển
màng Oxide và Flouride bằng PLD. Hầu hết, chúng được dùng cho những màng

quang học. Một sự cải thiện trong những màng được phủ bằng chùm electron trên
mầm tinh thể đã được nghiên cứu, tượng trưng cho độ linh động bề mặt cao vì
năng lượng va chạm nhiệt (Sankur, 1986). Tuy nhiên, sự hiện diện của những hạt
bề mặt là do “Splashing” vẫn còn đặt ra một vấn đề lớn.
3.41987 – Hiện nay :
Sự thành công ngay tại sự phát triển màng siêu dẫn nhiệt độ cao bằng
PLD mang lại một quan tâm lấn át trong lĩnh vực này. Mặc dù sự phát triển PLD
đầu tiên là những chất siêu dẫn kiểu Perovskite đã được thực hiện vào năm 1983
(Zeitsev-Zotov et al., 1983), qui trình đã được hoàn thành bởi tập đoàn Bellcore,
nơi mà cung cấp chất xúc tác đầu tiên cho sự phát triển bùng nổ của PLD. Tổng số
bài báo về PLD từ năm 1987 thì hơn 10 lần tổng bài báo của 25 năm trước cộng
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
lại. Số nhóm nghiên cứu về PLD đã tăng từ chỉ một vài nhóm nhỏ đến vài trăm
phòng thí nghiệm trên toàn cầu. Tính đơn giản và linh hoạt của việc lắp đặt thí
nghiệm làm nó thành một công nghệ có khả năng khám phá ra những giới hạn mới
trong khoa học vật liệu. Những hội nghị chuyên đề, hội thảo, dành cho PLD bây
giờ là những sự kiện liên tục với những hội nghị khoa học và chuyên ngành đa
dạng. Việc tiên phong đầu tiên của tập đoàn Bellcore đã tạo nên một vài đóng góp
có ý nghĩa, bao gồm việc sử dụng áp suất khí cao trong suốt sự quá trình phủ.
Những thông tin khoa học phong phú bao gồm việc hình thành vùng đã thúc đẩy
đông đảo những nghiên cứu về thuộc tính của nó để làm tăng sự hiểu biết sâu hơn
về quá trình bốc bay.
Xu hướng gần đây nhất trong sự phát triển của PLD bao gồm epitaxy dị
thể của Oxide trên bán dẫn chẳng hạn như YSZ/Si (Fork et al., 1990), MgO/GaAs
(Chang et al., 1992; Fork et al., 1992). Lĩnh vực này đã tìm thấy sự thành công
không gi sánh bằng. Nó mở ra một giới hạn mới của việc nghiên cứu vật liệu. Việc
phát triển những màng oxide perovskite sắt điện là một lĩnh vực khác thể hiện
tiềm năng hứa hẹn của PLD. Sự phát triển của những màng sắt điện perovskite là

sự mở rộng tự nhiên của hoạt động trên những chất bán dẫn có nhiệt độ T
c
cao bởi
vì cấu trúc giống nhau giữa hai vật liệu đó.
4. Lịch sử của sự phát triển lý thuyết :
Lý thuyết động lực học của sự tương tác bia-laser đã được nghiên cứu lâu
trước khi có thí nghiệm đầu tiên về PLD. Một thời gian ngắn sau sự phát triển của
Laser, đã nhận thấy rằng sự tương tác giữa laser-chất rắn là quá trình vô cùng phức
tạp và đó là khó khăn, hoặc là không có khả năng để tạo thành những mô hình
hoàn hảo hoặc nhất quán để hiểu tất cả những sự quan sát. Mô hình đơn giản nhất
đã dựa trên hiệu ứng nhiệt, cái mà có thể mô tả chính xác tương tác chùm tia-chất
rắn dưới mật độ năng lượng thấp. Nguyên tắc cơ bản, mô hình giả định độ trễ giữa
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
sự hấp thụ laser va sự bay hơi, khoảng trì hoãn đã được xác định bẳng tỉ lệ khuếch
tán nhiệt cho đến một nhiệt độ giới hạn bên trong chất rắn đạt tới. một năng lượng
laser giới hạn thì cần để đạt được điều kiện này. Mô hình này đã được dùng trước
đây để nghiên cứu ảnh hưởng của sự tương tác chùm laser trên bề mặt kim loại.
Khi nó được áp dụng vào để nghiên cứu sự tương tác laser và chùm tia dưới mật độ
năng lượng trên 10
8
W/cm
2
, cái mà được sử dụng tiêu biểu trong các thí nghệm của
PLD, mô hình đơn giản đó không thể đáp ứng được. Thừong thì sự đánh giá nhiệt
độ bề mặt thông qua sự tương tác và không thể giải thích được sự phát xạ electron
và ion. Ngoài ra nó cũng hoàn toàn bỏ qua sự tương tác của bức xạ laser với vùng
plasma. Với những mô hình thực tế hơn đã được phát triển sớm. Song vẫn chưa có
mô hình nào có thể mô tả tất cả những hiện tượng liên quan đến tương tác bia-

laser. Có nhiều sự cố gắng không thành công. Tuy vậy, những mô hình đó cung
cấp vài cái nhìn cho bức tranh vật lý. Trong khi đó vẫn còn nhiều câu hỏi chưa
được trả lời.
Hạn chế thông thường trong các mô hình là sự đồng ý rằng tương tác laser-bia là
một quá trình phức tạp bao gồm có nhiều hơn một cơ chế. Có 3 kiểu hấp thụ phải
được xem xết, đó là :
• Thể tích hấp thụ bởi electron và phonon trong mạng.
• Sự hấp thụ hạt tải tự do trên bề mặt.
• Sự hấp thụ bởi vùng plasma.
Sự mở rộng của quá trình hấp thụ tuỳ thuộc vào thuộc tính của vật liệu và
đặc trưng của laser. Ví dụ, bề mặt kim loại hấp thụ chủ yếu hạt tải tự do. Đối với
những chất điện môi, những hạt tải tự do vắng mặt và sự hấp thụ những bức xạ
dưới vùng cấm xảy ra bên trong mạng. Những quá trình thực tế xảy ra trong PLD,
dưới điều kiện bức xạ năng lượng cao, thì phức tạp hơn nhiều.Một mô hình chuẩn
yêu cầu sự mô tả của một quá trình nhiều bước. Khi chùm laser đập lên bia, những
photon bị hấp thụ bởi bề mặt, tạo thành những lớp tan chảy. Lớp này được xem
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
như là một lớp knudsen. Quá trình bay hơi, cái mà xảy ra trong một thời gian rất
ngắn nhưng với một lựơng đáng kể của khối lượng chuyển qua, gây ra một sự tác
động mạnh ép lên trên lớp chất lỏng và đẩy ra những giọt chất lỏng.
Ngoài những quá trình đã đuợc đề cập trước đây với việc dời vật liệu từ bia,
điều đó thì quan trọng nhưng đã bỏ qua khía cạnh lớn hơn đó là sự tương tác thứ
cấp giữa bức xạ laser và vùng plasma. Sự tương tác bậc cao giữa laser va vùng
plasma có thể mang ảnh hưởng có ý nghĩa đến những đặc trưng của sự bốc bay.
Nhiệt độ của Plasma được nâng lên và sự bốc bay trở nên mang năng lượng nhiều
hơn, cái mà có thể ảnh hưởng đến sự phủ màng theo một cách thức tích cực bởi vì
sự gia tăng độ linh động những nguyên tử bề mặt.
Hầu hết những nghiên cứu lý thuyết không cung cấp một sự hiểu biết trực

tiếp thích hợp để cải thiện điều kiện thí nghiệm của PLD, họ cũng không mô tả một
cách chính xác quá trình vật lý dưới những điều kiện phù hợp với những điều kiện
PLD hiện tại.
Bảng 1.1 : Những mô hình lý thuyết của sự tương tác laser-chất rắn.
Author Year Results
Ready 1964-1971 Material removal by evaporation
Von Allmen 1976 Material removal by evaporation and liquid expulsion
Andrewa and Attey 1975 Material removal by evaporation và evaporation-controlled limit.
Afanas’ev and
Krohkin
1967 Vapor flow, pressure jump across Knudsen layer.
Anisimov 1968 Temperature, pressure, and density discotinuty across knudsen
layer.
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
Hassanein, kulcinski,
and Wolfer
1984 Material removal by vaporization in vacuum.
Olstad and Olander 1975 Nonequilibrium surface process
Kelly et al., 1985 Thermal-sock-induced exfoliation
Geohegan 1992 Phenomenological sudy.
5.Quá trình hoàn thiện kĩ thuật thí nghiệm : Giảm “
Splashing”
“Splashing” được xem như là một trong hai bất lợi chính của PLD. Một cái khác là
sự thiếu sự đồng bộ trên một diện tích lớn vì sự phân bố góc hẹp của vùng plasma.
Thiết kế trên diện tích lớn có nhiều giải pháp kĩ thuật bằng cách quét laser hoặc sử
dụng đế quay và dịch chuyển được. Tuy nhiên, “Splashing” là một vấn đề nội tại ,
vì vậy nó có nhiều khó khăn để vượt qua. Đó chính là nút cổ chai làm đình trệ sự
phát triển của PLD. Đó là vấn đề đặc biệt cho những màng bán dẫn chất lượng cao

cho thiết bị điện tử và những màng quang học nơi mà những hạt có thể gây ra việc
hình thành những sai hỏng những tâm tán xạ mà có độ linh động hạt tải thấp, rút
ngắn thời gian sống hạt thiểu số.Có nhiều nguyên nhân gây ra “Splashing”.
5.1 Nguồn gốc của Plashing :
1. Subsurface boiling :
Sự sôi ngầm được quy vào là “ true plashing” bởi Ready (1963). Nó
xảy ra cho dù thời gian yêu cầu để chuyển năng lượng laser thành nhiệt thì ngắn
hơn cả thời gian cần để bay hơi một lớp bề mặt với độ dày cỡ bậc của độ sâu lớp
da. Dưới điều kiện này, lớp dưới mặt được làm nóng nhanh trước khi bề mặt của
chính nó đạt tới pha hơi. Quá trình này sẽ làm phóng ra những hạt hình cầu nóng
chảy cở micro lên trên đế. Nó có thể xảy ra với bất kì vật liệu nào, đặc biệt với
những vật liệu có độ nóng chảy và điểm sôi thấp chẳng hạn như Hg
1-x
Cd
x
Te .
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
Schwarz và Tourtellotte (1969) đã đánh giá mật độ năng lượng laser cực đại mà bề
mặt chất rắn có thể hấp thụ mà không gây ra Splashing, qua công thức :
D
max
= LρH
ev
/ t
r
Trong đó : t
r
là thời gian hồi phục,

L skin depth.
ρ là mật độ khối.
H
ev
là nhiệt bốc bay.
L liên quan tới độ dẫn điện σ và hệ số xuyên thấm của vật liệu K
m
:
L =
ở đó f là tần số của bức xạ. Xét những bia kim loại chẳng hạn như titanium, giả sử
rằng σ = 2.4 x 10
4
(Ω.cm)
-1
, do đó D
max
= 5 x 10
8
W/cm
2
. Còn với những vật liệu
điện môi, độ dẫn điện nhỏ hơn và D
max
sẽ có giá trị cao hơn. Vì vậy “true plashing”
do “Subsurface splashing” không xảy ra trong vật liệu điện môi.
5.2 Sự phóng ra những lớp chất lỏng bởi áp lực ngược của sóng xung
kích.
Không giống như sự sôi mặt dưới ở đây lực gây ra sự phóng của
những giọt chất lỏng bắt nguồn từ bên trong khối, trong cơ chế này, lực đến từ trên
lớp chất lỏng trong dạng của áp lực ngược được gây ra bởi sóng xung kích của

vùng plasma. Tín hiệu của splashing kiểu này cũng tạo thành những giọt hình cầu
ngưng tụ cỡ micro, và do đó không thể phân biệt đuợc từ splashing thực.
5.3. Exfoliation (sự tách lớp)
Không giống với hai quá trình đầu tiên, những vật liệu phát ra từ bia
là những hạt rắn có hình dạng ngẫu nhiên. Tỉ lệ bắn ra và kích cỡ hạtphụ thuộc vào
mật độ năng lượng laser cũng như hình thái học của bề mặt của bia. Với hầu hết
vật liệu, trong những bia gốm được kết thành từ những hạt, bề mặt bị xói mòn bởi
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
sự bay hơi laser lặp đi lặp lại, tạo thành vi cấu trúc hình kim dài với dộ dài chỉ với
một vài micro. Những cấu trúc dạng hình cây vi mô chỉ hướng theo hướng của
chùm laser tới vì hiệu ứng shadow.về mặt cơ học, chúng rất dễ vỡ và bị bẻ gãy bởi
do sốc nhiệt gây ra thông qua bức xạ tới laser mạnh. Những mảnh vỡ vụn được
mang tới đế bởi vùng giãn nỡ nhanh chóng và ngưng tụ thành màng.
6.Những giải pháp để tránh Splashing :
Trong số 3 quá trình đó, chỉ “liquid expulsion” và “ exfoliation” là nguồn có
ý nghĩa của Splashing. “Subsurface boiling “ không thể xảy ra trong hầu hết vật
liệu điện môi đáng quan tâm bởi vì mật độ năng lượng laser yêu cầu được dùng
dưới điều kiện PLD điển hình thì thấp hơn giới hạn của sự sôi mặt dưới.
a. Tấm lọc hạt cơ học :
Nỗ lực đầu tiên để loại bỏ Splashing là sử dụng bộ lọc vận tốc cơ học.
Một bộ lọc vận tốc cơ học được đặt giữa bia va đế để loại bỏ những hạt có vận tốc
chậm. Một rotor nhiều cánh hoạt động với 3000 rpm được đặt trong quãng đường
bay hơi để ngăn chặn những hạt với vận tốc nhỏ hơn 1000cm/s đến đế. Gần đây
nhất, bộ lọc vận tốc kiểu đa đĩa chi tiết hơn với tần số góc quay cực đại trên
10,000 rpm đã được phát triển bởi Dupendant và đồng nghiệp vào năm 1989, để
loại bỏ và nghiên cứu sự phân bố vận tốc của những hạt cỡ micro trong màng
YBCO và kim loại phủ bằng PLD.
b. Sự điều khiển vùng (Sự va chạm giữa hai vùng plasma) :

Phương pháp đầu tiên được tiến hành bởi Gapanov và đồng nghiệp
(1982) bằng cách cho giao nhau hai dòng đã đồng bộ hoá của laser tạo ra vùng.
Bởi vì những xung ngắn, mật độ số những loại nguyên tử và phân tử trong vùng
thì rất cao và quãng đuờng tự do thì ngắn. Bởi vì khối lượng có thể so sánh được
của chúng và sự ràng buộc bởi năng lượng sự bảo toàn động lượng, nên những
loại bị tán xạ sẽ đi dọc theo một hướng mới góc phân giác của 2 quỹ đạo ban đầu.
mặt khác thì sự va chạm giữa các hạt cỡ micro có thể bỏ qua là vì mật độ của
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
chúng rất ít. Chủ yếu là sự va chạm giữa các hạt nhỏ và các nguyên tử. vì khối
lượng khác nhau nên sự va chạm không làm thay đổi quỹ đạo của các hạt nặng.
Trong cách nay thì, đế được đặt dọc theo đường phân giác của trục của vùng trước
ống chuẩn trực mà nó dùng để tách những loại tán xạ. Đây là một cách giai quyết
khéo léo.
Một cách hiệu quả hơn của việc loại bỏ việc phát cạ hạt lớn đã được
tiến hành bởi Murakami với sự phát triển màng YBCO bằng cách sử dụng laser
Nd:YAG điều hoà bậc hai, cái mà được biết như là để tạo ra những hạt cỡ micro
mật độ cao (Murakami, 1992).
c. Cải thiện bề mặt bia :
Sankur đã tiến hành thí nghiệm với bia Ge nóng chảy (Sankur et al.,
1989). Việc sử dụng bia nóng chảy cho phép bia duy trì đuợc bề mặt nhẵn ở mọi
lúc, vì vậy hoàn toàn loại bỏ đuợc splashing vì không có sự tách lớp. Ngoài ra, áp
lực ngược của vùng tác động lên trên bia bỉ giảm xuống bởi chất lỏng nhớt, vì vậy
vì vậy loại bỏ splashing vì sự phóng ra do nóng chảy. Nhưng chỉ số ít vật liệu thoả
mãn yêu cầu này.
II.Khái quát về Laser Trong PLD :
Nói chung, phạm vi sử dụng của bước sóng laser cho việc phát triển màng
bằng PLD nằm trong khoảng 200nm ÷ 400nm. Hầu hết vật liệu dùng cho việc phủ
màng thể hiện sự hấp thụ mạnh trong vùng phổ này. Hệ số hấp thụ có xu hướng

tăng khi di chuyển từ cuối vùng sóng ngắn của giới hạn này và xuyên sâu vào
trong vật liệu bia thì tương ứng giảm. Đây là trường hợp có triển vọng bởi vì
những lớp mỏng hơn của bề mặt bia bị ăn mòn khi di chuyển đến gần mốc
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
200nm. Sự hấp thụ mạnh hơn ở bước sóng ngắn cũng là kết quả trong sự giảm
giới hạn dòng bay hơi. Dưới 200nm, sự hấp thụ mạnh bởi dải Schumann-Runge
của phân tử Oxy khiến cho công việc trong vùng này khó khăn hơn.Trong phạm
vi từ 200nm ÷ 400nm có một vài nguồn laser thương mại sẵn có có khả năng phát
ra dễ dàng mật độ năng lượng cao (>1J/cm
2
), trong một diện tích tương đối lớn(10
mm
2
hoặc lớn hơn), mà được yêu cầu cho công việc phủ màng bằng laser.
Excimer là hệ thống laser khí. Không giống Nd
3+
:YAG laser, những excimer
laser phát ra bức xạ trực tiếp của chúng trong vùng UV. Những hệ thống này có
thể đạt tới tần số xung lặp lên đến vài trăm hertz với năng lượng gần 500mJ/xung.
Tóm lại, excimer là sự lựa chọn cho công việc PLD.
II.1 / Excimer Basics :
Ánh sáng phát ra từ laser excimer nhận được từ một dụng cụ khuếch
đại phân tử trong đó hoạt động của laser xảy ra ở giữa trạng thái điện tử kích thích
liên kết và trạng thái điện tử cơ bản liên kết yếu hoặc mạnh. Bởi vì trạng thái cơ
bản là đẩy, những phân tử excimer có thể phân ly nhanh chóng (~10
-10
s) khí nó
phát ra một photon trong suốt quá trình chuyển tiếp từ trạng thái kích thích về

trạng thái cơ bản. Những phân tử ecximer được tạo thành từ một hỗn hợp khí của
thành phần của chúng chẳng hạn như Xe, HCl và Ne trong trường hợp của laser
XeCl.
KrF là một ví dụ của một phân tử Exceimer. Thông thường, khi Kr và F gần
nhau chúng sẽ đẩy nhau ra xa. Khi nguyên tử Kr hấp thụ năng lượng từ những
electron trong quá trình phóng điện của laser và tạo thành trạng thái kích thích.
Nếu kích thích nguyên tử Kr tiến gần đến một nguyên tử F, lực giữa chúng sẽ là
lực hút lớn hơn lực đẩy. Những nguyên tử kéo nhau tạo thành một phân tử
bền của KrF trong trạng thái kích thích. Phân tử bị kích thích sẽ không bền
lâu. Điển hình là thời gian sống của những phân tử excimer là nano giây,phân tử
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
excimer bị kích thích mất năng lượng của nó, chủ yếu là do phát xạ photon, và
giảm xuống trạng thái cơ bản. Nhưng vì trạng thái cơ bản vốn không bền và
không thể tồn tại hơn một pico giây hoặc hơn, chúng sẽ phân ly. Cơ chế cơ bản
của một excimer laser, những photon đựoc tạo thảnh khi nhưng phân tử excimer
suy giảm xuống trạng thái cơ bản của nó và bị phân ly. Chúng ta hãy xem những
gì xảy ra trong một excimer laser. Trong buồng chứa những khí thích hợp (một
lương nhỏ cảu Kr và F
2
trong trường hợp của KrF laser, và cộng thêm khí đệm
chẳng hạn như He và Ne), và sự đảo lộn dân số được tạo thành bởi một dòng điện
mà nó chạy từ điện cực điện thế cao qua khí đến một điện cực nền khác. Dòng
của dòng điện thì nó theo hướng vuông góc với trục quang và dòng khí. Chu trình
bắt đầu khi một điện tử va chạm với một nguyên tử Kr ở trạng thái cơ bản,
electron có thể kích thích Kr lên trạng thái kích thích, hoặc nếu nó có đủ năng
lựong nó có thể đẩy một electron ra khỏi Kr và tạo thành ion Kr :
e
-

+ Kr  Kr
*
+ e hoặc e + Kr  Kr
+
+ 2e
trong đó e là electron, Kr là nguyên tử Kr ở trạng thái cơ bản, Kr
*
là nguyên tử Kr
ở trạng thái kích thích, và Kr
+
là ion Kr (tức là Kr bị mất một e
-
)
Cũng như vậy, một vài electron va chạm với phân tử F
2
, sự va chạm của
electron với F
2
làm cho phân tử bị bẻ gãy, có thể ion hoá thành từng nguyên tử :
e
-
+ F
2
 F + F
-
Bây giờ tất cả những nguyên tử Kr ở trạng thái kích thích, ion F và ion Kr trong
vùng phóng điện laser, chúng có thể kết hợp theo một vài cách để tạo thành phân
tử excimer, chẳng hạn như :
Kr
+

+ F
-
(+ He, Ne)  KrF
*
+ (He, Ne)
Hoặc 2Kr
*
+ F
2
 2KrF
*
Một trong những điều tốt đẹp về những laser Excimer là nó dễ dàng tạo ra sự đảo
lộn dân số. Đó không phải là trạng thái cơ bản, vì vậy một phân tử excimer đơn
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
tương ứng với một điều kiện của sự đảo lộn mật độ. Vì vậy để có một laser bạn
phải có : một sự đảo lộn dân số và bộ cộng hưởng. Sự đảo lộn cần để vượt qua sự
mất mát của bộ cộng hưởng là khoảng 10,000 lần lớn hơn đòi hỏi cho những laser
khí loại khác. Không may, với những cách khác phân tử excimer có thể mất năng
lượng của nó mà không tạo ra photon laser.Nó có thể suy giảm nhanh chóng, hoặc
có thể toả ra năng lượng thừa với dạng nhiệt :
KrF* + hv -> KrF + 2hv Phát xạ kích thích.
KrF* —> KrF + hv Bức xạ tự phát
KrF* + F2 —> Kr + 3F + heat (F
2
bị phân huỷ bởi va chạm)
Ở đó hv là photon.
II.2 Một số thiết kế cho sự phóng điện Excimer Laser :
Mạch phóng điện điện tử thác đổ cơ bản bao gồm một vài tụ điện,

cuộn dây cảm ứng, và cặp điện cực. Yêu cầu sự phóng điện vửa được
thảo luận là bắt buộc phải có năng lượng cực đại khoảng 10
8
– 10
9
w
chuyển đến vùng phóng điện. Tụ điện lưu được nạp đến 40kV. Bộ
chuyển mạch thyratron (A thyratron is a type of gas filled tube used as a high energy
electrical switch and controlled rectifier. Triode, tetrode and pentode variations of the thyratron
have been manufactured in the past, though most are of the triode design. Gases used include
mercury vapor, xenon, neon, and (in special high-voltage applications or applications requiring
very short switching times) hydrogen) được đốt và năng lượng sau đó được
chuyển đến tụ điện đỉnh với thời gian xấp xỉ 100ns. Khi mà tụ điện đỉnh
nạp đủ, thì năng lượng chuyển đến vùng phóng điện với khoảng thời
gian 20-50ns. Những thiết kế phóng điện đầu tiên bị hạn chế bởi thời
gian sống thành thần ngắn và độ tin cậy kém. Bộ phận bị hỏng chủ yếu
cảu những thiết kế đầu tiên là bộ chuyển mạch thyratron điện thế cao.
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
Với những thiết kế này, thyratron phải chịu đựng được điện thế cao lên
đến 40kV, dòng là 15kA, và tốc độ dòng > 10
11
A/s. Kết quả là thời gian
sống của thyratron bị giới hạn đến chỉ 10
7
lần phóng điện.
Những nhược điểm trên sẽ được khắc phục với MSC (magnetic-
switch-control) discharge circuit. MSC giải quyết được vấn đề về thời
gian sống thành phần ngắn của những thiết kế đầu.với công nghệ MSC,

thì tốc độ dòng qua thyratron (dI/dt) cũng như dòng thyratron đỉnh về
bản chất cũng giảm.
Sơ đồ của một đầu Laser
III.Thiết bị trong PLD :
III.1 OPTICS
Giữa cổng ra của laser và cổng buồng(deposition chamber), các dụng cụ quang học được sắp xếp
để định hướng và hội tụ ánh sáng.
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
Dụng cụ quang học làm gia tăng gấp đôi năng lượng của laser tới bia bao gồm thấu kính( lense)
và khẩu độ(apertures); gương (mirrors); beam splitters(Note: A beam splitter is an optical
device that splits a beam of light in two); laser windows.
 aperture beam splitter (tách ánh sáng từ 1 chùm thành 2)
Khẩu hiệu mà chúng ta cần nắm là luôn giữ cho những dụng cụ quang này sạch. Dấu vân tay bụi
hoặc những thứ linh tinh không chỉ làm thay đổi đường đi của chùm ánh sáng mà còn gây tác hại
đến các dụng cụ quang học khác. Nói chung dụng cụ dùng cho UV thì rất đắt cho nên cần phải
giữ sạch sẽ và cần được bảo quản tốt, sử dụng găng tay và giấy lau chuyên dùng là 1 phần giúp
cho việc bảo quản được các dụng cụ quang này.
III.1.1 Lense and Aperture:
Lense: có nhiệm vụ là thu nhận các bức xạ phát ra từ nguồn laser và hội tụ nó đến 1 điểm trên bia
để tạo ra mật độ năng lượng cần thiết cho sự ăn mòn. Khi phủ nhiều loại màng có khác nhau
bằng PLD, một trong những thông số quan trọng nhất trong việc điều khiển được chất lượng kết
tinh và xếp chặt của màng là mật độ năng lượng laser (J/cm2) đến bia.
Khi chọn vật liệu làm thấu kính cũng cần quan tâm đến thông số truyền qua của vật liệu đó. Ví
dụ như sử dụng laser khí dùng KrF có bước sóng 248nm, thấu kính UV-grade fused-silica là 1
chọn lựa vừa mang tính kĩ thuật tốt vừa là lựa chọn kinh tế. Bảng sau đây cho biết 1 số vật liệu
được dùng làm vật liệu cho thấu kính và cửa sổ:
| Pulse Laser Deposion
4

Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
Material Transmittance Range(nm)
Magnesium flouride 140-7500
Sapphire 150-5000
Calcium flouride 150-8000
UV-grade fused silica* 190-2500;2600-4000
Zinc sulphide 400-12,000
Zinc selenide 550-16,000
*UV – grade fused silica hấp thu năng lượng trong khoảng 2500-2600nm.
Table: Trangsmittance Range for Various Lens and Window Materials.
Spherical Lens
| Pulse Laser Deposion
4
Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng
spherical lenses
Loại thấu kính cầu này thường được dùng nhiều nhất trong PLD.
Khẩu độ dùng để điều chỉnh cường độ của laser, làm giảm tác hại của laser đối với hệ quang học
của chúng ta trong hệ PLD.
III.1.2 Hệ gương:
Trong phòng thí nghiệm dùng hệ PLD, hệ laser khí đắt tiền có thể được dùng làm nguồn
cho nhiều hơn 1 buồng phủ màng, giúp làm giảm kinh phí rất nhiều. Nhiều buồng phủ màng có
thể được đặt 1 cách hợp lý cùng với hệ gương sẽ giúp tận dụng được nguồn laser.
III.1.3.Beam splitter:
Hình bên là sơ đồ của Beam Splitter
| Pulse Laser Deposion