Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

Khi đọc qua tài liệu này, nếu phát hiện sai sót hoặc nội dung kém chất lượng
xin hãy thông báo để chúng tôi sửa chữa hoặc thay thế bằng một tài liệu
cùng chủ đề của tác giả khác.
Bạn có thể tham khảo nguồn tài liệu được dịch từ tiếng Anh tại đây:
/>Thông tin liên hệ:
Yahoo mail:
Gmail:


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

I. Lịch sử và những nền tảng của PLD
1. Giới thiệu :
Laser, nhƣ một nguồn năng lƣợng tinh khiết trong dạng những photon đơn
sắc và kết hợp, đang có đƣợc 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 đƣợc dùng trong việc khoan những đƣờng hầm khổng lồ dƣới những con
kênh ở nƣớc Anh. Trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn nhƣ luyện kim, công nghệ y
khoa, và công nghệ điện tử, laser đã trở thành một công cụ không thể thay thế
đƣợc. 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 nhƣ một công cụ
chủ động bằng việc kết hợp năng lƣợng bức xạ của nó vào trong vật liệu để đƣợc
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 nhƣ nhiều khám phá kĩ của kĩ thuật khác, những ứng dụng khác nhau
của Laser đã không đƣợc định nghĩa ngay từ đầu, nhƣng 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 trƣớc tiên là chủ yếu là khảo sát lý thuyết trên sự tƣơng tác của
laser với bia. Những thí nghiệm đã đƣợc 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 htể là đơn giản
nhất trong số tất cả những phƣơng pháp phát triển màng. Một Laser mang năng
lƣợng cao đƣợc dùng nhƣ một nguồn năng lƣợng bên ngoài để bốc bay vật liệu và
| Pulse Laser Deposition

1


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

để phủ màng mỏng. một sự sắp đặt những thành phần quang học đƣợc 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
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 trƣờng phản ứng của
nhiều loại khí với nhau hoặc không có sự kích thích Plasma.

2. Tại sao PLD lại đƣợc sử dụng khá phổ biến
Kĩ thuật PLD đã tìm thấy những lợi ích đáng kể so với những
phƣơng 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 nhƣ YCBO (YBa2Cu3O7+), có thể tái tạo lại trên
màng đƣợc phủ.

ii.

Tốc độ phủ khá cao, điển hình ~ 100 A0/ min, có thể đạt đƣợc khi
dòng laser ổn định, với độ dày màng điều khiển đƣợc trong thời gian
thực bằng việc điều khiển tắt mở laser một cách đơn giản.

iii.

Thực tế thì laser đƣợc dùng là một nguồn năng lƣợng 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.
2

| Pulse Laser Deposition


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

iv.

Việc sử dụng một chứa nhiều bia có thể xoay vòng trong buồng cho
phép những màng đa lớp đƣợc 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, nhƣng vẫn còn tồn tại những vấn đề cần
đƣợc giải quyết, có ba vấn đề chính đó là :
i.

Vùng plasma đƣợc tạo ra trong suốt quá trình bay hơi bằng laser thì
đƣợc định hƣớng trực diện cao, vì vậy độ dày của vật liệu thu đƣợc
trên đế thì độ bất đồng đều cao và thành phần có thể rất khác nhau

trên màng. Diện tích vật liệu đƣợc phủ thì rất nhỏ, điển hình ~ 1 cm2
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) cm2.

ii.

Những vật liệu đƣợc phủ có chứa cả những giọt hình cầu vĩ mô của
vật liệu tan chảy, khoảng ~ 10 μm đƣờng kính. Những hạt đó tới trên
đế thì hiển nhiên có hại cho thuộc tính của màng đƣợc phủ.

iii.

Quá trình cơ bản, xảy ra bên trong vùng plasma đƣợc 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 ƣu 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 lƣợng cao đầu tiên sẵn có, đã có một
dòng những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên sự tƣơng tác của chùm
laser có cƣờnh 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
| Pulse Laser Deposition

3


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

những vật liệu đƣợc bay hơi đã đề nghị rằng sự bức xạ của laser cƣờng độ cao có

thể đƣợc dùng để phủ màng mỏng. Ý tƣởng này đã đƣợc 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 bƣớc 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 đƣợc phát triển để phát ra những xung ngắn với mật độ năng lƣợng đỉnh
rất cao. Nó đã làm mở rộng phạm vi lựa chọn vật liệu. nhƣng chính cái đột phá
thứ hai, cái mà đƣợc khơi mào bởi sự phát triển thành công màng siêu dẫn ở nhiệt
độ cao Tc vào năm 1987, thật sự đã đƣa PLD đi lên. Việc tiên phong đã đựơc dẫn
đƣờng bởi Venkatesan of Bencore (Dijkamp et al., 1987 ; Wu et al., 1990) đã
thuyết phục những ngƣời đó ngƣời mà trƣớc đây đã hoài nghi về sự phát triển của
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 đƣợc chia thành bốn giai đọan, mỗi một giai đoạn
đƣa 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, đƣợc 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 trƣng cần thiết cho sự phát triển
sau này. Cái động lực của việc nay( thì tƣơng 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
| Pulse Laser Deposition

4


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

mức độ nhiễm bẩn thấp và sự dễ dàng điều khiển quy trình. Bởi vì nguồn năng
lƣợng 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 đƣợc sử dụng thành công trong PLD, chẳng hạn
nhƣ laser CO2 (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 trƣng độc nhất của PLD đã đƣợc 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 CO2 với bƣớc sóng 10.6 μm với những photon có thể
làm bay hơi nhiều vật liệu mà nó không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy nhƣng là
chắn phổ hồng ngoại ở bƣớc sóng 10.6 μm. Bởi vì độ sâu hấp thụ lớn hơn của
những photon có bƣớc sóng 10.6μm, tuy nhiên, lớp chất lỏng đƣợc tạo thành
bằng chùm laser thì dày và có thể là gây ra những hiệu ứng không mong muốn
chẳng hạn nhƣ là ―splashing‖ của những hạt cỡ micro và thỉnh thoảng lệch
hƣớng từ sự bay hơi phù hợp. Nói chung, chất lƣợng màng thì kém so với
những màng đƣợc 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 hƣớng 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 lƣợng với sự
phân bố kích thƣớc và điện tích của những loại đƣợc tạo thành bằng sử bốc bay
| Pulse Laser Deposition

5

Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

bằng xung laser (Knox and Ban, 1968), nói chung đã đồng ý rằng tƣơng 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 đƣợc từ việc nghiên tƣơng tác chất rắn-laser
đƣơc áp dụng để cải thiện điều kiện phủ màng. Sự phát triển của PLD theo kinh
nghiệm là chính.
Một xu hƣớng thông thƣờng 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 ƣu 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 đƣợc chứng minh trong giai đoạn này. Ví dụ,
nghiêm cứu trên màng perovskite odxide BaTiO3 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
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 đƣợc 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.

3.2

1970-1979

Trong suốt những năm 1970, hai sự phát triển chính đã thêm vào một hƣớng
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”(Modelocking : là một kĩ thật trong quang học bằng cách nào đó laser có thể đƣợc tạo ra để tạo thành
| Pulse Laser Deposition

6


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

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
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 đƣợc trở thành sẳn có cho sự phát ra
xung quang học rất ngắn để đạt đƣợc một năng lƣợng đỉnh lớn hơn 108 W/cm2 .
Theo biểu thức cơ bản trong điện từ học sau :

7

E = (2Φ/cε0n)1/2
| Pulse Laser Deposition


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

Trong đó : E là điện trƣờng của sóng điện từ (V/m)
Φ là mậ độ năng lƣợng (W/cm2)

ε0 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 lƣợng bức xạ cực đại tác động lên
vật liệu là 5x108 W/cm2. Trƣờng điện thế tƣơng đƣơng bên trong vật liệu sẽ là
5x105 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 lƣợng này, sẽ chuyển đổi thành dạng
Plasma. Nói cách khác, PLD có thể đƣợc dùng để bay hơi phủ màng mỏng của bất
kỳ vật liệu nào nếu mật độ năng lƣợng laser đƣợc hấp thụ la đủ cao. Việc sử dụng
xung laser ngắn đƣa ra những lợi thế khác, chẳng hạn nhƣ là sự bay hơi thích hợp.
tiêu chuẩn cho điều kiện này yêu cầu thể tích bị làm nóng, đặc trƣng bởi độ dài

khuếch tán nhiệt trong suốt tƣơng tác laser và bia L = 2(D.τ)1/2 , trong đó D là độ
khuếch tán nhiệt và τ là thời gian tƣơng 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
dụng xung laser ngắn cho sự bốc bay là có khả năng hơn để đạt đƣợc sự bốc bay
đồng dạng mà cho phép PLD bảo toàn hợp thức qua sự chuyển khối lƣợng 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 ƣu 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 lƣợng màng. Sự bay hơi đồng dạng đã đƣợc quan sát trong nhiều hệ
| Pulse Laser Deposition

8


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

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 nhƣ ReB22 (Dessere and Eloy, 1975).
Một vài hoạt động cổ điển trng PLD đã đƣợc 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 trƣng quan trọng nhất của PLD. Nó
đƣợc chứng minh lần đầu tiên bởi Gapanov, ngƣời đã phủ mành oxide trong môi
trƣờng oxi hoá và sau đó là Oestereicher, ngƣời mà phủ màng hydride trong môi
trừong hydrogen. Bởi vì sự thiếu hụt của những yếu tố điện hoạt động nhƣ là sợi
dây tóc và điện cực phóng điện, bất kì loại khí phản ứng nào có thể đƣợc sử dụng.
một thuận lợi khác của PLD trong môi trƣờng phản ứng thỉ hoạt tính của pha khí

đƣợc tăng cƣờng vì động năng ở nhiệt độ cao (1-20eV) và năng kƣợngkích thích
điện tử của các loại laser bốc bay.
Trong giai đoạn này, PLD cũng đã đƣợc 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
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 đƣợc xác định bởi Sheftal với
sự nghiên cứu có tính hệ thống hơn.tuy nhiên, hiệu ứng này đã không đƣợc thảo
luận trong công việc của Gapanov trên siêu mạng bán dẫn chứa những hợp chất
III-V. Để phát triển màng chất lƣợng cao, một nguồn bốc bay riêng biệt của những
nguyên tố nhóm V phải đƣợc sử dụng để bổ sung cho sự mất mát vì sự tái bay hơi.

| Pulse Laser Deposition

9


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

Màng mỏng siêu dẫn chất lƣợng cao đã không đƣợc chế tao mãi cho đến những
năm 1980.

3.3

1980-1987

Với chất lƣợng đƣợc cải thiện và chấp nhận đƣợc của những Laser
thƣơng 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 lƣợng có thể so sánh đƣợc với những sự
sự phát triển màng bàng MBE. Ví dụ, Hiệu Ứng Hall Lƣợng tử nhờ có những hạt
tải hai chiều trong bán dẫn hợp chất đã đƣợc 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 lƣợng cao bằng PLD đã đƣợc tiến hành trƣớc 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 đƣợc dùng để bay hơi CdTe với hiệu suất cao thông qua một quá trình 2-bƣớc
mặc dù thực tế rằng vùng cấm của CdTe thì lớn hơn năng lƣợng của những photon
có bƣớc 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 dƣới những điều kiện điều khiển chính
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 đƣợc với thiết bị Knudsen
đƣợc dùng trong MBE. Ngoài ra, sự bay hơi của CdTe bằng laser Nd:YAG đã loại
bỏ đƣợc ―Splashing‖ khiến cho sự phủ những lớp epitaxy có thể mềm mại hơn.
| Pulse Laser Deposition

10


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

Đơn lớp, sự nuôi trồng cấu trúc dị thể, những bán dẫn từ loãng và siêu mạng đã
đƣợc nuôi cấy thành công. Bởi vì sự cạnh tranh từ phƣơng pháp MBE để nuôi cấy
Hg1-xCdxTe , 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 Hg1-xCdxTe với bất kỳ dạng
nào của vùng cấm. Với sự điều chỉnh dòng bay hơi chính xác và nhanh, một lớp
Hg1-xCdxTe nuôi bằng phƣơng pháp PLD có thể đạt đƣợc 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
đƣợc.
Trong suốt giai đoạn này, có một sự góp nhặt lớn của việv phát triển
màng Oxide và Flouride bằng PLD. Hầu hết, chúng đƣợc dùng cho những màng
quang học. Một sự cải thiện trong những màng đƣợc phủ bằng chùm electron trên
mầm tinh thể đã đƣợc nghiên cứu, tƣợng trƣng cho độ linh động bề mặt cao vì
năng lƣợng 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.

3.4

1987 – 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 đƣợc thực hiện vào năm 1983
(Zeitsev-Zotov et al., 1983), qui trình đã đƣợc 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 trƣớc cộng
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
| Pulse Laser Deposition

11

Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

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 hƣớng gần đây nhất trong sự phát triển của PLD bao gồm epitaxy dị
thể của Oxide trên bán dẫn chẳng hạn nhƣ 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 Tc 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 tƣơng tác bia-laser đã đƣợc nghiên cứu lâu
trƣớc khi có thí nghiệm đầu tiên về PLD. Một thời gian ngắn sau sự phát triển của
Laser, đã nhận thấy rằng sự tƣơng 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 tƣơng tác chùm tia-chất
rắn dƣới mật độ năng lượng thấp. Nguyên tắc cơ bản, mô hình giả định độ trễ giữa
sự hấp thụ laser va sự bay hơi, khoảng trì hoãn đã đƣợc xác định bẳng tỉ lệ khuếch
tán nhiệt cho đến một nhiệt độ giới hạn bên trong chất rắn đạt tới. một năng lƣợng
| Pulse Laser Deposition

12


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

laser giới hạn thì cần để đạt đƣợc điều kiện này. Mô hình này đã đƣợc dùng trƣớc
đây để nghiên cứu ảnh hƣởng của sự tƣơng tác chùm laser trên bề mặt kim loại.
Khi nó đƣợc áp dụng vào để nghiên cứu sự tƣơng tác laser và chùm tia dƣới mật độ
năng lƣợng trên 108W/cm2 , cái mà đƣợc sử dụng tiêu biểu trong các thí nghệm của
PLD, mô hình đơn giản đó không thể đáp ứng đƣợc. Thừong thì sự đánh giá nhiệt
độ bề mặt thông qua sự tƣơng tác và không thể giải thích đƣợc sự phát xạ electron
và ion. Ngoài ra nó cũng hoàn toàn bỏ qua sự tƣơng tác của bức xạ laser với vùng
plasma. Với những mô hình thực tế hơn đã đƣợc phát triển sớm. Song vẫn chƣa có
mô hình nào có thể mô tả tất cả những hiện tƣợng liên quan đến tƣơng tác bialaser. 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 chƣa
đƣợc trả lời.
Hạn chế thông thƣờng trong các mô hình là sự đồng ý rằng tƣơng tác laser-bia là
một quá trình phức tạp bao gồm có nhiều hơn một cơ chế. Có 3 kiểu hấp thụ phải
đƣợc 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 trƣng 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
dƣới vùng cấm xảy ra bên trong mạng. Những quá trình thực tế xảy ra trong PLD,
dƣới điều kiện bức xạ năng lƣợng cao, thì phức tạp hơn nhiều.Một mô hình chuẩn
yêu cầu sự mô tả của một quá trình nhiều bƣớc. Khi chùm laser đập lên bia, những
photon bị hấp thụ bởi bề mặt, tạo thành những lớp tan chảy. Lớp này đƣợc xem

| Pulse Laser Deposition

13


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

nhƣ là một lớp knudsen. Quá trình bay hơi, cái mà xảy ra trong một thời gian rất
ngắn nhƣng với một lựơng đáng kể của khối lƣợng 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 trƣớc đây với việc dời vật liệu từ bia,
điều đó thì quan trọng nhƣng đã bỏ qua khía cạnh lớn hơn đó là sự tƣơng tác thứ
cấp giữa bức xạ laser và vùng plasma. Sự tƣơng tác bậc cao giữa laser va vùng
plasma có thể mang ảnh hƣởng có ý nghĩa đến những đặc trƣng của sự bốc bay.
Nhiệt độ của Plasma đƣợc nâng lên và sự bốc bay trở nên mang năng lƣợng nhiều
hơn, cái mà có thể ảnh hƣởng 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 dƣới những điều kiện phù hợp với những điều kiện
PLD hiện tại.

Bảng 1.1 : Những mô hình lý thuyết của sự tƣơng tác laser-chất rắn.

Author

Year

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 1967

Results

Vapor flow, pressure jump across Knudsen layer.
| Pulse Laser Deposition

14


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

Krohkin
Anisimov

1968

Temperature, pressure, and density discotinuty across knudsen
layer.

Hassanein, kulcinski, 1984

Material removal by vaporization in vacuum.

and Wolfer
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‖ đƣợc xem nhƣ 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 đƣợc. Tuy nhiên, ―Splashing‖ là một vấn đề nội tại ,
vì vậy nó có nhiều khó khăn để vƣợt 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 lƣợng 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 đƣợc quy vào là ― true plashing‖ bởi Ready (1963). Nó
xảy ra cho dù thời gian yêu cầu để chuyển năng lƣợng 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
| Pulse Laser Deposition

15


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

da. Dƣới điều kiện này, lớp dƣới mặt đƣợc làm nóng nhanh trƣớc 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 nhƣ Hg1-xCdxTe .
Schwarz và Tourtellotte (1969) đã đánh giá mật độ năng lƣợng laser cực đại mà bề
mặt chất rắn có thể hấp thụ mà không gây ra Splashing, qua công thức :
Dmax = LρHev / tr

Trong đó : tr là thời gian hồi phục,
L skin depth.
ρ là mật độ khối.
Hev là nhiệt bốc bay.
L liên quan tới độ dẫn điện σ và hệ số xuyên thấm của vật liệu Km :
L=
ở đó f là tần số của bức xạ. Xét những bia kim loại chẳng hạn nhƣ titanium, giả sử
rằng σ = 2.4 x 104 (Ω.cm)-1, do đó Dmax = 5 x 108 W/cm2. Còn với những vật liệu
điện môi, độ dẫn điện nhỏ hơn và Dmax 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 ngƣợc của sóng xung
kích.
Không giống nhƣ sự sôi mặt dƣới 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 ngƣợc đƣợc gây ra bởi sóng xung kích của
vùng plasma. Tín hiệu của splashing kiểu này cũng tạo thành những giọt hình cầu
ngƣng tụ cỡ micro, và do đó không thể phân biệt đuợc từ splashing thực.
5.3. Exfoliation (sự tách lớp)
| Pulse Laser Deposition

16


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

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 lƣợng laser cũng nhƣ hình thái học của bề mặt của bia. Với hầu hết
vật liệu, trong những bia gốm đƣợc kết thành từ những hạt, bề mặt bị xói mòn bởi
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 hƣớng theo hƣớng 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 đƣợc
mang tới đế bởi vùng giãn nỡ nhanh chóng và ngƣng 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 lƣợng laser yêu cầu đƣợc dùng
dƣới điều kiện PLD điển hình thì thấp hơn giới hạn của sự sôi mặt dƣới.
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 đƣợc đặt giữa bia va đế để loại bỏ những hạt có vận tốc
chậm. Một rotor nhiều cánh hoạt động với 3000 rpm đƣợc đặt trong quãng đƣờng
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 đƣợc 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) :

| Pulse Laser Deposition

17


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

Phƣơng pháp đầu tiên đƣợc 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 lƣợng có thể so sánh đƣợc
của chúng và sự ràng buộc bởi năng lƣợng sự bảo toàn động lƣợng, nên những
loại bị tán xạ sẽ đi dọc theo một hƣớng 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
chúng rất ít. Chủ yếu là sự va chạm giữa các hạt nhỏ và các nguyên tử. vì khối
lƣợng khác nhau nên sự va chạm không làm thay đổi quỹ đạo của các hạt nặng.
Trong cách nay thì, đế đƣợc đặt dọc theo đƣờng phân giác của trục của vùng trƣớc
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 đƣợc
tiến hành bởi Murakami với sự phát triển màng YBCO bằng cách sử dụng laser
Nd:YAG điều hoà bậc hai, cái mà đƣợc biết nhƣ 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 ngƣợc 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. Nhƣng chỉ số ít vật liệu thoả
mãn yêu cầu này.
18

| Pulse Laser Deposition


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

II.Khái quát về Laser Trong PLD :
Nói chung, phạm vi sử dụng của bƣớc 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 hƣớng
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 trƣờng hợp có triển vọng bởi vì
những lớp mỏng hơn của bề mặt bia bị ăn mòn khi di chuyển đến gần mốc
200nm. Sự hấp thụ mạnh hơn ở bƣớc sóng ngắn cũng là kết quả trong sự giảm
giới hạn dòng bay hơi. Dƣới 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 thƣơng mại sẵn có có khả năng phát
ra dễ dàng mật độ năng lƣợng cao (>1J/cm2), trong một diện tích tƣơng đối lớn(10
mm2 hoặc lớn hơn), mà đƣợc yêu cầu cho công việc phủ màng bằng laser.
Excimer là hệ thống laser khí. Không giống Nd3+: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 lƣợng 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 đƣợc từ một dụng cụ khuếch
đại phân tử trong đó hoạt động của laser xảy ra ở giữa trạng thái điện tử kích thích
| Pulse Laser Deposition

19


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

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 (~10-10s) 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 đƣợc tạo thành từ một hỗn hợp khí của
thành phần của chúng chẳng hạn nhƣ Xe, HCl và Ne trong trƣờng hợp của laser

XeCl.
KrF là một ví dụ của một phân tử Exceimer. Thông thƣờng, khi Kr và F gần
nhau chúng sẽ đẩy nhau ra xa. Khi nguyên tử Kr hấp thụ năng lƣợng 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
excimer bị kích thích mất năng lƣợng của nó, chủ yếu là do phát xạ photon, và
giảm xuống trạng thái cơ bản. Nhƣng 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 nhƣng 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
lƣơng nhỏ cảu Kr và F2 trong trƣờng hợp của KrF laser, và cộng thêm khí đệm
chẳng hạn nhƣ He và Ne), và sự đảo lộn dân số đƣợc 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 hƣớng 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,

| Pulse Laser Deposition

20


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

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 nhƣ vậy, một vài electron va chạm với phân tử F2, sự va chạm của
electron với F2 làm cho phân tử bị bẻ gãy, có thể ion hoá thành từng nguyên tử :
e- + F2  F + FBây 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 nhƣ :
Kr+ + F- (+ He, Ne)  KrF* + (He, Ne)
Hoặc

2Kr* + F2  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
tƣơng 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 hƣởng. Sự đảo lộn cần để vƣợt qua sự
mất mát của bộ cộng hƣởng 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
lƣợng của nó mà không tạo ra photon laser.Nó có thể suy giảm nhanh chóng, hoặc
có thể toả ra năng lƣợng thừa với dạng nhiệt :
KrF* + hv -> KrF + 2hv

Phát xạ kích thích.

KrF* —> KrF + hv

Bức xạ tự phát

KrF* + F2 —> Kr + 3F + heat

(F2 bị phân huỷ bởi va chạm)

Ở đó hv là photon.
| Pulse Laser Deposition

21


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

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 đƣợc
thảo luận là bắt buộc phải có năng lƣợng cực đại khoảng 108 – 109 w
chuyển đến vùng phóng điện. Tụ điện lƣu đƣợc 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)

đƣợc đốt và năng lƣợng sau đó đƣợc

chuyển đến tụ điện đỉnh với thời gian xấp xỉ 100ns. Khi mà tụ điện đỉnh
nạp đủ, thì năng lƣợng 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.
Với những thiết kế này, thyratron phải chịu đựng đƣợc điện thế cao lên
đến 40kV, dòng là 15kA, và tốc độ dòng > 1011 A/s. Kết quả là thời gian

sống của thyratron bị giới hạn đến chỉ 107 lần phóng điện.
Những nhƣợc điểm trên sẽ đƣợc khắc phục với MSC (magneticswitch-control) discharge circuit. MSC giải quyết đƣợc 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 nhƣ dòng thyratron đỉnh về
bản chất cũng giảm.
| Pulse Laser Deposition

22


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

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 đƣợc sắp xếp
để định hƣớng và hội tụ ánh sáng.
Dụng cụ quang học làm gia tăng gấp đôi năng lƣợng của laser tới bia bao gồm thấu kính( lense)
và khẩu độ(apertures); gƣơng (mirrors); beam splitters(Note: A beam splitter is an optical
device that splits a beam of light in two); laser windows.

23

| Pulse Laser Deposition


Phƣơng Pháp Chế Tạo Màng Mỏng

 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 đƣờng 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 đƣợc bảo quản tốt, sử dụng găng tay và giấy lau chuyên dùng là 1 phần giúp
cho việc bảo quản đƣợc 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 lƣợng 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 đƣợc chất lƣợng kết
tinh và xếp chặt của màng là mật độ năng lƣợng 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 nhƣ sử dụng laser khí dùng KrF có bƣớc 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
đƣợc dùng làm vật liệu cho thấu kính và cửa sổ:
Material

24

Transmittance Range(nm)

| Pulse Laser Deposition