PLD 依靠強大的準分子激光器進行各種薄膜的化學計量生產，從高級電池研究到超導帶材的批量生產。

有許多方法可以生產用于電子、光學和光子應用的各種類型的薄膜，例如熱蒸發、反應濺射、化學氣相沉積。 但近年來，脈沖激光沉積 (PLD) 已成為許多新興薄膜應用的首選技術，從純粹的實驗室研究工具過渡到支持現如今的批量制造。 讓我們一起來看看 PLD 的工作原理、主要優點和一些有趣的應用。

在 PLD 中，將一塊固體薄材料(稱為靶材)放置在真空室內，靠近要沉積薄膜的基板。 然后，根據材料的特性，可以選擇工作波長為 193 nm、248 nm 或 308 nm 的高能紫外線準分子脈沖來照射靶材。 準分子激光脈沖的高通量可產生具有高度電離和高動能的原子種類。 這些原子沉積在基板上，慢慢地形成一層材料膜。

化學計量結果

化學計量是一個化學術語，指的是材料中不同原子的比例。 例如，乙烯的化學計量是指氫和碳的比例為 2:1。 當在 PLD 中使用像石墨(即只有碳原子)這樣的元素靶材時，薄膜將始終具有與靶材相同的成分，因為沒有其他可能性。

但是許多重要的新型薄膜擁有相當復雜的化學計量。 比較突出的示例包括用于新型光子器件(包括新一代太陽能)的高溫超導體 (HTS) 和鈣鈦礦材料。 挑戰在于蒸發靶上的材料并將所有原子以與原始靶形式相同的比例(相同的化學計量)沉積到基板上。 該過程稱為化學計量沉積，而此類薄膜稱為化學計量薄膜。

圖 2. 化學計量 PLD 生成與靶材成分相同的薄膜。

使用準分子激光器的 PLD 的主要優勢之一是，當工藝經過適當優化后，它能夠生產出優秀的化學計量薄膜。 它能夠使用多種材料做到這一點，這對于功能取決于兩種或多種材料的交互層的先進設備更為重要。 相比之下，其他幾種沉積工藝往往難以實現這一點，特別是在材料包含質量和化學性質截然不同的原子混合物的情況下。

合適的準分子激光器

三個激光參數對于成功的 PLD 非常重要，其中成功是指具有均勻厚度和正確化學計量的高產量高密度薄膜。

首先是高光束均勻性。 均勻的光束強度允許在相同的優化通量下燒蝕更大的靶材區域。 光束熱點或弱點可能會影響這種優化并降低薄膜質量和均勻性。 出于同樣的原因，PLD 需要具有良好脈沖間穩定性的準分子激光器。 最后，PLD 需要具有高脈沖能量和高功率的準分子，以實現生產線中的工藝批量擴展。

Coherent 公司 COMPex 系列準分子是 PLD 應用的優先選擇，因為它們滿足所有這些要求。 這些激光器具有高達 750 mJ 的脈沖能量和超過 30 瓦的功率，提供出色的脈沖穩定性 (0.75% rms)，可確保高通量控制。

PLD 的應用場景

高溫超導帶材

多層高溫超導 (HTS) 帶材包含 PLD 沉積的稀土氧化鋇銅 (REBCO) 超導層，是用于聚變、MRI 和粒子加速器的新一代磁體以及具有低損耗特性的電網組件的關鍵原料。 只有基于準分子激光的 PLD 被證明能夠提供適用于實際工業應用的 HTS 薄膜。

射頻壓電濾波器

基于壓電氮化鋁 (AlN) 薄膜的射頻 (RF) 濾波器廣泛用于移動通信基礎設施。 5G 和新一代 Wi-Fi 標準依賴具有精確摻雜濃度的更薄、更具壓電活性的結晶薄膜。 PLD 方法可生產出優質的 RF 薄膜，同時，成本比傳統濺射沉積工藝更低。 它生產出了具有均勻 RF 特性的高度有序的薄膜，為 5G 和 6G 時代做好準備。

類金剛石碳層

耐磨且機械穩定的類金剛石碳 (DLC) 涂層具有極低的摩擦系數，是經濟高效地使用高應力工具和組件的關鍵。 準分子激光器可在低溫 PLD 工藝中沉積無氫 DLC 層，在與準分子激光退火結合使用時，可確保對多種材料的良好附著力。

薄膜晶圓

薄膜制造廣泛應用于各種晶圓市場，例如 MEMS、半導體、光伏、OLED 顯示屏和 RF 前端濾波器。 工業晶圓尺寸高達 300 mm 的成熟 PLD 工藝使系統供應商能夠擴展他們的能力和薄膜復雜性/功能，超越了濺射、原子層沉積或化學氣相沉積等現有方法。

固態薄膜電池

基于固體電解質的電池有望為不斷增長的電動汽車市場提供更遠的續航里程和更快的充電能力。 PLD 促進了先進的離子導電性固體電解質的發展，包括陽極和陰極材料，這些材料均具有可調節密度和化學計量以及納米級厚度精度。

透明導電氧化物

在各式各樣的太陽能電池(如鹵化物鈣鈦礦光伏電池)中，一項主要挑戰是，將透明導電電極沉積在敏感的有機層上。 基于晶圓的 PLD 能夠為無緩沖半透明鈣鈦礦太陽能電池制造高質量透明電極。

準分子激光器是適用于 PLD 的理想激光器

總之，準分子是適用于 PLD 的理想激光器，可提供高光子能量以支持化學計量薄膜的生成，并能提供高脈沖能量和平均功率以提高工業生產率。 正如這些截然不同的示例所證明的那樣，它可以應用于極其廣泛的薄膜，使其成為當今發展超快的激光應用之一。

審核編輯 黃宇