PLD 依靠強(qiáng)大的準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行各種薄膜的化學(xué)計(jì)量生產(chǎn)，從先進(jìn)電池研究到超導(dǎo)帶材的大規(guī)模生產(chǎn)。

有許多方法可以用于制造電子、光學(xué)和光子應(yīng)用所需的各種薄膜，例如熱蒸發(fā)、反應(yīng)濺射、化學(xué)氣相沉積等。但近年來(lái)，脈沖激光沉積 (PLD) 已成為許多新興薄膜應(yīng)用的首選技術(shù)之一，從純實(shí)驗(yàn)室研究工具轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)如今的大規(guī)模量產(chǎn)。讓我們一起來(lái)看看 PLD 的工作原理、主要優(yōu)勢(shì)和一些有趣的應(yīng)用。

在 PLD 中，將一塊固體薄材料（稱為靶材）放置在真空室內(nèi)，靠近待沉積薄膜的基板上。然后，根據(jù)材料的特性，可以選擇工作波長(zhǎng)為 193 nm、248 nm 或 308 nm 的高能紫外線準(zhǔn)分子脈沖來(lái)照射靶材。準(zhǔn)分子激光脈沖的高能量密度可產(chǎn)生具有高度電離和高動(dòng)能的原子種類。這些原子緩慢地沉積在基板上，逐漸形成一層材料薄膜。

化學(xué)計(jì)量結(jié)果

化學(xué)計(jì)量比是一個(gè)化學(xué)術(shù)語(yǔ)，指的是材料中不同原子的比例。例如，乙烯的化學(xué)計(jì)量比是指氫和碳的比例為 2:1。當(dāng)在 PLD 中使用類似石墨的元素靶材（即只含有碳原子），由于沒(méi)有其他的可能性，薄膜的組成將始終與靶材相同。

但許多重要的新型薄膜擁有相當(dāng)復(fù)雜的化學(xué)計(jì)量比。比較突出的示例是高溫超導(dǎo)體 (HTS) 和鈣鈦礦材料，它們用于新型光子器件，包括新一代太陽(yáng)能電池。挑戰(zhàn)在于蒸發(fā)靶上的材料，并以與原始靶材相同的比例——即以相同的化學(xué)計(jì)量比沉積到基板上。該過(guò)程稱為化學(xué)計(jì)量沉積，而此類薄膜稱為化學(xué)計(jì)量薄膜。

化學(xué)計(jì)量 PLD 生成與靶材成分相同的薄膜

使用準(zhǔn)分子激光器的 PLD 的主要優(yōu)勢(shì)之一是，當(dāng)工藝經(jīng)過(guò)適當(dāng)優(yōu)化后，它能生產(chǎn)出優(yōu)秀的化學(xué)計(jì)量薄膜。它能在多種材料范圍內(nèi)做到這一點(diǎn)，這對(duì)于功能依賴于兩種或多種材料交替層的先進(jìn)設(shè)備更為重要。相比之下，其他幾種沉積工藝往往難以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，特別是在材料包含質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)截然不同的原子混合物時(shí)。

合適的準(zhǔn)分子激光器

三個(gè)激光參數(shù)對(duì)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(xué)計(jì)量比的高產(chǎn)量高密度薄膜。

首先是高光束均勻性。均勻的光束強(qiáng)度允許在相同的優(yōu)化能量密度下更大面積的靶材被剝離。光斑熱點(diǎn)或弱點(diǎn)可能會(huì)影響優(yōu)化效果，降低薄膜質(zhì)量和均勻性。出于同樣的原因，PLD 需要具有良好脈沖穩(wěn)定性的準(zhǔn)分子激光器。最后，PLD 需要具備高脈沖能量和高功率的準(zhǔn)分子，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線中的工藝批量擴(kuò)展。

Coherent高意公司的 COMPex 系列準(zhǔn)分子激光器是 PLD 應(yīng)用的領(lǐng)先選擇，因?yàn)樗鼈儩M足所有這些要求。這些激光器具有高達(dá) 750 mJ 的脈沖能量，功率超過(guò)30W，提供出色的脈沖穩(wěn)定性 (0.75% rms)，可確保高能量密度控制。

PLD的應(yīng)用場(chǎng)景

高溫超導(dǎo)帶材

多層高溫超導(dǎo) (HTS) 帶材包含 PLD 沉積的稀土氧化鋇銅 (REBCO) 超導(dǎo)層，是新一代用于聚變、MRI 和粒子加速器的磁體以及具有低損耗特性的電網(wǎng)組件的關(guān)鍵組成部分。只有基于準(zhǔn)分子激光的 PLD 被證明能夠提供適用于實(shí)際工業(yè)應(yīng)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(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施。5G 和新一代 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)依賴具有精確摻雜濃度的更薄、更具壓電活性的結(jié)晶薄膜。PLD 方法可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的 RF 薄膜，同時(shí)，成本比傳統(tǒng)濺射沉積工藝更低。它生產(chǎn)出了具有均勻 RF 特性的高度有序的薄膜，已經(jīng)準(zhǔn)備好迎接 5G 和 6G 時(shí)代。

類金剛石薄膜

耐磨且機(jī)械穩(wěn)定的類金剛石薄膜 (DLC) 涂層具有非常低的摩擦系數(shù)，是經(jīng)濟(jì)高效地使用高應(yīng)力工具和組件的關(guān)鍵。準(zhǔn)分子激光器可在低溫 PLD 工藝中沉積無(wú)氫 DLC 層，并與準(zhǔn)分子激光退火相結(jié)合，可確保對(duì)多種材料的良好附著力。

薄膜晶圓

薄膜制造廣泛應(yīng)用于各種基于晶圓的市場(chǎng)，例如 MEMS、半導(dǎo)體、光伏、OLED 顯示屏和 RF 前端濾波器。成熟PLD工藝可應(yīng)用于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下的300毫米晶圓，使系統(tǒng)供應(yīng)商能夠擴(kuò)展他們的能力和薄膜的復(fù)雜性/功能，超越了濺射、原子層沉積或化學(xué)氣相沉積等現(xiàn)有方法。

固態(tài)薄膜電池

基于固體電解質(zhì)的電池有望為不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車市場(chǎng)提供更遠(yuǎn)的續(xù)航里程和更快的充電能力。PLD 促進(jìn)了先進(jìn)的離子導(dǎo)體固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展，包括具有可調(diào)密度和化學(xué)計(jì)量比的陽(yáng)極和陰極材料，以及納米級(jí)薄膜厚度精度。

透明導(dǎo)電氧化物

在各式各樣的太陽(yáng)能電池（如鹵化物鈣鈦礦光伏電池）中，一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)是，將透明導(dǎo)電電極沉積在敏感的有機(jī)層上。基于晶圓的 PLD 能夠?yàn)闊o(wú)緩沖半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制造高質(zhì)量透明電極。

準(zhǔn)分子激光器是適用于 PLD 的理想激光器

總之，準(zhǔn)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(xué)計(jì)量薄膜的制造，同時(shí)具備高脈沖能量和平均功率以提高工業(yè)生產(chǎn)效率。正如這些不同的示例所證明的那樣，它可以應(yīng)用于生產(chǎn)加工極其廣泛的薄膜，使其成為當(dāng)今發(fā)展最快的激光應(yīng)用之一。

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