第三章 實驗儀器與方法
3.3 脈衝雷射沉積系統
PLD 為一種特別的物理氣相沈積法，且是一創新並具多功能性的鍍膜技術，
能像分子束磊晶法(MBE)長出品質很好的磊晶薄膜，並可精準控制薄膜厚度至奈 米等級。PLD 系統是利用簡單的實驗概念及方法，它基本的配備只需要雷射光 源、光學鏡片組、靶材座、樣品座、真空腔體。
3.3.2 PLD 優缺點
(1) 優點：
A. 化學劑量比(chemically stoichiometry)完全轉移
PLD 的機制為非平衡態的，當靶材變成電漿且還未達到熱平衡時就已經沉 積在基板上，所以靶材的成分比例幾乎可完全不變的鍍在基板上，而非傳統
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的鍍膜系統須靠化學平衡或熱平衡來達成所需。
B. 高能量的離子束
傳統上鍍膜系統可調節的能量參數有限，如 sputtering 只能增加 Ar 離子的能 量從幾 Ev 至幾十 Ev，PLD 系統卻可以改變雷射的聚焦大小，這樣電漿的能 量可以輕易改變 3 至 4 個數量級以上，以達我們所需。
C. 廣泛的反應氣體背景壓力
傳統鍍膜因材料需求，在真空腔體內灌入反應氣體，但因電漿的能量不夠，
故只能在超高真空的環境下進行，PLD 系統因能量可輕易達 3 至 4 個數量 級，故有較大的背景氣體壓力可調節，可輕易的和反應氣體產生反應。
D. 簡易的控制材料參數
可以以單靶、雙靶甚至多靶系統，再配合雷射能量調節，甚至加入反應氣體，
可輕易的控制我們鍍膜的各項參數，找出最佳的條件。
E. 較低的基板溫度
因 PLD 的電漿 能量 較高，所以 沉積在 靶 材上 的分子 有足夠 的 流動性 (mobility)，讓分子可移動到自由能(free energy)較低的地方，甚至結晶；傳統 上為讓分子有足夠的流動性，會將基板加至高溫，而 PLD 甚至可以在常溫 下鍍膜並得到相同的效果。
(2) 缺點：
A. 易產生顆粒在被鍍的基板上
PLD 易產生顆粒沉積在基板表面上，這對要求高平整度的薄膜時，是很大的 致命傷，因顆粒的產生很容易造成鍍好的膜在應用上時易受破壞，或影響反 射率。
B. 薄膜大小的限制
因高強度雷射只能集中在表面一點，所以游離出的電漿大小有限，因此鍍膜 的範圍也會同時受限制，故難以商業化。
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3.3.3 PLD 的機制
PLD 是將脈衝雷射光束聚焦在固體的靶材表面上，固體表面大量吸收電磁 輻射，導致把材物質快速蒸發而噴出輝光電漿束(plasma plume)，電漿束裡的物質 沉積在基板上完成鍍膜。
而 PLD 一般的機制可分成四個部分如圖 3.3.3-1：
圖 3.3.3-1 PLD 機制示意圖[66]
更細微的分析產生輝光電漿束的整個過程：
不同材料會有不同從基態躍遷至激發態的吸收能階，當材料吸收屬於其吸收 能階之能量後，可將其鍵結打斷而形成游離態。雷射波長為一定值，所以對應可 提供材料的游離能也是固定的，當雷射所提供的游離能大於靶材的吸收能階時，
靶材的物質會很迅速地被游離成離子態而形成電漿；當雷射所提供隻游離能低於
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靶材的吸收能階時，就必須有足夠強度的雷射來游離出靶材中原子的種子電子 (seed electron)，再利用種子電子去撞擊靶材本身，而將靶材中的原子游離出來形 成電漿。
基於以上兩點論點,這裡將 PLD 的機制分成：吸收過程及非吸收過程兩種 機制。
吸收過程：
圖 3.3.3-2 中，從左到右七個階段分別為:
1. 雷射作用於靶材表面 2. 靶材表面開始加溫溶化
3. 靶材表面溫度高至使其蒸發游離產生電漿 4. 產生之電漿間碰撞以達熱平衡
5. 電漿開始膨脹並向前傳播與分裂
6. 電漿在行進過程間因碰撞行進空間中之原子減速冷卻凝結 7. 電漿降溫崩潰及沉積
圖 3.3.3-2 PLD 吸收過程 非吸收過程：
圖 3.3.3-3 中，從左到右七個階段分別為:
1. 雷射作用於靶材表面之強度產生足夠游離場 2. 種子電子產生於靶材表面
3. 靶材表面之種子電子持續被雷射加熱並持續撞擊靶材
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4. 靶材表面被此效應游離成電漿 5. 電漿開始膨脹並向前傳播與分裂
6. 電漿在行進過程間因碰撞行進空間中之原子減速冷卻凝結 7. 電漿降溫崩潰及沉積
圖 3.3.3-3 PLD 非吸收過程 以上兩種機制解釋 PLD 之形成過程。
3.3.4 儀器介紹
PLD 高真空系統如圖 3.3.4-2，另外實驗室所使用的是 LOTISTII，型號 LS-2147 的 Nd3+:YAG 雷射(圖 3.3.4-2)來當作光源，使用的光波長是 1064nm 的四倍 頻 266nm，其規格如表 3.3.4-1。
圖 3.3.4-1 PLD 高真空系統
Nd3+:YAG 雷射
Turbo pump
chamber
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表 3.3.4-1 Nd3+:YAG 雷射規格表
圖 3.3.4-2 Nd3+:YAG 雷射(型號:LS-2147)