Chapter 2 背景知識
2.2 脈衝雷射蒸鍍法(Pulsed Laser Deposition, PLD）
2.2.1 原理
脈衝雷射沉積法（pulsed laser deposition, PLD）是用高能量的脈衝雷射，經 過透鏡聚焦之後打入靶材，當雷射光束照射靶材表面，使得靶材表面吸收高能量，
而瞬間氣化形成一團具有高動能的電漿氣體，噴射至待鍍基板上形成薄膜。因為 靶材對紫外光的吸收較強，吸收深度較短，所以脈衝雷射蒸鍍製程所使用之脈衝 雷射多採用紫外光波段之雷射。
由於脈衝雷射的脈衝長度極短 (約在 10−8 s)且功率極高，所以靶材表面還未 達到熱平衡即被瞬間完全氣化，使得薄膜的組成成份幾乎與靶材相同。PLD 的優 點還有靶材不需要太大的面積，薄膜沉積速率高，以及樣品結晶品質易掌控。控 制實驗中腔體氣體壓力、雷射功率、靶材與基板距離和鍍膜時間，可以準確控制 薄膜厚度達數個原子層。其中雷射能量影響到薄膜品質較深，它會影響到沉積速 率和噴出電漿團粒子數多寡。然而脈衝雷射沉積法沉積薄膜面積小，不適合工業 界量產的需求。
當雷射打入靶材時，雷射與材料間的交互作用，區分為四個過程如圖 2-3，
實際上各個機制都會有所重疊，也就是說整個過程是連續且同時進行。
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2.2.2 不同氧壓氧化鋅電漿團
電漿團的組成及形成相當複雜，又名等離子體，是由自由電子和帶電離子形 成電中性的氣體。圖 2-4 分別為氧化鋅在氧壓 3×10-2和 3×10-1 mbar，用 PLD 鍍 膜方式所打出的電漿團，電漿團在高氧壓環境像是在有阻力流體中流動，參與反 應的氧原子多，光團前緣的邊界較清楚較亮較集中。氣壓較低則光團粒子較少受 氣體碰撞，能量較高但光團較長卻散較開，明顯的觀察到在高氧壓的電漿中心處 比低氧壓亮。
圖 2-3 PLD 鍍膜雷射與靶材的交互過程 (a)雷射與靶材的交互作用(b)靶材吸收雷射能量 後融化產生原子、雙原子、分子、離子等形成 的等離子團，時間約 0.1 微秒(c)等離子電漿團從 靶材表面垂直噴出飛出，時間約 2 微秒(d)噴出 的電漿沉積在基板上面，時間約 4 微秒[8]
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圖 2-4 脈衝雷射打入氧化鋅靶材電漿團(a)氧壓 3×10-2mbar (b)氧壓 3×10-1mbar
2.2.3 PLD 鍍膜系統
實驗設備約可分為三個部分，脈衝雷射、高真空腔體與抽氣設備，脈衝雷射 使用的是 LOTIS TII 公司的 Nd :YAG 雷射來當作光源，是四波段的固態雷射是 將釹（Nd 3+）離子掺於釔鋁石榴石 Y3Al5O12（Yttrium Aluminum Garnet, YAG）
晶體中，用閃光燈脈衝激發 YAG，頻率為 10 Hz，可激發脈衝寬度約 16-18ns，
波長為 1064nm 的雷射光，使用非線性晶體可使頻率加倍，論文中所有實驗的樣 品製備，均以四倍頻的晶體將波長調整為 266nm 的雷射輸出。
高真空腔體是委託國家實驗研究院儀器科學技術研究中心所製造，材質為不 鏽鋼，雷射入光口使用可穿透 266nm 紫外光特殊規格玻璃，雷射從衰減片出口 到達靶材本身，透鏡組穿透率為 69％，透鏡為焦距為 30cm。抽氣設備由機械與 渦輪幫浦組成，先使用機械幫浦初抽至 10-3mbar，在輔以渦輪幫浦到高真空 10- 7 mbar 等級。
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圖 2-5 為實驗室設備示意圖，266nm 波長的紫外光雷射，因為直接由雷射腔 體射出之能量過大(>600mJ)，所以需先經過衰減片(attenuator)，過濾部分能量，
經反射後由透鏡聚焦成一光點後，穿過玻璃打在真空腔內的靶材上形成電漿團。
反射鏡步進馬達控制傾斜角改變光點打在靶材上的位置，加熱棒可以由溫控程式 設定基板的薄膜沉積溫度，流量控制器控制氣體進入腔體流量，維持鍍膜工作的 氣體壓力。
圖 2-5PLD 鍍膜系統簡圖
266nm 波長的紫外光經步進馬達、透鏡和玻璃打在真空腔內的靶材形成電漿 團，碰觸到基板而沉積薄膜
Laser Attenuator
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