脈衝雷射蒸鍍(Pulsed laser deposition, PLD)

脈衝雷射蒸鍍技術乃藉由高能/高工率雷射照射於靶材表面，使 靶材表面因吸收高能雷射而瞬間激發生成一高能羽狀電漿(plume)噴 發至基板表面，進而達到沉積的目的。然而，由於雷射能量/功率/脈

50

衝時間以及靶材能隙、鍵結能的差異，雷射與靶材間的交互作用將包 含熱過程(thermal process)與非熱過程(non-thermal process)。

當雷射光能量(E_hv)小於材料鍵結能時(Eb)，雷射的照射對材料熱 過程為主，使靶材表面溫度升高。若是雷射光能量(E_hv)大於材料鍵結 能時(Eb)，雷射將可以直接破壞靶材材料之鍵結。然而，當雷射能量 大於材料之能隙時，仍有機會藉由激發其電子至反鍵結態，進而使其 脫附；此外，若是以高功率短脈衝的雷射對材料進行照射，其熱效應 將僅集中於靶材表面。因此，大多數脈衝雷射皆採用大於材料能隙之 高功率短脈衝雷射進行沉積，藉由高功率雷射對靶材表面微小區域的 瞬間汽化，縱使靶材包含著多種不同熔點/游離能的組成，仍能以相 同的計量比轉移至基板表面進行沉積，因此，脈衝雷射蒸鍍技術被廣 泛應用於複合氧化物的沉積應用上。

本實驗 ZnO 磊晶製程採用 Pascal Laser-MBE 系統

(MC-LMBE-MAQ)搭載 KrF 準分子雷射(248nm, 1~3J/cm², 2~5Hz)為 激發源，以純度 99.99%以上、緻密性 99%以上的 ZnO 商用靶進行磊 晶成長。

Pascal Laser-MBE 其架構如圖 3-1 所示。此系統採用雷射加熱系

51

統，搭載一支可於高氧壓操作的臨場監控的反射式高能電子繞射儀 (in-situ RHEED)，並具備載入/載出腔體(load-lock chamber)以維持主 腔體的真空度。

圖 3-1Pascal Laser-MBE 系統示意圖。

此系統之加熱模組示意如圖 3-2 所示，該系統以 808 nm 高功率 雷射為加熱源，並且與高溫光學測溫計(pyrometer)同時對焦於承載盤 (susceptor)上，輔以比例微分積分控制器(proportional–integral–

derivative controller, PID)進行溫度控制。由於系統熱源來自襯托基板 對雷射能量的吸收，故可加熱的最高溫度主要受限於承載盤的種類，

本實驗以氧化處理後的鎳錠為承載盤，溫度極限大約可升至 900C；

52

由於熱源為雷射，而主要的被加熱體只有承載盤以及相黏於另一側的 試片，故其升降溫速率可超過 100C/min，且無須擔心加熱器本身的 損耗。

圖 3-2 二極體雷射加熱系統示意圖。

本系統除了載入/載出腔體以及主腔體各自搭載一套獨立的真空 幫浦外，於 RHEED 之電子源以及出光口，各額外配置一台渦輪分子 幫浦(turbo molecular pump)，如圖 3-3 所示；藉由這兩具額外的真空

53

幫浦，可確保主腔體真空壓力<300 mtorr 時，熱燈絲電子源仍處於 10^-7 torr 之超高真空環境，因此，本系統之 RHEED 於製程通入氣體時，

仍可正常運作，以達到臨場監控表面形貌的目的。

圖 3-3 高壓反射高能電子繞射儀與脈衝雷射沉積系統示意圖[3.1]。