薄膜沉積系統簡介與步驟

本實驗使用脈衝雷射蒸鍍系統（Pulse Laser Deposition System； PLD）製作薄膜，

系統架構如圖 3. 2 所示。

圖 3. 2：PLD 設備。

利用聚焦後的雷射光束打破材料表面數層的原子、分子結合能，瞬間將物質昇華剝 離；由於雷射為脈衝形式，材料只有表面會產生反應，能保持靶材之原子、分子成份，

因此可蒸鍍化合物而不破壞其組織成份。脈衝雷射沉積具有蒸鍍速率高、蒸鍍薄膜和靶 材的組成非常相近的特性，且品質良好純淨、系統架設簡易、不須額外電源即可產生電 漿環境等優點。多年來在製備高超導薄膜、金屬氧化物薄膜…等樣品，已有廣泛的應用。

本實驗室所使用的雷射為 KrF 準分子雷射（Lambda Physika Lextra 200），光源波長 為𝜆=248 nm，脈衝寬度為 12 ns。每一個脈衝最高輸出能量為 500 mJ，雷射出光頻率可 從 1 Hz 調整至 10 Hz。由於雷射輸出波長屬於紫外光波段，無法以肉眼觀察，因此另外 採用一可見光束來做為校準光源。校準光源為綠色可見光的 Nd-YAG 雷射，將其光源設 置在 KrF 準分子雷射後頭，如圖 3. 3 所示，使 Nd-YAG 雷射與 KrF 準分子雷射兩光源 的路徑幾乎相同。鍍膜前調整好綠光位置，使 KrF 準分子雷射可精準的打在靶材表面適 當的位置上。

圖 3. 3：KrF 準分子雷射與 Nd-YAG 雷射位置相對示意圖。

由於雷射出光能量並非均勻，因此先利用一長方形的限光器，只擷取雷射中央能量 較均勻的部份；經過限光器的光束再經過一反射鏡，將光源引向真空腔的方向。利用焦 距為 40 cm 的抗反射覆膜透鏡聚焦，控制雷射轟擊靶材表面的能量密度。經過反射聚焦 後，雷射光束將聚焦在靶材上，面積約 4 cm²；而光束與靶材表面的夾角為45˚。

鍍膜的步驟如圖 3. 4 所示。

圖 3. 4：鍍膜流程示意圖。

(a) 潔淨基板：

a-1：利用鎢鋼筆將基板裁切成適當的大小後，裝在燒杯中分別用丙酮、甲醇、

去離子水以隔水的方式，置於超音波震盪器中震盪五分鐘，最後用氮氣吹淨表面。

a-2：依序利用不同型號之砂紙，由粗至細，將鋼板拋光後，分別以丙酮、甲醇、

去離子水擦拭乾淨，並用氮氣吹淨表面。

KrF 準分子雷射共振腔 綠光 Nd-YAG 雷射

(b)真空系統

(c)控制鍍膜條件

(d)成長薄膜 (a)潔淨基板

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a-3：利用銀膠將基板黏貼在鋼板上，用烤盤以 150 ˚C 烤 15 分鐘。

(b) 真空系統：

b-1：將高真空計與分子幫浦閥門關閉後，通以液氧氣體使真空腔體充滿氧氣，

使之破真空。

b-2：將黏貼好基板的鋼板置於加熱燈泡前，分別將感溫計、吹風口及靶材的位 置調好，測試靶材自轉、雷射光路、出風口位置後，關閉真空腔門。

b-3：如圖 3. 5 所示，先打開閥門 B，用機械幫浦將真空腔體初抽至5 × 10⁻² torr 以下，關閉閥門 B 後，打開分子幫浦電源及閥門 C，使分子幫浦運轉至正常轉速後，

再打開閥門 A，將真空度抽至6 × 10⁻⁶ torr 以下。

圖 3. 5：真空系統示意圖。

Laser beam

靶材

吹氣口 基板

加熱燈泡 真空計

機械幫浦

分子幫浦 閥門 A

閥門 B

閥門 C

圖 3. 6：由觀景窗往 chamber M 內拍攝鍍膜情形。

(c) 控制鍍膜條件：

鍍膜條件設定脈衝頻率 5 Hz、雷射能量約 3~5 J/cm²為鍍膜條件。打開加熱燈泡 電流使真空腔體環境加熱到適當溫度，控制超高純氧至適當氧壓，使靶材自轉後可 開始鍍膜。

(d) 成長薄膜：

將 La0.5Ca0.5MnO3靶材用脈衝雷射蒸鍍出電漿後，電漿離子會在基板表面沉積成 核島，最後再聚集成連續薄膜，如圖 3. 7 所示。

圖 3. 7：薄膜沉積原理示意圖。

鍍膜完成後關閉加熱器、真空計、靶材自轉電流、雷射及閥門 A，將大量氧氣通入 鍍膜腔體內進行淬冷（quench），直到溫度降為常溫。

靶材 holder Laser 入光

靶材自轉與公轉軸 出風

控溫 加熱燈

基板黏貼

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