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Kreuzstrahl Laser-Ablation

Vakuum-Beschichtungsanlage
Barbara Abendroth

Synthese von: Metallische und oxidische funktionale Oberflächenbeschichtungen und Multilayern. Beispiele Aluminosilikate, ZrO2/W Multilayer, Al-Ti-Mischoxide.

Methode: Die Kreuzstrahllaserablation (cross beam pulsed laser deposition, CBPLD) gehört zu den Vakuumbeschichtungsmethoden zur Herstellung von funktionalen Oberflächenbeschichtungen. Mögliche Einsatzgebiete sind z.B. Schutz-Beschichtungen für chemisch, thermisch oder mechanisch stark beanspruchte Oberflächen. Der Prozess findet unter Ultrahochvakuumbedingungen oder in einer Inert- oder Reaktivgas Atmosphäre bei niedrigem Druck statt. Ein intensiver, gepulster Laser wird dazu verwendet das Ausgangsmaterial, das sogenannte Target zu zerstäuben. Daraus entsteht eine Plasmawolke, die sich mit hoher Geschwindigkeit ausbreitet und auf die zu beschichtende Oberfläche trifft. 

Besonderheiten: Durch die Überlagerung von zwei simultan erzeugten Plasmafackeln lassen sich die Stöchiometrie und die kinetische Energie der Atome bei der Schichtbildung gezielt steuern. Die Herstellung von kristallinen Phasen abseits des thermodynamischen Gleichgewichts steht hier im Fokus. Zur Kontrolle und Steuerung der Plasmaparameter ist die Anlage für den Einsatz verschiedener Methoden der Plasmadiagnostik konzipiert. Die chemische Zusammensetzung und Ionisationsgrade der Plasmafackeln werden spektroskopisch bestimmt, Verteilungen der kinetischen Energie der Plasmaspezies können mittels energieaufgelöster Massenspektroskopie ermittelt werden.

Anlagenparameter

CBPLD Anlage

  • Targets: metallische oder keramische Scheiben, Durchmesser 25 mm
  • Substrate: Silizium Wafer, Größe bis 10 x 10 mm2 
  • Temperatur: Raumtemperatur bis 1000 °C
  • Modi: klassische PLD, Kreuzstrahl-PLD, Multilayer
  • Laser: KrF Excimer Laser, Wellenlänge 248 nm, Pulsenergie bis 700 mJ, Pulsdauer 25 ns; Repetitionsrate 1-50 Hz
  • Hintergrunddruck 1 x 10-8 mbar, Arbeitsgas Ar, N2, O2 bis 1 x 10-4 mbar

Optische Emissionsspektroskopie

  • Spektrometer: Kymera 325 mit vierfach-Gitterturm, Gitter: 150,  600 und 1200 Linien/mm, Spiegel für die direkte Abbildung
  • Kamera: Andor iStar gated sCMOS Kamer, 2560 x 2560 Pixel, minimale Gate Breite 10 ns

Massenspektrometer

  • Hiden EQP quadrupol mass-energy analyzer
  • Messbereich Massen: 1-1000 amu
  • Messbereich kinetische Energie 0-1000 eV
  • Modi: Neutrale, positive Ionen, negative Ionen, appearance potential

Kontakt

Prof. Dr. Dirk C. Meyer
Verbindungshalbleiter und Festkörperspektroskopie
Institut für Experimentelle Physik

Geräteverantwortliche: Dr. Barbara Abendroth
barbara [dot] abendroth [at] zehs [dot] tu-freiberg [dot] de