Depósito mediante Ablación Láser

Una de las técnicas de depósito de películas delgadas queha dado notables resultados en los últimos años es la de ablación láser, o depósito por láser pulsado (PLD) por susiglas en inglés (Pulsed Laser Deposition).

Inicialmente esta técnica era poco considerada debido a su tendencia de depositar macropartículas junto con átomos y moléculas. Sin embargo, debido al éxito paradepositar capas finas de cerámicas superconductoras de alta temperatura crítica, se despertó un gran interés en el perfeccionamiento de la técnica, utilizándose hoy ya en escala industrial.

PLD:descripción

Conceptualmente PLD es extremadamente simple, como se ilustra en forma esquemática en la figura.

La configuración experimental más escueta consiste en un portasustrato y un portablanco. Un haz de alta intensidad de láserpulsado se hace incidir sobre el blanco (target), vaporizándolo y depositando una película delgadasobre el sustrato.

portablanco

portasustrato

Contrastante con su simplicidad conceptual es la complejidad de los procesos físicos que intervienen en PLD.

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BLANCO

SUBSTRATO

3. Expansión de la pluma de ablación

1. Interacción láser -materia

4. Interacción pluma-sustrato y depósito.

2. Evaporación del material

Pulsed Laser Deposition: etapas básicas

1.- En la superficie del material (blanco) se absorbe la radiación proveniente del láser, provocando estados electrónicos excitados que decaen al estado fundamental mediante la emisión de fonones. En esta rápida conversión electrón-fonón tiene lugar el calentamiento del sólido depositándose una gran cantidad de energía en un volumen muy pequeño y durante un tiempo muy corto (6-12 ns), de forma que la temperatura superficial del blanco se eleva y aparece una interfaz sólido-líquido que se mueve hacia el interior. La interfaz entre el material ya fundido y el sólido continúa avanzando mientras el material se vaporiza en forma de pluma.

2.- La absorción fotónica por parte del vapor del material da origen a la formación de un plasma constituido por toda una variedad de elementos, como iones, moléculas y otras especies e incluso pequeñas gotas, partículas del material constitutivo del blanco, que son arrancadas íntegramente de él. Una vez formada la pluma ésta se va a propagar en dirección normal al blanco.

LASER ABLATION

TARGET SUBSTRATELASER BEAM

Laser-target interaction

Transport of ablated material

Ablated material-substrateinteraction

20 ns

COATINGABLATEDTARGET

3.- Finalmente, cuando cesa el pulso del láser, la superficie del blanco se resolidifica, cambiando sus características físicas, en morfología y en algunos casos incluso en composición.

Se ha comprobado la existencia de una densidad de energía umbral del láser, a partir de la cual comienza a aparecer el fenómeno de ablación. Por encima de este valor se produce la erosión del material y por debajo se pueden observar modificaciones en su morfología y estructura y la desorción de alguno de sus componentes.

Estructuras típicas que se forman en el blanco durante el proceso de ablación láser.Imágenes SEM cedidas por S.Chiussi- 03

Estas rugosidades superficiales pueden originar la desviación de la pluma de ablación:

Fotografía de la pluma de ablación

Micrografía SEM de la superfice del blanco ablacionado

Imágenes cedidas por P. González -04

Para estudiar las interacciones entre haz láser y el sólido, se suelen utilizar modelos térmicos, los cuales permiten expresar la energía A debida al láser en cada instante y en cada punto del espacio, despreciando la difusión térmica, mediante la siguiente relación:

A(x,t) = [1-R(x,t)]I(t)αe-αx

Donde I(t) es la intensidad del pulso del láser, α es el coeficiente de absorción del blanco y R su reflectividad. Por otra parte, teniendo en cuenta que en la etapa inicial de la ablación láser tiene lugar una transición líquido-vapor, debemos extender el modelo térmico mediante la inclusión del efecto de la presión superficial del líquido Ps sobre la temperatura de vaporización Tv , a través de la ecuación de Clausius-Clapeyron:

Tv = [1/To –ln(Ps/Po)/∆H]-1

Donde To es la temperatura de vaporización a presión atmosférica Po y ∆H es el calor latente de vaporización.

Nuevas tecnologías PLD

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BLANCO

SUBSTRATO

1. Ablación láser (PLD)+

Atmósfera reactiva =Reactive-PLD

2. Ablación Láser+

Atmósfera reactiva+

Descarga eléctrica =

RF-ReactivePLD,DC-ReactivePLD

ELECTRODO

Fotografía del interior de la cámara de ablación durante un depósito RF-Reactive PLD

La técnica PLD presenta una serie de ventajas frente a otras técnicas de depósito de capas delgadas, entre las que podemos destacar:

•Es posible depositar materiales con altos puntos de fusión, ya que no es necesario fundir el blanco, la única condición es que absorban la radiación láser.

•La composición del blanco se reproduce en el recubrimiento cuando se trabaja con una densidad de energía adecuada.

• Disminución de la porosidad y rugosidad de la capa depositada.

• Alta reproducibilidad