Abteilungsbericht 1998 der Abteilung Festkörperphysik der Universität Ulm

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Aufbau und Möglichkeiten der Laserablations-Apparatur
Grundkonzeption der Kammern
Spezielle Konstruktionsmerkmale der UHV-Kammer
Spezielle Konstruktionsmerkmale der HV-Kammer
Dissertationen & Diplomarbeiten

I.E. Durch Laserablation hergestellte Schichten

Die überaus erfolgreiche Entwicklung von PLD (Pulsed Laser Deposition) - Verfahren zur Herstellung dünner oxidischer Ein- und Mehrlagenfilme stöchiometrisch komplizierter Stoffe wie z.B. der Hoch-T_c-Supraleiter YBa₂Cu₃O_7-d oder neuerdings das Magnetowiderstandsmaterial La_0.7Ca_0.3MnO_3-d , sowie die überaus interessanten Perspektiven der PLD von Metallen im Hinblick auf die Präparation von Nichtgleichgewichts-Phasensystemen lassen die Laserablation als eine besonders wichtige und vielseitige Präparationsmethode für dünne Filme und Vielfachschichtsysteme erscheinen. Wir haben uns deshalb entschlossen, entsprechende Experimentiermöglichkeiten aufzubauen, die, unterteilt nach der Herstellung oxidischer oder metallischer Filme, möglichst flexibel gestaltet sein sollten. Das Ergebnis wird im folgenden kurz dargestellt.

Aufbau und Möglichkeiten der Laserablations-Apparatur

Die Gesamtanlage, vergleiche Bild I.E.1, umfaßt einen Excimerlaser (LamdaPhysik Typ COMPEX 201), der wahlweise mit ArF (193 nm) oder KrF (248 nm) betrieben werden kann, einem N₂-Gas-gefüllten Strahlführungssystem und zwei Ablationskammern: eine UHV-Kammer für metallische Ein- und Vielschichtfilme und eine HV-Kammer für oxidische Schichtpakete. Im Endausbau werden die Kammern rechnergesteuert dünne Filme bei Basisdrücken von 10^-10 mbar bzw. 10^-8 mbar auf Substrate der Größe 1/2" x 1/2" bzw. von 10 x 5 mm² bis 50 x 20 mm² liefern.

Das zentrale Qualitätsproblem bei der Herstellung laserablatierter Schichten ist die Bildung von Tröpfchen. Um diese so weit als möglich zu vermeiden, wurden verschiedene Maßnahmen zur Homogenisierung von Laserstrahlung und Target ergriffen. So rotiert und oszilliert (senkrecht zur Einfallsebene) das jeweils unter Beschuß stehende scheibenförmige Target, um eine Aufrauhung durch ständige Bestrahlung von einer Seite zu vermeiden; eine mechanische Glättung des Targets ex situ kann so entfallen.

Im optische Aufbau, siehe Abb.I.E.2, wird darüber hinaus durch Abschneiden divergenter Randstrahlen mit Hilfe eines Spalts im Zwischenfokus eines Zylinderteleskops bzw. durch Abbilden einer Feldmaske auf das oxidische Target eine gewisse Homogenisierung des Beleuchtungsflecks erreicht. Alle optischen Komponenten sind entspiegelt. Der optische Aufbau ist so dimensioniert, daß auch ein kommerzieller Strahlhomogenisierer zur weiteren Verbesserung eingesetzt werden könnte. Erwähnenswert ist außerdem ein mechanisch schaltbarer Strahlabschwächer, der rechnergesteuert die optimale Anpassung der Beleuchtungsdichte an die Schwellwerte verschiedener Materialien unter ansonsten konstanten Laserstrahleigenschaften ermöglicht.

Grundkonzeption der Kammern

Grundgedanke unserer Kammerkonstruktionen ist, daß die PLD ein optisches Verfahren zur Erzeugung von Mehrlagenfilmen im abgeschlossenen UHV ist. Das Target wird deshalb nicht nur wie bei der Mehrzahl bestehender Anlagen mit einem Laser unter 45° beschossen, sondern das Target oder die Plasmafackel kann mit bis zu drei verschiedenen Lichtquellen/Lasern beleuchtet werden. Auch das Substrat kann auf mehreren Wegen von vorne und von hinten bestrahlt werden. Konsequenterweise wird die Substratheizung in beiden Kammern durch cw-CO₂-Laser realisiert, was ein sehr schnelles Aufheizen, große Homogenität und schnelles, bei Bedarf auch mehrstufiges Quenchen erlaubt; weitere Vorteile hierdurch sind die kleine Wärmelast, die verringerte Kontamination und eine große Variabilität im Substrat-Target-Abstand bei einfachem Aufbau.

Spezielle Konstruktionsmerkmale der UHV-Kammer

Die Grundgeometrie, siehe Abb.I.E.3, sieht eine axiale Anordnung von Target und Substrat vor. Der Abstand zwischen beiden kann unter Vakuum zwischen 10-110 mm stetig variiert werden. Ebenso ist die Position des Targets in drei Dimensionen wählbar. Dagegen liegt die Translationsachse des Substrats in der Kammer fest.

Sowohl das Substrat als auch bis zu vier Targets können bei einem Druck kleiner 10^-7 mbar eingeschleust werden. Die Hauptkammer ist bis zu 150°C ausheizbar. Reine Argon- oder Stickstoffgase stehen zum Spülen oder Fluten zur Verfügung.

Eine Besonderheit ist die Substratkühlung: unabhängig von der Substratposition kann die Substratrückseite gegen eine LN₂-gekühlte Fläche gedrückt werden. Zum Erwärmen kann diese Verbindung jederzeit und instantan gelöst werden; zur weiteren Beschleunigung oder Aufheizung bis auf einige 100°C wird zusätzlich ein Heizlaser eingesetzt. Die Temperatur wird per Thermoelement oder Pyrometer kontrolliert.

In situ-Charakterisierungsmöglichkeiten bestehen in einer besonders bei Mehrlagensystemen interessanten Vierpunkt-Widerstandsmessung, einem Schichtdicken-messer und einem Massenspektrometer.

In den Ablationsmechanismus kann mit Hilfe einer Rotations-Linear-Durchführung eingegriffen werden, indem man beispielsweise Ablenkgitter oder Hilfsentladungselektroden oder eine Schattenmaske (mit Argongas-Hintergrund) einklappt.

Schließlich besteht noch die Option, künftig mit einem thermischen Verdampfer konventionelle Aufdampfschichten zum Vergleich oder in Kombination aufzubringen.

Spezielle Konstruktionsmerkmale der HV-Kammer

Der Konstruktion liegt ein Standard-CF 200-T-Stück zugrunde. Ansonsten wurden in der ersten Ausbaustufe die Mehrzahl der Flansche und die Möglichkeiten des UHV-Kammerdesigns übernommen. Lediglich die Schleuse wurde weggelassen und die kommerziellen UHV-Durchführungen und -Manipulatoren durch selbstgebaute, kunststoffgedichtete Durchführungen (Baukasten-Prinzip) ersetzt. Der erreichbare Basisdruck liegt aber (ohne Ausheizen) im guten 10^-8 mbar-Bereich. Eine Nachrüstung auf UHV-Standard wäre möglich.

Zunächst setzen wir auf eine axiale Target-Substrat-Anordnung mit variablem Abstand von 20 – 150 mm. Der Sauerstoff wird ringförmig vor das Substrat geblasen; als Hintergrundgas kann Argon- oder N₂-Gas eingesetzt werden. Wieder können eine Hilfsentladungseinrichtung (Plasma Assisted PLD) oder alternativ eine Schattenmaske eingeklappt werden. In einer zweiten Ausbaustufe wird zusätzlich die Möglichkeit zur "off-axis-PLD" geschaffen.

Zwei Besonderheiten weist diese Kammer auf: Statt der oben beschriebenen Kühlung wird hier auf eine leistungsfähige Substratheizung besonderen Wert gelegt. Wahlweise werden mit ein oder zwei cw-CO₂-Lasern (Typ Synrad, 25 Watt) Substrate verschiedener Größe von hinten direkt oder auf absorbierenden Trägern montiert, im Endausbau rechnergesteuert, mit Hilfe von selbstentwickelten, Lautsprecher-gestützten Strahlscannern abgerastert und so definiert geheizt. Erwähnenswert ist auch die Möglichkeit, eine rasterbare Ionenquelle anzubringen (IBAPLD).

Dissertationen & Diplomarbeiten:

"Aufbau einer Laser-Ablations-Apparatur für Metallschichten", Gunther Lengl, Diplomarbeit Universität Ulm (1998).

"Aufbau einer Laser-Ablations-Apparatur zur Herstellung von Oxidfilmen", Silvester Rößner, Diplomarbeit Universität Ulm (1998).

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