고객 성공 스토리
아우크스부르크 대학교: PLD의 레이저 타겟 수정 분석
도전
박사. 헬무트 칼(Helmut Karl)은 아우크스부르크 대학교(독일)의 실험 물리학 교수이며, 그의 연구 활동에는 나노규모 기능성 산화물 분야의 그룹 리더로 활동하고 있습니다. Karl 박사는 복합 산화물이 메모리 칩, 연료 전지, 세라믹 커패시터와 같은 고급 장치에서 활용될 수 있는 다양한 자기 및 전기 특성을 나타내기 때문에 그의 팀에서 특히 흥미롭다고 설명합니다.
고품질 산화물 층은 다음과 같이 생성될 수 있습니다.펄스 레이저 증착(PLD), 여기서 레이저 펄스는 진공 챔버에서 대상 표면을 기화시키고 방출된 물질은 테이프, 웨이퍼 또는 기타 기판에 증착됩니다. PLD 공정은 기능적 이종 구조에서 복합 산화물 및 기타 여러 재료 클래스의 화학양론적 증착 및 에피택셜 성장에 대해 이미 잘 입증된 널리 사용되는 방법입니다. Karl 박사는 PLD가 재료와 증착 조건(예: 배경 산소압) 측면에서 매우 신뢰할 수 있고 다재다능한 기술이라고 지적합니다.
아우크스부르크 그룹의 일부 연구를 포함하여 수많은 발표된 연구에서 PLD 공정의 최종 결과, 즉 증착된 층의 구성 및 물리적 특성을 조사했습니다. 그러나 프로세스의 초기 부분, 즉 레이저와 표적 사이의 절제 상호작용에 대한 조사에는 덜 초점이 맞춰져 왔습니다. 따라서 Karl 박사와 동료들은 여러 복합 산화물의 단결정이 레이저 펄스에 반복적으로 노출되어 서로 다른 방향과 표적 플루언스에서 제거되는 방법을 조사하여 이러한 격차를 해결하기로 결정했습니다. 이를 위해 레이저 플루언스를 변경하면서 크기와 모양을 유지하는 최적화된 PLD 광학 빔 경로가 개발되었습니다[1].
해결책
팀은 단결정 (001), (011) 및 (111) 지향 SrTiO3(STO), (102) 지향 LaAlO3(LAO) 및 (001) 지향 Y3Al5O12(YAG) 타겟에 대한 펄스 레이저 절제의 효과를 연구하기로 결정했습니다. 단결정이 선택된 이유는 PLD 성장층이 정확한 양이온 화학량론을 나타내고, 다결정 소결 타겟에서 종종 문제가 되는 입자 잔해 형성이 덜 발생하며, 잘 정의된 초기 표면 조건을 제공하는 것으로 알려져 있기 때문입니다.
그들은 이 연구에서 KrF 엑시머 레이저를 사용하기로 결정했습니다. 특히 a바카라 카지노 COMPex205 F는 248nm의 파장에서 작동합니다. 이는 많은 PLD 연구 및 산업 응용 분야에서 선호되는 일반적으로 사용되는 레이저이기 때문입니다. 이 레이저의 펄스 에너지는 750mJ로 상대적으로 높으며 낮은 플루언스부터 높은 플루언스까지 넓은 면적의 절제를 지원합니다. Karl은 이렇게 설명합니다. "이 248nm 엑시머 레이저와 당사의 전용 빔 경로는 다양한 산화물의 PLD에 적합한 것으로 입증되었으며 의미 있는 정량적 연구에 필요한 빔 균질성과 높은 펄스 간 안정성을 제공합니다."
그림 1은 본 연구에 사용된 광학 배열의 일부를 보여줍니다. 분석 대상에 대해 동일한 빔 조건을 달성하기 위해 조리개와 축소 렌즈를 모두 고정 위치에 유지하고 전체 유전체 감쇠기를 사용하여 조리개에서 레이저 에너지를 지속적으로 조정했습니다. 이를 통해 목표 표면의 플루언스가 일정한 레이저 스폿 크기에서 1-6 J/cm2로 조정될 수 있었습니다.
결과
이 배열을 통해 연구원들은 다양한 플루언스에서 다양한 짧은 펄스 시퀀스 후 형태, 산소 손실 및 균열 형성 측면에서 단결정 타겟을 포괄적으로 평가하기 시작했습니다. 표적 표면 형태는 원자힘, 주사 전자 현미경 및 공초점 레이저 주사 현미경으로 이미지화되었습니다. 표면의 결정학적 변화와 원소 조성을 분석하기 위해 전자 후방 산란 회절 분석과 에너지 분산형 X-선 분광학을 사용했습니다.
이 연구에서는 몇 가지 흥미로운 결과가 밝혀졌습니다. 예를 들어, 모든 재료는 각각의 단일 레이저 펄스에 의한 주기적인 용융 및 재결정화에 의해 형성된 수백 nm 두께의 층을 나타냈습니다(그림 2). 대부분의 재료는 열 충격이 유일한 중요한 메커니즘이 아님을 나타내는 방식으로 표면 균열을 나타냈습니다. 오히려 열팽창으로 인한 기계적 변형도 중요한 역할을 합니다. 그리고 일부 물질의 경우 산소 방출로 인한 분해가 또 다른 활성 메커니즘입니다.
요약하자면, 팀은 이러한 새로운 통찰력이 더 나은 대상 선택으로 이어질 수 있기를 바랍니다.PLD엑시머 레이저 펄스를 기반으로 하는 특정 표면 패터닝 응용 프로그램의 성능을 잠재적으로 향상시킬 수 있는 추가 보너스도 있습니다.
참고자료
1. F. Jung 외, 펄스 레이저 절제 중 결정질 SrTiO3, LaAlO3 및 Y3Al5O12 타겟의 표면 진화, Applied Physics A Volume 128, 기사 번호: 750(2022) https://doi.org/10.1007/s00339-022-05805-5
“이 248nm 엑시머 레이저는 다양한 산화물의 PLD와 일치하는 것으로 입증되었으며 의미 있는 정량적 연구에 필요한 빔 균질성과 높은 펄스 대 펄스 안정성을 제공합니다."
— 헬무트 칼(Helmut Karl), 독일 아우크스부르크 대학교 물리학과 교수
그림 1. (왼쪽에서 오른쪽으로) Helmut Karl, Ralph Delmdahl, Florian Jung 및 Andreas Heymann이 포함된 아우크스부르크 연구실 사진. 사진 제공: 아우크스부르크 대학교, Karl 교수.
그림 2. 타겟 절제에 사용되는 캡슐형 PLD 광학 빔 경로. 사진 제공: 아우크스부르크 대학교, Karl 교수.
그림 3. 쪼개진 YAG 타겟의 SEM 이미지는 모든 타겟에 형성된 새로운 표면층을 명확하게 보여줍니다. [1] 이미지 제공: 아우크스부르크 대학, Karl 교수.