¿ Qué es PLD ?

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Depósito de películas delgadas por ablación láser.

Una de las técnicas de depósito de películas delgadas que ha dado notables resultados en los últimos años es la de ablación láser, o PLD por su sigla 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 para depositar 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 (Smith, 1995).


Descripción de PLD

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 láser pulsado se hace incidir sobre el blanco, vaporizándolo y depositando una película delgada sobre el sustrato.


Figura 1. - Esquema de un sistema de ablación láser.


Estudio de los procesos de PLD.

Contrastante con su simplicidad conceptual es complejidad de los procesos físicos que intervienen en PLD. En general se puede decir que esta gobernada por las transformaciones físicas que ocurren en tres regiones de intercambio de energía:

  1. Interacción láser-blanco

  2. Interacción de las partículas erosionadas entre sí y el ambiente

  3. Interacción plasma-sustrato.

PulosLaser


La física de cada uno de estos procesos resulta ser complicado, por lo que el estudio global de PLD resulta ser un problema bastante dificultoso. En especial, la interacción láser-blanco resulta ser la más complicada y con la que se cuenta con menos herramientas para su diagnóstico. Por esta causa, la mayor parte de los estudios de esta interacción son trabajos de índole teórica. Es un hecho conocido (Haglund, 1998) que los mecanismos que rigen la ablación son distintos según el tipo de material del que se trate: metálico, covalente o iónico.

Debido a la dificultad mencionada existen distintos enfoques para el estudio del depósito de películas por PLD. Uno de ellos es el estudio directo por medio del diagnóstico de los componentes del plasma (Geohegan, 1994). Esto se realiza principalmente a través de medios ópticos como son: absorción de luz a través del plasma, espectroscopía de emisión de estados excitados y técnicas fotográficas sincronizadas con el láser, entre otras. Así como también se emplean mediciones directas en el plasma con métodos como balanza de cuarzo, sonda de Langmuir, y espectroscopía de masas.

Otro enfoque es el estudio de los materiales depositados por PLD a partir de la variación de parámetros específicos durante el proceso de depósito. Por este medio, conociendo el espesor de la película formada en distintos puntos se ha estudiado la distribución angular de los componentes de la pluma (Saenger, 1994). Para realizar lo anterior es necesario contar con técnicas que nos permitan determinar el espesor, así como las cualidades de los materiales depositados.


Ventajas de PLD sobre otras técnicas de depósito

La interacción de los pulsos de alta densidad de energía del láser con un material sólido, usualmente de excímero, es capaz de generar partículas con características fuera del equilibrio. La mayoría de éstas son especies atómicas y moleculares, electrónica y vibracionalmente excitadas, con energías cinéticas suficientes para superar las barreras que conduzcan a la formación de nuevos compuestos o fases singulares. La posibilidad del uso de PLD, especialmente el caso reactivo, para la creación de nuevos compuestos ha sido sugerida por varios autores (por ejemplo: Rengan A., 1992). Dado lo anterior, puede dar origen a la formación de compuestos en fases metaestables con propiedades únicas.


La Física del Proceso de Ablación.

La ablación ocurre cuando los pulsos energéticos del láser, mayores a 106 W/cm2, inciden en la superficie de un sólido ( Ashby, 1991). Usualmente se lleva a cabo en vacío. En caso que se utilice un gas o aire se le denomina ablación láser reactiva y es ampliamente usada para cierto tipo de materiales. La presencia de un gas en el proceso puede alterar considerablemente el desarrollo del depósito, cambiando completamente el material obtenido. Una expansión de una región del material original conteniendo desde cúmulos atómicos hasta pequeños fragmentos ocurre cuando fotones de UV son absorbidos por el material. La interacción de luz UV-material da origen al rompimiento de gran número de enlaces dentro del sólido en un instante de tiempo muy breve. Los fragmentos macroscópicos son no deseados en el proceso de ablación ya que causan irregularidades en la película depositada. Los cúmulos atómicos producidos se encuentran en estados excitados vibracional y rotacionalmente, con grandes energías traslacionales. Las velocidades traslacionales de las partículas son mayores a 1000 m/s según datos medidos. Si la densidad de potencia del láser es suficientemente alta, se forma un plasma en la superficie del blanco. El factor crítico para producir la ablación es la densidad de potencia y no solamente la energía total entregada. En general, se observa un umbral de densidad de potencia o flujo de fotones para que exista remoción de material. El umbral de densidad de potencia depende de la absorbencia del material a fotoevaporar a la longitud de onda del láser, pudiendo ser modificada por la adición de dopantes. Los láseres de excímero son los más comúnmente usados por emitir fotones en el UV. La duración típica de pulso va de 10 a 30 ns para este tipo de láseres.

Los mecanismos exactos que dan origen a la ablación aun son desconocidos. Se ha dado gran importancia a la contribución térmica en el proceso de rompimiento de enlaces. La opinión generalizada es que la ablación a longitudes de onda de 248 nm o mayores es debida al rompimiento térmico de enlaces, pero esto considerando un proceso simple de absorción. Estudios que se han realizado a este respecto indican que existen dos procesos principales, que dan lugar a la remoción de material del blanco. El primero de ellos es la vaporización normal, en el sentido de emisión de partículas de la superficie, con un flujo dado por la ecuación de Hertz-Knudsen:


Flujo = a ( psv - pv ) ( 2 p m kB T ) -1 / 2 partículas/cm2 . s;


donde a es el coeficiente de condensación, psv es la presión de equilibrio o saturación de vapor, pv es la presión de vapor presente permanentemente en el ambiente, y m es la masa de las partículas. El segundo de ellos, compuesto por ebullición normal y explosión de fase, es un proceso térmico transitorio y requiere que el pulso sea suficientemente largo o con fluencia de pulso suficientemente alta para que ocurra nucleación de burbujas de vapor. Un aspecto importante que diferencia notablemente los dos procesos de remoción es que tienen distinta distribución angular. La evaporación térmica tiene una distribución parecida a cos(q), mientras la ebullición y explosión de fase tienen una distribución dada por cosn(q), donde n toma valores mayores a 4. Esto indica que el frente de evaporación tiene dos componentes con distribuciones geométricas distintas: uno debido a la contribución térmica estable con una distribución angular ancha; y otro debido al régimen térmico transitorio con distribución angular aguda. Esto explica el hecho que los depósitos tengan un espesor no homogéneo, ya que la mayor parte de material será depositado en las regiones donde cosn(q) = 1, es decir, en la región situada justo frente a la zona de interacción láser-blanco. Ahora bien, independientemente del origen de la fuente de material, sea producido por evaporación térmica o explosión de fase, este debe seguir un proceso de expansión en vacío. Debido a que los flujos son lo suficientemente altos tal que pueden dar origen a absorciones múltiples, no pueden descartarse efectos por cambios fotoquímicos (Foltyn, 1994).

En cuanto a la ablación láser reactiva, al papel que desempeña el gas de fondo en las propiedades del material depositado es fundamental. Este efecto ha sido percibido en algunos estudios (Geohegan, D. et-al, 1992) donde se observó que durante la ablación el gas ambiental provoca dispersión, atenuación y termalización de la pluma, cambiando parámetros importantes en el crecimiento de películas, tales como distribución espacial y energética de las especies. En cuanto a la pluma, Geohegan observó que el incremento en la presión ambiente resulta en los siguientes efectos: (1) incremento en la fluorescencia de todas las especies debido a colisiones en el frente de expansión y las subsecuentes intercolisiones en la pluma; (2) aguzamiento de las fronteras de la pluma, lo que indica la formación de un frente de choque; (3) disminución de la velocidad de propagación de la pluma relativa a la propagación en vacío, resultando en (4) confinamiento espacial de la pluma. A partir de esto, la variación en espesor en las películas producidas en vacío puede ser explicada por los mecanismos propios de la ablación láser en cuanto a evaporación y transporte de material.