Die PLD nutzt leistungsstarke Excimer-Laser zur stöchiometrischen Herstellung verschiedenster Dünnschichten – von der fortschrittlichen Batterieforschung bis hin zur Großserienproduktion von Supraleiterbändern.

Es gibt zahlreiche Methoden zur Herstellung unterschiedlichster Dünnschichten für elektronische, optische und photonische Anwendungen, wie etwa thermische Verdampfung, reaktives Sputtern oder chemische Gasphasenabscheidung. In den letzten Jahren hat sich jedoch die gepulste Laserabscheidung (PLD) zu einer bevorzugten Technologie in vielen neuen Dünnschichtanwendungen entwickelt. Sie hat den Sprung vom reinen Forschungslabor-Tool zur Unterstützung der Serienfertigung geschafft. Werfen wir einen Blick darauf, wie PLD funktioniert, welche Hauptvorteile sie bietet und in welchen spannenden Anwendungen sie eingesetzt wird.

Bei der PLD wird ein festes Stück des gewünschten Dünnschichtmaterials – das sogenannte Target – in einer Vakuumkammer nahe beim Substrat platziert, auf dem die Schicht abgeschieden werden soll. Das Target wird dann mit Pulsen eines hochenergetischen UV-Excimerlasers bestrahlt, wobei je nach Material 193 nm, 248 nm oder 308 nm zum Einsatz kommen. Die hohe Fluenz der Excimerlaser-Pulse erzeugt atomare Spezies mit hohem Ionisationsgrad und hoher kinetischer Energie. Diese Atome lagern sich auf dem Substrat ab und bilden so Schicht für Schicht das gewünschte Material.

Stöchiometrische Ergebnisse

Stöchiometrie bezeichnet in der Chemie das Verhältnis der verschiedenen Atome in einem Material. So besteht beispielsweise Ethen aus Wasserstoff und Kohlenstoff im Verhältnis 2:1. Wird bei der PLD ein elementares Target wie Graphit (d.h. nur Kohlenstoffatome) verwendet, entspricht die Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht stets der des Targets, da keine anderen Elemente beteiligt sind.

Viele wichtige neue Dünnschichtarten weisen jedoch komplexe Stöchiometrien auf. Besonders hervorzuheben sind Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) und Perowskit-Materialien, die in neuartigen photonischen Bauelementen einschließlich der Solarzellen der nächsten Generation eingesetzt werden. Die Herausforderung besteht darin, das Material am Target zu verdampfen und alle Atome im gleichen Verhältnis – also in der gleichen Stöchiometrie – wie im ursprünglichen Target auf dem Substrat abzuscheiden. Dieser Vorgang wird als stöchiometrische Abscheidung bezeichnet, die resultierenden Schichten heißen stöchiometrische Schichten.

Stöchiometrische PLD erzeugt Schichten mit identischer Zusammensetzung wie das Target.

Ein entscheidender Vorteil der PLD mit Excimerlasern ist die Fähigkeit, bei optimiertem Prozess extrem stöchiometrische Schichten zu erzeugen. Besonders für fortschrittliche Bauelemente, deren Funktion auf alternierenden Schichten aus zwei oder mehr Materialien basiert, ist diese Vielseitigkeit essenziell. Im Gegensatz dazu stoßen andere Abscheidungsmethoden häufig an ihre Grenzen, insbesondere wenn Materialien mit sehr unterschiedlichen Atomgewichten und chemischen Eigenschaften kombiniert werden sollen.

Der richtige Excimerlaser

Drei Laserparameter sind für erfolgreiche PLD besonders wichtig, wenn Erfolg durch hohe Ausbeute, hohe Dichte, gleichmäßige Schichtdicke und korrekte Stöchiometrie definiert wird.

Erstens ist eine hohe Strahlhomogenität entscheidend. Eine gleichmäßige Intensitätsverteilung ermöglicht die Abtragung einer größeren Targetfläche bei stets optimaler Fluenz. Hotspots oder Schwächen im Strahl können diese Optimierung beeinträchtigen und die Schichtqualität sowie Gleichmäßigkeit verringern. Aus demselben Grund ist eine hohe Puls-zu-Puls-Stabilität des Excimerlasers erforderlich. Schließlich benötigt die PLD einen Excimer mit hoher Pulsenergie und hoher Leistung, um den Prozess für die Serienfertigung skalieren zu können.

Wo kommt PLD zum Einsatz?

Hochtemperatur-Supraleiterbänder

Mehrlagige Hochtemperatur-Supraleiterbänder (HTS) mit einer per PLD abgeschiedenen supraleitenden Schicht aus Seltenerd-Barium-Kupfer-Oxid (REBCO) sind das Herzstück einer neuen Generation von Magneten für Fusionsanlagen, MRTs, Teilchenbeschleuniger sowie verlustarmen Komponenten im Stromnetz. Nur die Excimerlaser-basierte PLD hat sich als fähig erwiesen, HTS-Schichten für industrielle Anwendungen in der Praxis zu liefern.

Hochfrequenz-Piezo-Filter

Hochfrequenzfilter (RF-Filter) auf Basis piezoelektrischer Aluminium-Nitrid (AlN)-Dünnschichten sind für die Infrastruktur der mobilen Kommunikation weitverbreitet. 5G und kommende Wi-Fi-Standards erfordern noch dünnere, piezoaktivere und kristallinere Schichten mit exakt definierter Dotierung. Das PLD-Verfahren erzeugt überlegene RF-Dünnschichten zu geringeren Kosten als herkömmliche Sputterverfahren und liefert hochgeordnete Schichten mit homogenen RF-Eigenschaften – bereit für die 5G- und 6G-Ära.

Diamantähnliche Kohlenstoffschichten

Verschleißfeste und mechanisch stabile diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) mit extrem niedrigem Reibungskoeffizienten sind entscheidend für den wirtschaftlichen Einsatz stark beanspruchter Werkzeuge und Komponenten. Excimerlaser ermöglichen die Abscheidung wasserstofffreier DLC-Schichten im Niedertemperatur-PLD-Prozess und sorgen in Kombination mit Excimerlaser-Annealing für sehr gute Haftung auf unterschiedlichsten Materialien.

Dünnschicht-Wafer

Die Dünnschichtfertigung findet in einer Vielzahl waferbasierter Märkte Anwendung, darunter MEMS, Halbleiter, Photovoltaik, OLED-Displays und RF-Front-End-Filter. Ausgereifte PLD-Prozesse für Wafergrößen bis zu 300 mm ermöglichen es Systemanbietern, ihre Fähigkeiten und die Komplexität/Funktionalität der Schichten über bisherige Methoden wie Sputtern, Atomlagenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung hinaus auszubauen.

Festkörper-Dünnschichtbatterien

Batteriezellen mit Festkörperelektrolyten versprechen größere Reichweiten und schnelle Ladefähigkeit für den wachsenden E-Mobility-Markt. Die PLD-Technologie ermöglicht das Wachstum modernster, ionenleitender Festkörperelektrolyte einschließlich Anoden- und Kathodenmaterialien mit einstellbarer Dichte, Stöchiometrie und Präzision im Nanometerbereich.

Transparente leitfähige Oxide

Bei verschiedenen Solarzellen-Technologien, wie halogenidbasierten Perowskit-Photovoltaikzellen, besteht eine der größten Herausforderungen in der Abscheidung transparenter Elektroden auf empfindlichen organischen Schichten. Die waferbasierte PLD ermöglicht die Herstellung hochqualitativer, transparenter Elektroden für pufferfreie, semitransparente Perowskit-Solarzellen.

Excimer – der ideale Laser für PLD

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Excimerlaser der ideale Laser für die PLD ist: Er liefert die hohe Photonenenergie für die stöchiometrische Schichtherstellung sowie die hohe Pulsenergie und durchschnittliche Leistung für industrielle Produktionsraten. Wie die genannten, sehr unterschiedlichen Beispiele zeigen, ist er für ein äußerst breites Spektrum an Dünnschichten einsetzbar und zählt heute zu den am schnellsten wachsenden Laserapplikationen.