PLD 生长技术中臭氧源设备配置

PLD 生长技术中臭氧源设备配置

脉冲激光沉积 (PLD) 技术中，臭氧源的设备配置与 ALD 有相似之处，但也有其特殊性。PLD 系统中的臭氧源设备配置主要包括以下几个部分：

1.臭氧发生器

在 PLD 技术中，臭氧发生器的选择与 ALD 类似，但需要考虑 PLD 工艺的特点，如高能量密度、短脉冲时间等。常用的 PLD 系统臭氧发生器包括：

MKS SEMOZON® AX8575：这是一种高流量、高浓度、超净的臭氧发生和输送系统，专为满足半导体行业不断变化的需求而设计。AX8575 是一种完全集成的高输出臭氧气体输送系统，可配置为多通道系统，为多达 4 个通道提供臭氧，支持多个腔室或多个工具。该系统可实现高达 40 slm 的流量和高达 350 g/nm³ 的浓度，具体取决于系统配置。

MKS AX8415 超高浓度、高流量臭氧发生器：该发生器专为电子行业设计，用于 CVD 和 ALD 薄膜形成、氧化物生长、光刻胶去除和多种清洁应用。AX8415 能够通过产生高浓度的超净臭氧来支持所有这些应用，无论是否添加氮气作为掺杂气体。对于特定应用，如果需要，可去除形成臭氧时使用的微量氮气，消除 NOx 化合物的形成。

Atlas H30高浓度臭氧发生器：加拿大Absolute Ozone  Atlas H30高浓度臭氧发生器，为北京同林科技定制款，可以仅从4 LPM氧气产生30克/小时的臭氧，臭氧浓度超200mg/L。

803N臭氧发生器：德国BMT 803N是一种小型风冷冷却臭氧发生器，以氧气为原料气体。臭氧产量为8 g/h或更高。可获得的更大臭氧浓度超过250 g/Nm3，北京同林科技为其中国代理商。

AT-OZONE 发生器：该发生器工作频率为 5,000–30,000 Hz，集成了 3-29 psi 范围的氧气调节器，可在 110–220 VAC、60/50 Hz、2A 的电源条件下工作。AT-OZONE 发生器的尺寸为 10.3"宽 ×7.5" 高 ×20" 深，重量适中，便于集成到 PLD 系统中。

2.气体输送与控制系统

PLD 系统中的气体输送与控制系统与 ALD 类似，但需要考虑脉冲激光沉积过程中的高能量密度和短时间反应特性：

高速气体阀门：由于 PLD 过程中激光脉冲的持续时间通常在纳秒到微秒量级，需要高速响应的气体阀门来精确控制臭氧的引入时间和流量。

气体混合腔：用于将臭氧与其他气体 (如氧气、氩气等) 充分混合，确保在激光脉冲期间形成均匀的反应环境。

气体压力控制系统：精确控制反应腔室内的气体压力，通常在 10⁻³ 至 10² Pa 的范围内，具体取决于目标材料和工艺要求。

气体分布系统：设计用于在激光照射区域周围均匀分布臭氧和其他反应气体，确保薄膜生长的均匀性。

3.激光系统与反应腔室

PLD 系统的核心组成部分是激光系统和反应腔室，其配置直接影响薄膜的质量和性能：

激光器：PLD 系统通常使用高能量脉冲激光器，如 KrF 准分子激光器 (波长 248 nm)、XeCl 准分子激光器 (波长 308 nm) 或 Nd:YAG 激光器 (波长 1064 nm 或其谐波)。激光器的能量密度通常在 0.1-5 J/cm² 范围内，脉冲频率在 1-100 Hz 之间。

激光聚焦系统：包括透镜、反射镜和快门等组件，用于将激光束聚焦到靶材上，并控制激光脉冲的时间和能量。

靶材操纵系统：包括靶材旋转和移动机构，确保激光均匀照射靶材表面，延长靶材使用寿命。

基底加热与操纵系统：用于控制基底温度和位置，通常包括加热台、旋转机构和样品移动机构等。基底温度可在室温至 1000℃范围内调节，具体取决于材料和工艺要求。

原位监测系统：如反射高能电子衍射 (RHEED)、光学发射光谱 (OES) 等，用于实时监测薄膜生长过程和质量。

4.典型 PLD 系统臭氧源配置示例

以美国 Newport 公司的 PLD 系统为例，其臭氧源设备配置通常包括：

Compex 201 248 nm 准分子激光器：作为能量源，提供高能量密度的激光脉冲。

光学元件：包括透镜、反射镜和快门等，用于控制和聚焦激光束。

真空系统：包括机械泵和涡轮分子泵，用于维持反应腔室的真空环境。

两个真空腔室：通常包括主腔室和负载锁腔室，确保样品更换过程中不破坏主腔室的真空环境。

臭氧引入系统：包括 MKS AX8415 臭氧发生器、气体管道、阀门和质量流量控制器等，用于精确控制臭氧的引入时间、流量和压力。

在 PLD 系统中，臭氧通常在激光脉冲照射靶材的同时或之前引入反应腔室，与等离子体羽辉中的物质发生反应，形成所需的氧化物薄膜。PLD 系统的操作参数通常包括：激光能量密度为 1.5 J/cm²，基底温度为 700℃，氧气 (或臭氧) 压力为 90 mTorr。