脈沖激光沉積 (PLD) 是一種物理氣相沉積 (PVD) 技術，其中高功率脈沖激光束在真空室內聚焦以撞擊待沉積材料的目標。 這種材料從靶上蒸發（在等離子體羽流中），靶上將其沉積為基板（例如面向靶的硅晶片）上的薄膜。 這個過程可以在超高真空或存在背景氣體的情況下發生，例如在沉積氧化物時通常使用的氧氣以完全氧化沉積的薄膜。

雖然基本設置相對于許多其他沉積技術來說很簡單，但激光靶相互作用和薄膜生長的物理現象卻相當復雜（請參見下面的過程）。 當激光脈沖被目標吸收時，能量首先轉化為電子激發，然后轉化為熱能、化學能和機械能，導致蒸發、燒蝕、等離子體形成甚至剝落。 噴射出的物質以羽流的形式膨脹到周圍的真空中，其中包含許多高能物質，包括原子、分子、電子、離子、團簇、微粒和熔球，然后沉積在通常很熱的基板上。

PLD 的詳細機制非常復雜，包括激光照射對目標材料的燒蝕過程，具有高能離子、電子和中性粒子的等離子體羽流的發展，以及薄膜本身在加熱基板上的晶體生長。 PLD的過程一般可以分為四個階段：

• 目標表面的激光吸收和目標材料的激光燒蝕以及等離子體的產生
• 血漿動力學
• 燒蝕材料在基板上的沉積
• 襯底表面薄膜的成核和生長

這些步驟中的每一步對于所得薄膜的結晶度、均勻性和化學計量都是至關重要的。 最常用的 PLD 過程建模方法是蒙特卡羅技術。

激光照射時靶材的燒蝕和等離子體的產生是非常復雜的過程。 從塊體材料中去除原子是通過在非平衡狀態下在表面區域蒸發塊體來完成的。 在這種情況下，入射激光脈沖在穿透深度內穿透材料表面。 該尺寸取決于激光波長和目標材料在所應用的激光波長下的折射率，對于大多數材料而言，該尺寸通常在 10 nm 左右。 激光產生的強電場足以從穿透體積的塊體材料中去除電子。 該過程發生在 ns 激光脈沖的 10 ps 內，并且是由非線性過程引起的，例如多光子電離，表面的微觀裂紋、空隙和結節增強了電場，從而增加了電場。 自由電子在激光的電磁場內振蕩，并可以與塊體材料的原子碰撞，從而將它們的一些能量轉移到表面區域內目標材料的晶格。 然后靶材表面被加熱，材料被蒸發。

在第二階段，由于目標表面的庫侖排斥和反沖，材料在平行于目標表面的法向矢量的等離子體中向襯底膨脹。 羽流的空間分布取決于 PLD 室內的背景壓力。 羽流的密度可以用形狀類似于高斯曲線的 cosn(x) 定律來描述。 羽流形狀對壓力的依賴性可以分三個階段來描述：

• 真空階段，羽流非常狹窄且向前； 背景氣體幾乎不發生散射。
• 可以觀察到高能離子從低能離子分裂的中間區域。 飛行時間 (TOF) 數據可以擬合到沖擊波模型中； 然而，其他模型也是可能的。

• 我們發現燒蝕材料更像擴散的膨脹的高壓區域。 當然，這種散射也取決于背景氣體的質量，并且會影響沉積膜的化學計量。

增加背景壓力的最重要后果是在膨脹的等離子體羽流中放慢高能物質的速度。 已經表明，具有大約 50 eV 動能的粒子可以重新濺射已經沉積在基板上的薄膜。 這導致較低的沉積速率并且可以進一步導致膜的化學計量的變化。