脈沖激光沉積演示文稿

脈沖激光沉積演示文稿當前1頁，總共23頁。脈沖激光沉積當前2頁，總共23頁。薄膜制備方法脈沖激光沉積化學氣相沉積分子束外延濺射溶膠凝膠法超聲噴霧熱解2當前3頁，總共23頁。脈沖激光沉積脈沖激光沉積（pulsed

laser

deposition，簡稱PLD）法制備薄膜，將脈沖激光器產(chǎn)生的高功率脈沖激光聚焦于靶材表面，使其表面產(chǎn)生高溫及燒蝕，并進一步產(chǎn)生高溫高壓等離子（

T>104K），等離子體定向局域膨脹在襯底上沉積成膜。5.1脈沖激光沉積概述5.2PLD的基本原理5.3顆粒物的抑制5.4PLD技術的主要應用3當前4頁，總共23頁。5.1脈沖激光沉積概述PLD發(fā)展過程PLD的優(yōu)點待解決的問題4當前5頁，總共23頁。PLD脈沖沉積系統(tǒng)一般由脈沖激光器，光路系統(tǒng)（光闌掃描器，會聚透鏡，激光窗等），沉積系統(tǒng)（真空室，抽真空泵，充氣系統(tǒng)，靶材，基片加熱器），輔助設備（測控裝置，監(jiān)控裝置，電機冷卻系統(tǒng)）等組成。如圖5-1所示。圖5-1脈沖激光沉積系統(tǒng)示意圖（a）與光路系統(tǒng)（b）、沉積系統(tǒng)實物圖（c）acb5當前6頁，總共23頁。

典型的PLD裝置如圖5-2所示。一束激光經(jīng)透鏡聚焦后投射到靶上，使被照射區(qū)域的物質(zhì)燒蝕，燒蝕物擇優(yōu)沿著靶的法線方向傳輸，形成一個看起來象羽毛狀的發(fā)光團──羽輝，最后燒蝕物沉積到前方的襯底上形成一層薄膜。在沉積的過程中，通常在真空腔中充入一定壓強的某種氣體，如淀積氧化物時往往充入氧氣，以改善薄膜的性能。圖5-2典型的PLD示意圖6當前7頁，總共23頁。發(fā)展過程1960年，世界上第一臺紅寶石激光器問世不久，就產(chǎn)生了激光鍍膜的概念，也開始了激光與物質(zhì)相互作用的研究。1965年，第一次用紅寶石激光沉積光學薄膜，取得一定的成功，但是效果并不理想。總有較多的微滴，影響薄膜質(zhì)量。20世紀70年代中期。電子Q開關的應用，短脈沖激光應運而生，使PLD技術取得較大進展。1987年，美國貝爾實驗室的Dijkkamp等首次成功制備出高溫超導薄膜YBa2Cu3O7-X（釔鋇銅氧）薄膜。從而使PLD技術迅速發(fā)展。7當前8頁，總共23頁。PLD的優(yōu)點(1)采用高光子能量和高能量密度的紫外脈沖激光作為產(chǎn)生等離子體的能源，因而無污染又易于控制(2)燒蝕物粒子能量高，可精確控制化學計量，實現(xiàn)靶膜成分接近一致，簡化了控制膜組分的工作，特別適合制備具有復雜成分和高熔點的薄膜(3)生長過程中可原位引入多種氣體，可以在反應氣氛中制膜，這為控制薄膜組分提供了另一條途徑(4)多靶材組件變換靈便，容易制備多層膜及異質(zhì)結(jié)(5)工藝簡單，靈活性大，可制備的薄膜種類多(6)可用激光對薄膜進行多種處理等8當前9頁，總共23頁。待解決的問題(1)不易于制備大面積的膜。(2)在薄膜表面存在微米-亞微米尺度的顆粒物污染，所制備薄膜的均勻性較差。(3)某些材料靶膜成分并不一致。對于多組元化合物薄膜，如果某些種陽離子具有較高的蒸氣壓，則在高溫下無法保證薄膜的等化學計量比生長。9當前10頁，總共23頁。5.2PLD的基本原理PLD是一種真空物理沉積方法，當一束強的脈沖激光照射到靶材上時，靶表面材料就會被激光所加熱、熔化、氣化直至變?yōu)榈入x子體，然后等離子體（通常是在氣氛氣體中）從靶向襯底傳輸，最后輸運到襯底上的燒蝕物在襯底上凝聚、成核至形成薄膜。整個PLD過程可分為三個階段：（1）激光與靶的作用階段（2）等離子體的膨脹（3）到達襯底上的燒蝕物在襯底上的成膜階段。圖5-3脈沖激光沉積裝置圖10當前11頁，總共23頁。5.2.1激光與靶的相互作用當激光輻射在不透明的凝聚態(tài)物質(zhì)上被吸收時，被照射表面的一個薄層被加熱，結(jié)果使表面溫度升高，同時對物質(zhì)的內(nèi)層進行熱傳導，使被加熱層的厚度增加。由于熱傳導引起的熱輸運隨時間而減慢，因此熱傳導不能使足夠的熱量進入物質(zhì)內(nèi)部，這將導圖5-4激光燒蝕靶材表面的結(jié)構(gòu)示意圖（1）致表面和表面附近的物質(zhì)溫度持續(xù)上升，直到蒸發(fā)開始，在PLD常用的功率密度下，蒸氣的溫度可以很高，足夠使相當多的原子被激發(fā)和離化，于是蒸氣開始吸收激光輻射，導致在靶表面出現(xiàn)等離子體。最終結(jié)果是在靶表面附近形成復雜的層狀結(jié)構(gòu)，如圖5-4所示11當前12頁，總共23頁。等離子體是由大量自由電子和離子及少量未電離的氣體分子和原子組成，且在整體上表現(xiàn)為近似于電中性的電離氣體。

等離子體=自由電子+帶正電的離子+未電離原子或分子，為物質(zhì)的第四態(tài)。圖5-5激光燒蝕靶材表面的結(jié)構(gòu)示意圖（2）12當前13頁，總共23頁。5.2.2等離子體膨脹

等離子體膨脹過程是指高能激光脈沖濺射產(chǎn)生的燒蝕物，離化為高溫高密的等離子體后，大致經(jīng)歷等溫和絕熱膨脹兩個過程，從靶材表面輸運到襯底的過程。圖5-6等離子體羽輝外形隨時間的演化圖5-7等離子體膨脹過程中溫度隨時間演化規(guī)律脈沖寬度激光作用時間激光作用結(jié)束后13當前14頁，總共23頁。

等離子體在空間的輸運靶材表面的高溫(可達20000K)和高密度((1016--1021)/cm3)的等離子體在靶面法線方向的高溫和壓力梯度等溫膨脹發(fā)射(激光作用時)和絕熱膨脹發(fā)射(激光終止后)沿靶面法線方向軸向約束性等離子體區(qū)等離子體羽輝15當前15頁，總共23頁。

燒蝕粒子在襯底上的沉積

燒蝕粒子在空間經(jīng)過一段時間的運動到達襯底表面，然后在襯底上成核、長大形成薄膜。為了提高薄膜的質(zhì)量必須對襯底加溫，一般要幾百度。這一階段中，有幾種現(xiàn)象對薄膜的生長不利，其一是從靶材表面噴射出的高速運動粒子對已成膜的反濺射作用，其二是易揮發(fā)元素的揮發(fā)損失，其三是液滴的存在導致薄膜上產(chǎn)生顆粒物。圖5-8成膜過程15當前16頁，總共23頁。5.3顆粒物的抑制

在5.1一節(jié)中提到，顆粒物是限制PLD技術獲得廣泛應用的主要因素之一，是PLD技術得以商業(yè)化應用迫切需要解決的難題。顆粒物的大小和多少強烈依賴于沉積參數(shù)，如激光波長、激光能量、脈沖重復頻率、襯底溫度、氣氛種類與壓強以及襯底與靶材的距離等。16當前17頁，總共23頁。解決方案使用高致密度的靶材，同時選用靶材吸收高的激光波長。因為液滴產(chǎn)生的情況在激光滲入靶材越深時越嚴重。靶材對激光的吸收系數(shù)越大，則作為液滴噴射源的熔融層越薄，產(chǎn)生的液滴密度越低。通過基于速率不同的機械屏蔽技術來減少顆粒物（由于PLD產(chǎn)生的顆粒物的速率要比原子、分子的速率低一個數(shù)量級）。1）在靶材與襯底之間加一個速率篩，只讓速率大于一定值的物質(zhì)通過并沉積在襯底上，而速率較慢的顆粒物則被攔截下來2）偏軸激光沉積，即襯底與靶材不同軸地進行薄膜的沉積，通過燒蝕物粒子與粒子之間以及粒子與氣氛的相互碰撞與散射作用來減少較大顆粒物到襯底的沉積3）瞄準陰影掩模版，即通過同軸的掩模版來阻擋液滴到達襯底4）在靶材與襯底間加一個偏轉(zhuǎn)電場或磁場來減少液滴的沉積，等等。17當前18頁，總共23頁。解決方案采用降低顆粒物污染的沉積技術1）雙光束激光沉積技術，采用兩個激光器或通過對一束激光進行分光得到兩束激光，沉積時先讓一束光使靶材表面局部熔化，然后讓另一束光照射熔區(qū)使之轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體，從而減少液滴的產(chǎn)生。2）交叉束沉積技術，讓兩束激光從不同角度同時照射到各自靶材上，各自轟擊出的燒蝕物質(zhì)在一定區(qū)域內(nèi)交叉并相互作用，通過附加一個光闌，可以產(chǎn)生一個沒有顆粒物的區(qū)域，將襯底置于該區(qū)域內(nèi)，即可獲得無顆粒物污染的優(yōu)質(zhì)薄膜。實用新型的超快脈沖激光器18當前19頁，總共23頁。5.4PLD技術的主要應用

半導體薄膜高溫超導薄膜金剛石和類金剛石薄膜鐵電、壓電和光電薄膜生物陶瓷涂層19當前20頁，總共23頁。ZnO薄膜的PLD生長

發(fā)展歷史：PLD技術用于生長ZnO薄膜的最早報道見于1983年。主要進展是使用納秒脈沖激光器。近年來，有研究者開始采用超快（飛秒）脈沖激光器來生長ZnO薄膜。液滴問題：薄膜表面液滴的存在是激光與物質(zhì)相互作用過程中，在靶的表面產(chǎn)生熱效應，使液態(tài)材料從被輻照的靶材熔區(qū)中噴射出來造成的后果。工藝影響：PLD的主要工藝參數(shù)如襯底溫度、背景氣壓、靶材-襯底間距、脈沖重復頻率和激光能量等，或多或少對ZnO薄膜的生長和性能起著重要作用。

20當前21頁，總共23頁。ZnO薄膜的PLD生長

外延生長：盡管ZnO薄膜的許多應用只要多晶材料就足夠了，但ZnO基光電器件的研發(fā)卻需要外延薄膜。要實現(xiàn)外延生長，襯底的選擇是首先需要考慮的問題。常用襯底包括：Al2O3和SCAM(ScAlMgO4)襯底。

P型摻雜：ZnO基光電器件應用研究中的一個瓶頸就是低電阻高穩(wěn)定性的p-ZnO薄膜難以獲得。根據(jù)文獻報道，V族元素N、P