脈沖激光沉積技術(shù)

關(guān)于脈沖激光沉積技術(shù)16.04.2024116.04.20242化學(xué)氣相沉積溶膠凝膠法脈沖激光沉積薄膜制備方法直流濺射超聲噴霧熱解分子束外延第2頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.20243脈沖激光沉積的實驗儀器圖第3頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202441960年，激光的示范首次出現(xiàn)。自此以后，激光受到多方面應(yīng)用，發(fā)展成為強效的工具。激光對物料加工的幫助，效果尤其顯著。激光具備許多獨特的性質(zhì)，例如狹窄的頻率帶寬、相干性、以及高釋能密度。通常，光束的強度足以汽化最堅硬與最耐熱的物料。再加上激光精確、可靠、具備良好的空間分辨能力。這些出色表現(xiàn)，所以得到機製薄膜、物料改造、物料表面加熱處理、熔接，及微型圖案等工業(yè)廣泛使用。除此之外，多組分物質(zhì)能夠溶化，并沉積在底物上，形成化學(xué)計量薄膜。第4頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.20245脈沖激光沉積法脈沖激光沉積法是一種真空物理沉積工藝，是將高功率脈沖激光聚焦于靶材表面，使其產(chǎn)生高溫及燒蝕，而產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體定向局域膨脹發(fā)射并在襯底上沉積形成薄膜。第5頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.20246總的來說，的概念簡單易懂。脈沖激光束聚焦在固體靶的表面上。固體表面大量吸收電磁輻射導(dǎo)致靶物質(zhì)快速蒸發(fā)。蒸發(fā)的物質(zhì)由容易逃出與電離的核素組成。若果溶化作用在真空之下進(jìn)行，核素本身會即時在靶表面上形成光亮的等離子羽狀物。下圖展示了一些過程中產(chǎn)生的典型等離子羽狀物。第6頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.20247PLD的機制的系統(tǒng)設(shè)備簡單，相反，它的原理卻是非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象。它涉及高能量脈衝輻射衝擊固體靶時，激光與物質(zhì)之間的所有物理相互作用，亦包括等離子羽狀物的形成，其后已熔化的物質(zhì)通過等離子羽狀物到達(dá)已加熱的基片表面的轉(zhuǎn)移，及最后的膜生成過程。所以，一般可以分為以下四個階段：1. 激光輻射與靶的相互作用2. 熔化物質(zhì)的動態(tài)3. 熔化物質(zhì)在基片的沉積4. 薄膜在基片表面的成核與生成第7頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.20248激光輻射與靶的相互作用

在第一階段，激光束聚焦在靶的表面。達(dá)到足夠的高能量通量與短脈衝寬度時，靶表面的一切元素會快速受熱，到達(dá)蒸發(fā)溫度。物質(zhì)會從靶中分離出來，而蒸發(fā)出來的物質(zhì)的成分與靶的化學(xué)計量相同。物質(zhì)的瞬時溶化率大大取決於激光照射到靶上的流量。熔化機制涉及許多復(fù)雜的物理現(xiàn)象，例如碰撞、熱，與電子的激發(fā)、層離，以及流體力學(xué)。第8頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202491.激光與靶材相互作用產(chǎn)生等離子體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)。第9頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202410熔化物質(zhì)的動態(tài)在第二階段，根據(jù)氣體動力學(xué)定律，發(fā)射出來的物質(zhì)有移向基片的傾向，并出現(xiàn)向前散射峰化現(xiàn)象?？臻g厚度隨函數(shù)cosnθ而變化，而n>>1。激光光斑的面積與等離子的溫度，對沉積膜是否均勻有重要的影響。靶與基片的距離是另一個因素，支配熔化物質(zhì)的角度范圍。亦發(fā)現(xiàn)，將一塊障板放近基片會縮小角度范圍。第10頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.2024112.等離子體在空間的輸運靶材表面的高溫(可達(dá)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)軸向約束性沿靶面法線方向等離子體區(qū)等離子體羽輝第11頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202412第三階段是決定薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵。放射出的高能核素碰擊基片表面，可能對基片造成各種破壞。下圖表明了相互作用的機制。高能核素濺射表面的部分原子，而在入射流與受濺射原子之間，建立了一個碰撞區(qū)。膜在這個熱能區(qū)（碰撞區(qū)）形成后立即生成，這個區(qū)域正好成為凝結(jié)粒子的最佳場所。只要凝結(jié)率比受濺射粒子的釋放率高，熱平衡狀況便能夠快速達(dá)到，由於熔化粒子流減弱，膜便能在基片表面生成。第12頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202413脈沖激光沉積的優(yōu)點可以生長和靶材成分一致的多元化合物薄膜靈活的換靶裝置便于實現(xiàn)多層膜及超晶格膜的生長易于在較低溫度下原位生長取向一致的織構(gòu)膜和外延單晶膜由于激光的能量高，可以沉積難熔薄膜生長過程中可以原位引入多種氣體，提高薄膜的質(zhì)量污染小薄膜存在表面顆粒問題很難進(jìn)行大面積薄膜的均勻沉積基片靶材旋轉(zhuǎn)法激光束運動缺點新方法：激光分子束外延第13頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202414PLD中的重要實驗參數(shù)基體的加熱溫度影響沉積速率和薄膜的質(zhì)量氧氣的壓力沉積時間過高不利于薄膜擇優(yōu)取向的形成過低導(dǎo)致化學(xué)配比失衡，內(nèi)部缺陷增多基體與靶的距離激光能量，頻率影響薄膜的厚度影響薄膜的均勻性影響沉積速率第14頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202415PLD法制備薄膜實驗流程圖調(diào)整激光器參數(shù)安裝靶材與襯底抽真空（機械泵與分子泵至10-5Pa）開加熱裝置，通氣體導(dǎo)入激光進(jìn)行鍍膜關(guān)閉儀器激光器為YAG固體激光器，波長＝532nm(綠光）,激光脈寬為10ns,頻率為1Hz,3Hz,5Hz.能量為0----300mJ可調(diào)．第15頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202416C激光蒸發(fā)鍍膜(laserablation)裝置使用高功率的激光束作為能量進(jìn)行薄膜的蒸發(fā)沉積的方法叫激光沉積法。顯然，這種方法也具有加熱溫度高、可避免坩堝污染、材料的蒸發(fā)速率高、蒸發(fā)過程容易控制等特點。同時由于在蒸發(fā)過程中，高能激光光子將能量直接傳給被蒸發(fā)的原子，因而激光蒸發(fā)法的粒子能量一般顯著高于其它的蒸發(fā)方法。(傳統(tǒng)蒸發(fā)沉積的問題之一是蒸發(fā)和參與沉積的能量低，只相當(dāng)于健合能的數(shù)十分之一，LA法和濺射鍍膜法在這方面有優(yōu)勢)在激光加熱方法中，需要采用特殊的窗口材料將激光束引入真空室中，并要使用透鏡或凹面鏡等將激光束聚焦至被蒸發(fā)材料上。針對不同波長的激光束，需要選用不同光譜透過特性的窗口和透鏡材料。激光加熱方法特別適用于蒸發(fā)那些成分比較復(fù)雜的合金或化合物材料，比如近年來研究較多的高溫超導(dǎo)材料YBa2Cu3O7等。這種方法也存在容易產(chǎn)生微小的物質(zhì)顆粒飛濺，影響薄膜的均勻性的問題。返回第16頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202417LaserAblation薄膜沉積裝置(orLaserdeposition可避免EB蒸發(fā)的對襯底X-ray損傷)準(zhǔn)分子激光(KrF、248nm、2-5J/cm2)第17頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202418返回第18頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202419薄膜沉積的厚度均勻性在物質(zhì)蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)原子的運動具有一定的方向性，這時考慮膜厚均勻性的基礎(chǔ)。物質(zhì)的蒸發(fā)源可以有不同的形狀，其中點蒸發(fā)源是最容易進(jìn)行數(shù)學(xué)處理的一種，而相對襯底距離較遠(yuǎn)尺寸較小的都可以被認(rèn)為相當(dāng)于點蒸發(fā)源。點源時我們可以設(shè)被蒸發(fā)物質(zhì)是由面積為Ae的小球面上均勻地發(fā)射出來的，這時，蒸發(fā)出來的物質(zhì)總量Me為其中T為單位面積的蒸發(fā)速率，dAe為蒸發(fā)源表面單元，t為時間。在上述的蒸發(fā)總量中，只有那些運動方向處在襯底所在空間角內(nèi)的原子才會落到襯底上。由于已經(jīng)假設(shè)蒸發(fā)源為一點源，因而襯底單位面積源dAs上沉積的物質(zhì)總量取決于其對應(yīng)的空間角大小，即襯底上沉積的原子質(zhì)量密度為∶其中θ為襯底表面與空間角法線方向的偏離角度，r是蒸發(fā)源于襯底之間的距離。由此可以進(jìn)一步求出物質(zhì)的質(zhì)量沉積速度和厚度沉積速度。第19頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202420顯然，薄膜的沉積速度與距離平方成反比，并與襯底和蒸發(fā)源之間的方向角有關(guān)。當(dāng)θ=0，r較小時沉積速率較大。沉積厚度的均勻性是一個經(jīng)常需要考量的問題。而且需要同時沉積的面積越大，則沉積的均勻性越難以保證。圖示為對于點蒸發(fā)源和面蒸發(fā)源計算得出的沉積厚度隨襯底尺寸大小的變化情況。從曲線可以看出，點蒸發(fā)源所對應(yīng)的沉積均勻性稍好于面蒸發(fā)源的情況。第20頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202421均勻性對策之一:在同時需要沉積的樣品數(shù)較多、而每個樣品的尺寸相對較小時，可采用下圖所示那樣的實驗部置來改善樣品的厚度均勻性。其原理是當(dāng)蒸發(fā)源和襯底處在同一圓周上時，有cosФ=cosθ=0.5r/r0,其中r0為相應(yīng)圓周的半徑。這時即使離蒸發(fā)源較遠(yuǎn)的襯底處于較為有利的空間角度，而較近的襯底處于不利的角度位置，因而使得薄膜的沉積厚度變得與角度無關(guān)。利用襯底轉(zhuǎn)動還可以進(jìn)一步改進(jìn)蒸發(fā)沉積厚度的均勻性。第21頁,共23頁，2024年2月25日，星期天16.04.202422均勻性對策之二:當(dāng)蒸發(fā)源與襯底之間存在某種障礙物時，物質(zhì)的沉積會產(chǎn)生陰影效應(yīng)，即蒸發(fā)來的物質(zhì)被