脈沖激光沉積

脈沖激光沉積

PulsedLaserDeposition(PLD)Chapter51整理課件薄膜制備方法脈沖激光沉積化學(xué)氣相沉積分子束外延濺射溶膠凝膠法超聲噴霧熱解22整理課件脈沖激光沉積脈沖激光沉積〔pulsed

laser

deposition，簡(jiǎn)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外表，使其外表產(chǎn)生高溫及燒蝕，并進(jìn)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的根本原理5.3顆粒物的抑制5.4PLD技術(shù)的主要應(yīng)用33整理課件5.1脈沖激光沉積概述PLD開展過程PLD的優(yōu)點(diǎn)待解決的問題44整理課件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(huì)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(shè)備〔測(cè)控裝置，監(jiān)控裝置，電機(jī)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(shí)物圖〔c〕acb55整理課件

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(gè)看起來象羽毛狀的發(fā)光團(tuán)──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(qiáng)的某種氣體，如淀積氧化物時(shí)往往充入氧氣，以改善薄膜的性能。圖5-2典型的PLD示意圖66整理課件開展過程1960年，世界上第一臺(tái)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(xué)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(jì)70年代中期。電子Q開關(guān)的應(yīng)用，短脈沖激光應(yīng)運(yùn)而生，使PLD技術(shù)取得較大進(jìn)展。1987年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Dijkkamp等首次成功制備出高溫超導(dǎo)薄膜YBa2Cu3O7-X〔釔鋇銅氧〕薄膜。從而使PLD技術(shù)迅速開展。77整理課件PLD的優(yōu)點(diǎn)(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(xué)計(jì)量，實(shí)現(xiàn)靶膜成分接近一致，簡(jiǎn)化了控制膜組分的工作，特別適合制備具有復(fù)雜成分和高熔點(diǎn)的薄膜(3)生長(zhǎng)過程中可原位引入多種氣體，可以在反響氣氛中制膜，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(jiǎn)單，靈活性大，可制備的薄膜種類多(6)可用激光對(duì)薄膜進(jìn)行多種處理等88整理課件待解決的問題(1)不易于制備大面積的膜。(2)在薄膜外表存在微米-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(duì)于多組元化合物薄膜，如果某些種陽(yáng)離子具有較高的蒸氣壓，那么在高溫下無法保證薄膜的等化學(xué)計(jì)量比生長(zhǎng)。99整理課件5.2PLD的根本原理PLD是一種真空物理沉積方法，當(dāng)一束強(qiáng)的脈沖激光照射到靶材上時(shí)，靶外表材料就會(huì)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(yùn)到襯底上的燒蝕物在襯底上凝聚、成核至形成薄膜。整個(gè)PLD過程可分為三個(gè)階段：〔1〕激光與靶的作用階段〔2〕等離子體的膨脹〔3〕到達(dá)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1010整理課件5.2.1激光與靶的相互作用當(dāng)激光輻射在不透明的凝聚態(tài)物質(zhì)上被吸收時(shí)，被照射外表的一個(gè)薄層被加熱，結(jié)果使外表溫度升高，同時(shí)對(duì)物質(zhì)的內(nèi)層進(jìn)行熱傳導(dǎo)，使被加熱層的厚度增加。由于熱傳導(dǎo)引起的熱輸運(yùn)隨時(shí)間而減慢，因此熱傳導(dǎo)不能使足夠的熱量進(jìn)入物質(zhì)內(nèi)部，這將導(dǎo)圖5-4激光燒蝕靶材外表的結(jié)構(gòu)示意圖〔1〕致外表和外表附近的物質(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(dāng)多的原子被激發(fā)和離化，于是蒸氣開始吸收激光輻射，導(dǎo)致在靶外表出現(xiàn)等離子體。最終結(jié)果是在靶外表附近形成復(fù)雜的層狀結(jié)構(gòu)，如圖5-4所示1111整理課件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激光燒蝕靶材外表的結(jié)構(gòu)示意圖〔2〕1212整理課件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(gè)過程，從靶材外表輸運(yùn)到襯底的過程。圖5-6等離子體羽輝外形隨時(shí)間的演化圖5-7等離子體膨脹過程中溫度隨時(shí)間演化規(guī)律脈沖寬度激光作用時(shí)間激光作用結(jié)束后1313整理課件

等離子體在空間的輸運(yùn)靶材外表的高溫(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(shí))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14整理課件5.2.3

燒蝕粒子在襯底上的沉積燒蝕粒子在空間經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)到達(dá)襯底外表，然后在襯底上成核、長(zhǎng)大形成薄膜。為了提高薄膜的質(zhì)量必須對(duì)襯底加溫，一般要幾百度。這一階段中，有幾種現(xiàn)象對(duì)薄膜的生長(zhǎng)不利，其一是從靶材外表噴射出的高速運(yùn)動(dòng)粒子對(duì)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(dǎo)致薄膜上產(chǎn)生顆粒物。圖5-8成膜過程1515整理課件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(shù)獲得廣泛應(yīng)用的主要因素之一，是PLD技術(shù)得以商業(yè)化應(yīng)用迫切需要解決的難題。顆粒物的大小和多少?gòu)?qiáng)烈依賴于沉積參數(shù)，如激光波長(zhǎng)、激光能量、脈沖重復(fù)頻率、襯底溫度、氣氛種類與壓強(qiáng)以及襯底與靶材的距離等。1616整理課件解決方案使用高致密度的靶材，同時(shí)選用靶材吸收高的激光波長(zhǎng)。因?yàn)橐旱萎a(chǎn)生的情況在激光滲入靶材越深時(shí)越嚴(yán)重。靶材對(duì)激光的吸收系數(shù)越大，那么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(jī)械屏蔽技術(shù)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(gè)數(shù)量級(jí)〕。1〕在靶材與襯底之間加一個(gè)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那么被攔截下來2〕偏軸激光沉積，即襯底與靶材不同軸地進(jìn)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(zhǔn)陰影掩模版，即通過同軸的掩模版來阻擋液滴到達(dá)襯底4〕在靶材與襯底間加一個(gè)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)或磁場(chǎng)來減少液滴的沉積，等等。1717整理課件解決方案采用降低顆粒物污染的沉積技術(shù)1〕雙光束激光沉積技術(shù)，采用兩個(gè)激光器或通過對(duì)一束激光進(jìn)行分光得到兩束激光，沉積時(shí)先讓一束光使靶材外表局部熔化，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(shù)，讓兩束激光從不同角度同時(shí)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(gè)光闌，可以產(chǎn)生一個(gè)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(shí)用新型的超快脈沖激光器1818整理課件5.4PLD技術(shù)的主要應(yīng)用

半導(dǎo)體薄膜高溫超導(dǎo)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1919整理課件ZnO薄膜的PLD生長(zhǎng)開展歷史：PLD技術(shù)用于生長(zhǎng)ZnO薄膜的最早報(bào)道見于1983年。主要進(jìn)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(zhǎng)ZnO薄膜。液滴問題：薄膜外表液滴的存在是激光與物質(zhì)相互作用過程中，在靶的外表產(chǎn)生熱效應(yīng)，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(fù)頻率和激光能量等，或多或少對(duì)ZnO薄膜的生長(zhǎng)和性能起著重要作用。

2020整理課件ZnO薄膜的PLD生長(zhǎng)

外延生長(zhǎng)：盡管ZnO薄膜的許多應(yīng)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(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)，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(yīng)用研究中的一個(gè)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(xiàn)報(bào)道，V族元素N、P、As(砷)、Sb(銻)和I族元素Li、Na、Ag均成功實(shí)現(xiàn)了PLD生長(zhǎng)ZnO的p型電導(dǎo)轉(zhuǎn)變。2121整理課件PLD中的重要實(shí)驗(yàn)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(shí)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