关于脉冲激光沉积(PLD)薄膜技术的探讨

《表面科学与技术》课程作业
关于脉冲激光沉积（PLD）薄膜技术的探讨
摘要：薄膜材料广泛应用在半导体材料、超导材料、生物材料、微电子元件等方面。

为了得到高质量的薄膜材料，科学家一直在寻找和探讨各种新的技术，脉冲激光沉积（Pulsed Laser Diposition PLD）薄膜技术是近年来快速发展起来的使用范围最广，最有前途的制膜技术之一。

本文介绍了脉冲激光沉积(PLD)薄膜技术的原理及特点，并与其他薄膜技术进行对比，探讨衬底温度、靶材与基底的距离、退火温度、靶材的致密度、激光能量、激光频率等参数对薄膜质量的影响。

分析了脉冲激光沉积技术在功能薄膜材料中的应用和研究现状，并展望了该技术的应用前景。

关键字：脉冲激光沉积（PLD）等离子体薄膜技术
前言
上世纪60年代第一台红宝石激光器的问世，开启了激光与物质相互作用的全新领域。

科学家们发现当用激光照射固体材料时，有电子、离子和中性原子从固体表面逃逸出来，这些跑出来的粒子在材料附近形成一个发光的等离子区，其温度估计在几千到一万度之间，随后有人想到，若能使这些粒子在衬底上凝结，就可得到薄膜，这就是最初激光镀膜的概念。

最初有人尝试用激光制备光学薄膜，这种方法经分析类似于电子束打靶蒸发镀膜，没有体现出其优势来，因此这项技术一直不被人们重视。

直到1987年，美国Bell实验室首次成功地利用短波长脉冲准分子激光制备了高质量的钇钡铜氧超导薄膜，这一创举使得脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，简称PLD)技术受到国际上广大科研工作者的高度重视，从此PLD
成为一种重要的制膜技术]1[1。

由于脉冲激光沉积技术具有许多优点，它被广泛用于铁电、半导体、金刚石(类金刚石)等多种功能薄膜以及生物陶瓷薄膜的制备上，可谓前途光明。

1. PLD 技术装置图及工作原理
1.1 PLD系统
脉冲沉积系统样式比较多，但是结构差不多，一般由准分子脉冲激光器、光路系统(光阑扫描器、会聚透镜、激光窗等)；沉积系统(真空室、抽真空泵、充气系统、靶材、基片加
热器)；辅助设备(测控装置、监控装置、电机冷却系统)等组成]2[2，如图1-1所示。

1[1]邓国联，江建军．脉冲沉积技术在磁性薄膜制备中的应用[J]．材料导报2003，17(2)：66—68．原文：“1987年，美国Bell实验室首次成功地利用短波长脉冲准分子激光制备了高质量的钇钡铜氧(YBCO)超导薄膜，脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，简称PLD)技术才成为一种重要的制膜技术受到国际上广大科研工作者的高度重视。

”
2[2] 高国棉陈长乐陈钊李谭王永仓金克新赵省贵(1西北工业大学理学院，西安
1-1PLD系统设备结构示意图
1.2 PLD镀膜原理
脉冲激光沉积技术的主体是物理过程，但有时也会引入活性气体含化学反应过程。

其溅射过程使用的激光是多维脉冲激光，多是用来制备纳米薄膜。

PLD 镀膜技术是将准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材表面，使靶材表面产生高温熔蚀物，并进一步产生高温高压等离子体，这种等离子体能够产生定向局域膨胀发射并在衬底上沉积成膜
]3[3。

脉冲激光作为一种新颖的加热源，其特点之一就是能量在空间和时间上高度集中。

从靶材经过激光束作用产生等离子体到粒子最后在基片表面凝结沉积成膜，整个PLD镀膜过程通常分为三个阶段]4[4：
1.2.1激光与靶材相互作用产生等离子体
脉冲激光烧蚀固体靶产生的等离子体过程非常复杂，而此过程对激光烧蚀沉积又非常关键。

激光束聚焦在靶材表面，在足够高的能量密度下和短的脉冲时间内，靶材吸收激光能量并使光斑处的温度迅速升高至靶材的蒸发温度以上而产生高温及烧蚀，靶材汽化蒸发，有原
710072；2空军工程大学理学院，西安7l0052) 脉冲激光沉积(PLD)的研究动态与新发展材料导报2005年第19卷第2期原文：“典型PLD工艺的装置主要由激光器、真空系统和检测系统组成。

”
3[3] 马玉英硕士学位论文脉冲激光沉积PLD制备FeSi2薄膜及性能研究2011年4月10日原文：“PLD 镀膜技术是用足够强度的激光照射凝聚态物质产生等离子体，等离子体与基片作用并在基片表面凝结成膜。

”
4[4] 唐亚陆杜泽民(1．昆明理工大学光电子新材料研究所，云南昆明650093；2．淮阴工学院，江苏淮安223001；3．淮安军星科技学校，江苏，淮安223001) 脉冲激光沉积(PLD)原理及其应用桂林电子工业学院学报2006年2月第26卷第1期原文：“1激光与靶材相互作用产生等离子体2等离子体在空间的输运(包括激光作用时的等温膨胀和激光结束后的绝热膨胀) 3等离子体在基片上成核、长大形成薄膜。

”
子、分子、电子、离子和分子团簇及微米尺度的液滴、固体颗粒等从靶的表面逸出。

这些被蒸发出来的物质反过来又继续和激光相互作用，其温度进一步提高，形成区域化的高温高密度的等离子体，等离子体通过逆韧致吸收机制吸收光能而被加热到104K 以上，形成一个具有致密核心的明亮的等离子体火焰。

靶材离化蒸发量与吸收的激光能量密度之间有下列关系
]5[5：
H I I R d ∆--=∆.)()1(0ρτ
d ∆ 是靶材在束斑面积内的蒸发厚度；
R 是材料的反射系数；
τ 是激光脉冲持续时间；
I 是入射激光束的能量密度；
0I 是激光束蒸发的阈值能量密度，它与材料的吸收系数等有关；
ρ 是靶材的体密度；
∆H 是靶材的汽化潜热。

靶材表面附近形成了一种复杂的层状结构如图1-2所示。

A — 固态靶；
B —熔化的液态层；
C —气态和等离子体层；
D —膨胀后的等离子体
1-2 脉冲过程靶表面的结构示意图
1.2.2 等离子体在空间的输运(包括激光作用时的等温膨胀和激光结束后的绝热膨胀)
等离子体火焰形成后，其与激光束继续作用，进一步电离，等离子体的温度和压力迅速升高，并在靶面法线方向形成较大的温度和压力梯度，使其沿该方向向外作等温(激光作用时)和绝热(激光终止后)膨胀]6[6，此时，电荷云的非均匀分布形成相当强的加速电场。

在这些极端条件下，高速膨胀过程发生在数十纳秒瞬间，迅速形成了一个沿法线方向向外的细长的等离子体羽辉。

1.2.3 等离子体在基片上成核、长大形成薄膜
5 [5] 刘玫 山东师范大学 硕士学位论文 脉冲激光沉积PLD 半导体材料结构特性的研究 2006年4月10日 原文：“等离子体一旦形成，它又以新的机制吸收光能而被加热到10T
4以上，表现为一个具有致密核心的闪亮的等离子体火焰。

靶材离化蒸发量与吸收的激光能量密度之间有下列关系……”
6 [6] 高国棉 陈长乐 王永仓 陈 钊 李 谭 脉冲激光沉积（PLD ）技术及其应用研究 空军工程大学学报 2005年6月 第5卷 第3期
激光等离子体与基片相互作用的机理如图1-3所示，开始时向基片输入高能离子，其中一部分表面原子溅射出来，由于输入离子流和从表面打出的原子相互作用，形成一个高温和高离子密度的对撞区，阻碍了落入离子流直接通向基片。

激光等离子体中的高能粒子轰击基片表面，使其产生不同程度的辐射式损伤，其中之一就是原子溅射。

入射粒子流和溅射原子
之间形成了热化区（溅射区）]7[7，一旦粒子的凝聚速率大于溅射原子的飞溅速率，热化区
就会消散，粒子在基片上生长出薄膜。

这里薄膜的形成与晶核的形成和长大密切相关。

而晶核的形成和长大取决于很多因素，诸如等离子体的密度、温度、离化度、凝聚态物质的成分、基片温度等等。

随着晶核超饱和度的增加，临界核开始缩小，直到高度接近原子的直径，此时薄膜的形态是二维的层状分布。

1-3粒子流的相互作用图
2. PLD技术相比其他制模技术的特点
由于脉冲激光沉积的独特物理过程，和其它制膜技术相比，简单易操作，主要有下述优点：
（1）适用于多组元化合物的沉积，可对化学成分复杂的复合物材料进行全等同镀膜，激光法的非选择一致蒸发有利于沉积此类薄膜，与靶材成分容易一致是PLD的最大优点，是区别
于其他技术的主要标志]8[8。

（2）高真空环境对薄膜污染少可制成高纯薄膜；羽辉只在局部区域运输蒸发，故对沉积腔污染要少得多。

（3）反应迅速，生长快，能够沉积高质量纳米薄膜，通常情况下一小时可获1 m左右的薄膜。

高的离子动能具有显著增强二维生长和显著抑制三维生长的作用，促进薄膜的生长沿二维展开，因而能获得连续的极细薄膜而不形成分离核岛。

原文：“等离子体火焰形成后，其与激光束继续作用，进一步电离，等离子体的温度和压力迅速升高，并在靶面法线方向形成大的温度和压力梯度，使其沿该方向向外作等温（激光作用时）和绝热（激光终止后）膨胀，此时，电荷云的非均匀分布形成相当强的加速电场。

”7[7] 牵美成陈学康杨建平王菁赵连城脉冲激光纳米薄膜制备技术红外与激光工程2010年12月第29卷第6期原文：“根据对激光等离子体在固体表面附近作用过程的研究和分析，激光等离子体与片基表面相互作用的机理可描述如下。

开始时向片基输入高能离子，其中一部分表面原子溅射出来，由于输入离子流和从表面打出的原子相互作用，形成了一个高温和高粒子密度的对撞区，阻碍了落入离子流直接通向片基”
8[8] 吕珂脉冲激光沉积PLD技术及其应用（华东交通大学基础学院物理系，江西南昌330013）2009年5月原文：“激光法的非选择一致蒸发有利于沉积此类薄膜，与靶材成分容易一致是PLD的最大优点。

”
(4)定向性强、薄膜分辩率高，能实现微区沉积。

（5）沉积温度低，可以在室温下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜。

（6）换靶装置简单，便于实现多层膜及超晶格的生长，多层膜的原位沉积便于产生原子级清洁的界面。

(7)靶材易制备不需加热，等离子能量高能量大于10eV，离子能量1000eV左右，如此高的能量可降低膜所需的衬底温度，易于在较低温度下原位生长取向一致的结构和外延单晶膜]9[9。

(8) 生长过程中可原位引入多种气体，引入活性或惰性及混合气体对提高薄膜质量有重要意义。

(9) 可以蒸发金属、半导体、陶瓷等无机材料，有利于解决难熔材料的薄膜沉积问题
]
10
[
10。

尽管脉冲激光沉积技术有许多优点，但是也有一些缺点，主要体现在：
(1) 激光与靶材作用时溅射出的熔融状态小颗粒和碎片严重影响了制备薄膜的质量。

(2) 薄膜厚度不够均匀。

激光烧蚀产生的等离子体在不同空间方向上的粒子速率不同，造成空间粒子能量和数量的不均匀分布；
(3) 等离子定向局域膨胀，颗粒分布空间有限，难以制备大面积薄膜。

3.影响PLD镀膜表面质量的因素
要探讨影响镀层薄膜质量的因素首先必须要了解PLD镀膜工艺的流程。

PLD 镀膜基本工艺流程为：衬底清洗——靶材安装——衬底放置——靶基距调节——光路准直——抽真空——衬底加热——沉积薄膜——退火。

影响工艺流程的因素也必将影响成膜的表面质量，脉冲激光沉积薄膜质量的好坏与入射激光的波长、激光能量密度、衬底溅射温度、靶基距等工艺参数的选取是否合理有关。

Ong C.K 等科学家给出了 PLD 制膜工艺的最佳沉积条件经验公
式]11[11：
其中，
E为激光能量密度阈值，E 为激光能量密度，P 为生长压力，d 为靶基距。

3.1 衬底温度
决定薄膜质量好坏的最关键因素是衬底溅射温度，给衬底加热有利于颗粒在膜上加快迁9[9] 邓联文江建军何华辉（华中科技大学电于科学与技术系，武汉430074) 脉冲激光沉积技术在磁性薄膜材料制备中的应用材料导报2003年2月第17卷第3期原文：“．因为等离子体中原于的能量比通常蒸发法产生的粒于能量要大得多(10～1000eV)，使原于沿表面的迁移扩散更剧烈，使在较低的温度下也能实现外延生长；而低的脉冲重复频率(<20Hz)也使原于在两次脉冲发射之间有足够的时间扩散到平衡的位置，有利于薄膜的外延生长。

”
10[10]贾芳曹培江曾玉祥电子器件激光能量对脉冲激光沉积法制备ZnO薄膜性能的影响2009年8月第32卷第4期原文：“可以蒸发金属、半导体、陶瓷等无机材料，有利于解决难熔材料的薄膜沉积问题”
11 [11] 王海方李毅蒋群杰俞晓静胡双双武斌张虎黄毅泽影响PLD技术的重要参数材料导报2008年10月第24卷第5期原文：“脉冲激光沉积薄膜质量的好坏与入射激光的波长、激光能量密度、衬底溅射温度、靶基距等工艺参数的选取是否合理有关”
移，有利于结晶。

若衬底温度低，沉积原子还来不及排列好，又有新的原子到来，则往往不能形成单晶膜；若温度甚低，原子很快冷却，难以在衬底上迁移，这样会形成非晶薄膜。

若衬底温度过高，则热缺陷大量增加，也难以形成单晶膜。

实验得出800℃是最好的沉积温度。

3.2 靶材与基底的距离
当靶材与基片的距离太远时，等离子体羽辉尾部的离子能量低，容易复合生成大颗粒；当他们距离太近时，等离子体羽辉内部能量大、速度快的离子，使薄膜表面产生孔洞或裂痕，破坏薄膜的表面形貌。

实验表明距离为4cm 时，效果较好。

3.3 氧压与退火温度
等离子羽辉中的氧离子会结合成氧气跑掉，充氧压的目的就是为了补充薄膜中缺失的氧。

但氧压不宜过高，过高的氧压会使溅射产生的粒子经受大量的碰撞而散射，使其失去大部分能量。

由于硅化铁材料随温度变化之间存在相变化，因此退火温度严重影响薄膜的结晶质量。

退火时温度太低不利于薄膜重新结晶且氧不能很好地补充进去；温度太高时，已形成的薄膜会分解。

实验得出氧压取30Pa比较理想。

3.4 靶材的致密度
靶材致密度直接影响等离子体羽辉质量，如果靶材太疏松，等离子体中就会存在一些大颗粒和靶材碎片，造成薄膜表面粗糙，颗粒分布不均，严重影响薄膜质量。

3.5 激光能量
脉冲激光能量的高低会影响溅射和沉积速率并会影响等离子体羽辉的产生质量。

能量过低则难以产生等离子体，沉积速度非常慢，激光能量增加时，粒子流密度增大，等离子体
内部粒子的空间分布也随之改变，当能量过高时也会有大颗粒产生，影响薄膜表面形貌]12[12。

实验中取400mJ比较好。

3.6 激光频率
频率太高时沉积在膜上的颗粒还未运动开来，下一批溅射的颗粒已落下来，这样就会造成堆积从而形成不均匀膜；频率太低时，间隔时间长杂质就会进入薄膜，降低膜的质量。

实验中一般取4Hz．
由以上各方面可以看出，合理控制溅射工艺是制备优质薄膜的关键。

另外，靶材和基片晶格匹配程度和基片的表面处理情况均会影响到薄膜与基片之间的结合力强度和薄膜表面的粗糙度。

由于激光照射到靶材表面后产生一些没有完全离化的分子或原子团，甚至颗粒物和小液滴，这些物质沉积在基片上后会形成表面缺陷，严重影响薄膜的质量和性能。

为了减少薄膜中的颗粒物，许多研究者通过对现有 PLD 沉积设备和工艺的进行改进，提出了一些可行的方法，主要分为两种：一是从源头上减少液滴的产生；二是在等离子体输运过程中减少基片上液滴的沉积。

美国的 P．K．Schenck 等分析了 PLD 法沉积薄膜过程中减少液滴的各种方法，在此基础上通过综合其他的一些资料，归纳起来，主要有如下几个方面：
(1) 采用双光束法，将激光分成两束对靶材进行多角度扫描。

(2) 根据靶材特性，通过控制激光入射的能量密度减少激光溅射出更多能量不均匀粒子。

(3) 采用高密度靶材，对其进行原位重熔和凝固处理，改变靶材表面状态或使用短波激光束，增加靶材对激光的吸收。

12[12]王泽敏, 戢明, 曾晓雁脉冲激光沉积Al膜的沉积模式及沉积速率研究激光技术2006年6月第30卷第3期原文：“脉冲激光能量的高低会影响溅射和沉积速率并会影响等离子体羽辉的产生质量。

能量过低则难以产生等离子体，沉积速度非常慢，激光能量增加时，粒子流密度增大，等离子体内部粒子的空间分布也随之改变，当能量过高时也会有大颗粒产生，影响薄膜表面形貌”
(4) 采用圆盘或圆柱形靶材使激光在靶材表面上充分扫描。

(5) 通过改变沉积过程中的环境气压改善薄膜的质量。

上述方法，虽然可以一定程度的减少薄膜表面的颗粒物，但要牺牲 PLD 技术的某些优点，要想从根本上解决这一问题，需要从激光与靶材的相互作用的物理过程进行研究，进一步深入研究颗粒物的产生机理，通过调整沉积工艺参数和改变靶材聚集状态等方面提出可行办法，推动 PLD 技术不断发展。

4. PLD 技术近期研究进展
目前，脉冲激光沉积薄膜技术作为实用范围最广的方法被广泛用于高温超导薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、半导体薄膜、金属、超硬材料薄膜等的制备和研究。

4.1 PLD法薄膜制备技术的理论研究
脉冲激光薄膜沉积技术过程本身的复杂性是其区别于其他技术的主要地方，它不仅需要考虑激光与靶的相互作用，还要考虑此作用的产物在空间的传输和在基片上的沉积，而每个过程之间还存在复杂的相互影响，因此，用完整的数学模型描述其中的整个物理过程是极其困难的。

怎样通过可以确定的沉积参数来预测或推断液滴的产、薄膜的均匀性、薄膜的结晶（凝结）状态以及沉积速率等，仍然是一个有待解决的难题。

多年以来，在广大研究人员的工作基础上，随着研究的不断深入和研究手段的不断改进，已经得到了一些有意义的成果。

4.1.1 激光与靶材的相互作用
激光与靶材的相互作用过程对所沉积薄膜的成分、组织结构和均匀性的影响至关重要，有些科学家已经总结出激光照射靶产生喷溅行为的微爆炸机制，，并用数学公式和物理模型做了简单的描述。

1999年，意大利的S. Amoruso 以Nd：YAG（ =355 nm）激光照射99. 999%的纯Al靶材，通过对等离子体在空间的飞行时间TOF（time - of - fIight）的直接观测，经过分析给出了激光作用后粒子的动能和数量与激光功率之间的定性关系，这使得在激光功率与沉积速率之间建立确定的函数关系成为可能。

4.1.2 对激光激发的等离子体的研究
薄膜的沉积过程实际上是等离子体中的粒子束在基片上的着陆并堆积的过程。

因此，等离子体的能量、粒子束飞行速度、激光束对等离子体的进一步作用规律等，是控制薄膜沉积过程与质量的基础与关键。

德国的M .Ozegowski 等通过利用不同波长的激光束进行PLD实验，
发现了等离子体对不同波长激光的选择吸收这一现象]13[13,如图4-1所示。

13[13]陈长乐王永仓陈钊脉冲激光沉积(PLD)的研究动态与最新发展材料导报 2005年10月第12卷第8期原文：“等离子体的能量、粒子束飞行速度、激光束对等离子体的进一步作用规律等，是控制薄膜沉积过程与质量的基础与关键。

德国的M .Ozegowski 等通过利用不同波长的激光束进行PLD实验，发现了等离子体对不同波长激光的选择吸收这一现象。

”
图4-1对准分子激光和调Q 的Nd ：YAG 激光联合烧蚀靶的离子流的测量
结果表明短波（308nm ）激光所激发的等离子体对长波（1064nm ）激光是强烈吸收的，反之亦反。

4.1.3等离子体在基片上沉积成膜
PLD 法沉积薄膜过程中产生的离子由于能量较高（E>10eV ），与基片吸附后仍然有很大的活性，可以与环境气氛充分反应，较好地解决了溅射法沉积氧化物薄膜的局部缺氧问题。

在薄膜的生长过程中自溅射的影响也不可忽视。

A.Zenkevitch 等通过对Au 薄膜的PLD 法沉积过程的研究，给出了包括自溅射影响因子的薄膜生长速度（用随脉冲数的薄膜厚度来表示） 的计算公式]14[14:
n n r N Y R d x
Au )](1[20π•-•= 其中，Au Y 为Au 的自溅射影响因子（对于不同的激光参数和靶材有不同的数值）；n ( 为激光脉冲数；d 为形核半径；x N 为形核率。

4.2 PLD 技术的最新研究方向
为了解决沉积过程中的3个问题：(1)薄膜表面有大的颗粒存在；(2)制备的薄膜面积小，均匀性差；(3)还不能有效地在非平面衬底上沉积均匀的薄膜。

除了继续通过改进实验设备、优化工艺参数和增加外场来提高薄膜质量外，主要发展集中于将PLD 技术和其它技术相结合，研制出新的薄膜制备技术，体现在以下3个方向：
4.2.1 超快脉冲激光沉积(ultra —fast PLD)技术
该技术采用低脉冲能量和高重复频率的方法达到高速沉积优质薄膜的目的。

因为每个低能量的超短脉冲激光只能蒸发出很少的原子，可以相应的阻止大颗粒的产生。

高达几十兆赫
14 [14] Zenkevitch A,Chevallier J,Khabelashvili I,Thin Solid Films 1997,311:119~123
原文：“n n r N Y R d x
Au )](1[20π•-•=
兹的重复频率可以使产生的等离子体和基片相互作用，可以补偿单脉冲的低蒸发率而在整体上得到极高的沉积速率。

由于重复频率达几十兆赫兹，使每个脉冲在空间上很近，这样可以通过使激光束在靶材上扫描、快速连续蒸发组分不同的多个靶材制得复杂组分的连续薄膜，可以用来生长高效优质的多层薄膜、混和组分薄膜、单原子层薄膜。

故该技术对克服传统方法制备的薄膜表面存在大颗粒的缺点很有效。

4.2.2脉冲激光真空弧(pulsed laser vacuum arc)技术
该技术是结合脉冲激光沉积和真空弧沉积技术而产生的。

其基本原理是：在高真空环境下在靶材和电极之间施加一高电压，脉冲激光由外部引入并聚焦到靶材表面使之蒸发，从而在电极和靶材之间引发一个脉冲电弧；该电弧作为二次激发源使得靶材表面再次激发，从而
使基片表面形成所需的薄膜]15[15。

4.2.3双光束脉冲激光沉积(DBPLD)技术
该技术采用2个激光器或对一束激光分光的方法得到两束激光，同时轰击2个不同的靶材，并通过控制两束激光的聚集功率密度，以制备厚度、化学组分可设计的理想梯度功能薄膜。

这可以加速金属掺杂薄膜、复杂化合物薄膜等新材料的开发。

5. 结束语
PLD技术经过十几年的发展，已成功制备出各种各样的优良薄膜。

实践证明，PLD技术是一种极具发展潜力的制备薄膜新技术。

随着辅助设备的进步和工艺参数的进一步优化，理论研究逐步深入和技术条件的进一步完善，PLD技术必将在薄膜的制备方面得到进一步的发展和应用，其产业化应用是完全可能的。

15[15]戢明宋全胜曾晓雁脉冲激光沉积（PLD）薄膜技术的研究现状与展望真空科学与技术 2003年2月第23卷第1期原文：“在高真空环境下在靶材和电极之间施加一高电压，脉冲激光由外部引入并聚焦到靶材表面使之蒸发，从而在电极和靶材之间引发一个脉冲电弧；该电弧作为二次激发源使得靶材表面再次激发，从而使基片表面形成所需的薄膜。

”。