脉冲激光沉积

5.1 脉冲激光沉积概述
• PLD • 发展过程 • PLD的优点 • 待解决的问题
PLD
b
脉冲沉积系统一般由脉冲激光器，
光路系统（光阑扫描器，会聚透
镜，激光窗等），沉积系统（真
空室，抽真空泵电机冷
c
却系统）等组成。如图5-1所示。
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备薄膜的均匀性较差。 • (3) 某些材料靶膜成分并不一致。对于多组元化合物薄膜
，如果某些种阳离子具有较高的蒸气压，则在高温下无法 保证薄膜的等化学计量比生长。
5.2 PLD的基本原理
• PLD是一种真空物理沉积方法，当一束强的脉冲激光照射 到靶材上时，靶表面材料就会被激光所加热、熔化、气化 直至变为等离子体，然后等离子体（通常是在气氛气体中 ）从靶向衬底传输，最后输运到衬底上的烧蚀物在衬底上 凝聚、成核至形成薄膜。
• 整个PLD过程可分为三个阶段： （1）激光与靶的作用阶段 （2）等离子体的膨胀 （3）到达衬底上的烧蚀物 在衬底上的成膜阶段。
图5-3 脉冲激
5.2.1 激光与靶的相互作用
当激光辐射在不透明的凝 聚态物质上被吸收时，被 照射表面的一个薄层被加 热，结果使表面温度升高 ，同时对物质的内层进行 热传导，使被加热层的厚 度增加。由于热传导引起 的热输运随时间而减慢， 因此热传导不能使足够的
图5-5 激光烧蚀靶材表 等离子体是面由大的量自结由构电子示和离意子图及少（量未2电）离的气体分子
和原子组成，且在整体上表现为近似于电中性的电离气体。
等离子体=自由电子+带正电的离子+未电离原子或分子，为 物质的第四态。
5.2.2 等离子体膨胀
等离子体膨胀过程是指高能激光脉冲溅射产生的烧蚀物， 离化为高温高密的等离子体后，大致经历等温和绝热膨胀两 个过程，从靶材表面输运到衬底的过程。
等离子体羽辉
沿靶面法线 方向轴向约
束性
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5.2.3 烧蚀粒子在衬底上的沉积
烧蚀粒子在空间经过一段时间的运动到达衬底表面，然 后在衬底上成核、长大形成薄膜。为了利，其一是从靶材表面喷射出的高速运动粒子对 已成膜的反溅射作用，其二是易挥发元素的挥发损失，其三 是液滴的存在导致薄膜上产生颗粒物。
图5-1 脉冲激光沉积系统示意图
典型的PLD装置如图5-2所示。一束激光经透镜聚焦后投射 到靶上，使被照射区域的物质烧蚀，烧蚀物择优沿着靶的法 线方向传输，形成一个看起来象羽毛状的发光团──羽辉，最 后烧蚀物沉积到前方的衬底上形成一层薄膜。
在沉积的过程中，通常在真空腔中充入一定压强的某种气 体，如淀积氧化物时往往充入氧气，以改善薄膜的性能。
图5-4 激光烧蚀靶 热量进入物质内部，这将 材表面的结构示意 致表面和表面附近的物质温度持续上导升，直到蒸发开始，在
PLD常用的功率密度下，蒸气的温度可以很高，足够使相当多
图（1） 的原子被激发和离化，于是蒸气开始吸收激光辐射，导致在靶
表面出现等离子体。最终结果是在靶表面附近形成复杂的层状 结构，如图5-4所示
• (3) 生长过程中可原位引入多种气体，可以在反应气氛中 制膜，这为控制薄膜组分提供了另一条途径
• (4) 多靶材组件变换灵便，容易制备多层膜及异质结 • (5) 工艺简单，灵活性大，可制备的薄膜种类多 • (6) 可用激光对薄膜进行多种处理等
待解决的问题
• (1) 不易于制备大面积的膜。 • (2) 在薄膜表面存在微米-亚微米尺度的颗粒物污染，所制
图5-8 成 膜过程
5.3 颗粒物的抑制
在5.1一节中提到，颗粒物是限制PLD技术获得广泛应用 的主要因素之一，是PLD技术得以商业化应用迫切需要解决 的难题。颗粒物的大小和多少强烈依赖于沉积参数，如激光 波长、激光能量、脉冲重复频率、衬底温度、气氛种类与压 强以及衬底与靶材的距离等。
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解决方案
发展过程
• 1960年，世界上第一台红宝石激光器问世不久，就产生了 激光镀膜的概念，也开始了激光与物质相互作用的研究。
• 1965年，第一次用红宝石激光沉积光学薄膜，取得一定的 成功，但是效果并不理想。总有较多的微滴，影响薄膜质 量。
• 20世纪70年代中期。电子Q开关的应用，短脉冲激光应运 而生，使PLD技术取得较大进展。
脉
图5-6 等离子体 羽辉外形随时间
的演化
冲 宽 激光作 度 用结束
激光
后
图5-7 等离子体膨胀
等离子体在空间的输运
靶材表面的高温(可达20000K)和高密度((1016--1021)/cm3)的等 离子体
在靶面法线方向的高温和压力梯度
等温膨胀发射(激光作用时)和绝热膨胀发射(激 光终止后)
等离子体区
• 使用高致密度的靶材，同时选用靶材吸收高的激光波长。
因为液滴产生的情况在激光渗入靶材越深时越严重。靶材对激光的吸 收系数越大，则作为液滴喷射源的熔融层越薄，产生的液滴密度越低 。
• 通过基于速率不同的机械屏蔽技术来减少颗粒物（由于 PLD产生的颗粒物的速率要比原子、分子的速率低一个数量级）。
Chapter 5
脉冲激光沉积 Pulsed Laser Deposition (PLD)
化学气相沉积
脉冲激光沉积
分子束外延
薄膜制备方法
溅射
溶胶凝胶法
超声喷雾热解
脉冲激光沉积
5.1 脉冲激光沉积概述 5.2 PLD的基本原理 5.3 颗粒物的抑制
5.4 PLD技术的主要应用
• 脉冲激光沉积（pulsed laser deposition，简称 PLD）法制备薄膜，将脉冲激光器产生的高功率 脉冲激光聚焦于靶材表面，使其表面产生高温及 烧蚀，并进一步产生高温高压等离子（ T>104K） ，等离子体定向局域膨胀在衬底上沉积成膜。
• 1987年，美国贝尔实验室的Dijkkamp等首次成功制备出 高温超导薄膜YBa2Cu3O7-X（钇钡铜氧）薄膜。从而使 PLD技术迅速发展。
PLD的优点
• (1) 采用高光子能量和高能量密度的紫外脉冲激光作为产 生等离子体的能源，因而无污染又易于控制
• (2) 烧蚀物粒子能量高，可精确控制化学计量，实现靶膜 成分接近一致，简化了控制膜组分的工作，特别适合制备 具有复杂成分和高熔点的薄膜