《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(0ρτd ∆ 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10T4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。