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Laser Ablation 薄膜沉积装置
(or Laser deposition 可避免EB蒸发的对衬 底X-ray损伤)
准分子激光
(KrF、248nm、 2-5J/cm2)
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薄膜沉积的厚度均匀性
在物质蒸发过程中，蒸发原子的运动具有一定的方向性， 在物质蒸发过程中，蒸发原子的运动具有一定的方向性，这时考虑膜厚 均匀性的基础。物质的蒸发源可以有不同的形状， 均匀性的基础。物质的蒸发源可以有不同的形状，其中点蒸发源是最容 易进行数学处理的一种， 易进行数学处理的一种，而相对衬底距离较远尺寸较小的都可以被认为 相当于点蒸发源。点源时我们可以设被蒸发物质是由面积为Ae的小球面 相当于点蒸发源。点源时我们可以设被蒸发物质是由面积为 的小球面 上均匀地发射出来的，这时，蒸发出来的物质总量Me为 上均匀地发射出来的，这时，蒸发出来的物质总量 为
激光脉冲沉积
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化学气相沉积
分子束外延 超声喷雾热 解
直流溅射
薄膜制备方法 薄膜制备方法 制备
脉冲激光沉积
溶胶凝胶法
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脉冲激光沉积的实验仪器图
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• 1960年，激光的示范首次出现。自此以后，激光 受到多方面应用，发展成為强效的工具。激光对 物料加工的帮助，效果尤其显着。激光具备许多 独特的性质，例如狭窄的频率带宽、相干性、以 及高释能密度。通常，光束的强度足以汽化最坚 硬与最耐热的物料。再加上激光精确、可靠、具 备良好的空间分辨能力。这些出色表现，所以得 到机製薄膜、物料改造、物料表面加热处理、熔 接，及微型图案等工业广泛使用。除此之外，多 组分物质能够溶化，并沉积在底物上，形成化学 计量薄膜。
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影响薄膜的厚度 影响薄膜的均匀性 影响沉积速率
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PLD法制备薄膜实验流程图 法制备薄膜实验流程图
安装靶材与衬底 调整激光器参数
λ 激光器为YAG固体激光器，波长 固体激光器， 激光器为 固体激光器 ＝532nm(绿光）,激光脉宽为 绿光） 激光脉宽为10ns, 绿光 激光脉宽为 频率为1Hz,3Hz,5Hz.能量为 能量为0---频率为 能量为 300mJ可调． 可调． 可调
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1. 激光与靶材相互作用产生等离子体
等离子体是由大量自由电子和离子及少量未电离的气体分子和原子组成， 等离子体是由大量自由电子和离子及少量未电离的气体分子和原子组成，且 是由大量自由电子和离子及少量未电离的气体分子和原子组成 在整体上表现为近似于电中性的电离气体。 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。 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。 自由电子 带正电的离子+未电离原子或分子
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脉冲激光沉积的优点
可以生长和靶材成分一致的多元化合物薄膜 易于在较低温度下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜 由于激光的能量高， 由于激光的能量高，可以沉积难熔薄膜 灵活的换靶装置便于实现多层膜及超晶格膜的生长 生长过程中可以原位引入多种气体， 生长过程中可以原位引入多种气体，提高薄膜的质量 污染小 薄膜存在表面颗粒问题 缺点 很难进行大面积薄膜的均匀沉积
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• 第三阶段是决定薄膜质量的关键。放射出的高能核素碰击 基片表面，可能对基片造成各种破坏。下图表明了相互作 用的机制。高能核素溅射表面的部分原子，而在入射流与 受溅射原子之间，建立了一个碰撞区。膜在这个热能区 （碰撞区）形成后立即生成，这个区域正好成為凝结粒子 的最佳场所。只要凝结率比受溅射粒子的释放率高，热平 衡状况便能够快速达到，由於熔化粒子流减弱，膜便能在 基片表面生成。
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• 总的来说，的概念简单易懂。脉冲激光束聚焦在 固体靶的表面上。固体表面大量吸收电磁辐射导 致靶物质快速蒸发。蒸发的物质由容易逃出与电 离的核素组成。若果溶化作用在真空之下进行， 核素本身会即时在靶表面上形成光亮的等离子羽 状物。下图展示了一些过程中產生的典型等离子 羽状物。
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基片靶材旋转法 激光束运动
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新方法： 新方法：激光分子束外延
PLD中的重要实验参数 中的重要实验参数
基体的加热温度
影响沉积速率和薄膜的质量
氧气的压力
过高不利于薄膜择优取向的形成 过低导致化学配比失衡， 过低导致化学配比失衡，内部缺陷增多
沉积时间 基体与靶的距离 激光能量， 激光能量，频率
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熔化物质的动态
• 在第二阶段，根据气体动力学定律，发射 出来的物质有移向基片的倾向，并出现向 前散射峰化现象。空间厚度随函数cosnθ而 变化，而n>>1。激光光斑的面积与等离子 的温度，对沉积膜是否均匀有重要的影响。 靶与基片的距离是另一个因素，支配熔化 物质的角度范围。亦发现，将一块障板放 近基片会缩小角度范围。
Me = ∫∫ TdAedt = TAet
其中T为单位面积的蒸发速率， 为蒸发源表面单元， 为时间。 其中 为单位面积的蒸发速率，dAe为蒸发源表面单元，t为时间。在上述 为单位面积的蒸发速率 为蒸发源表面单元 为时间 的蒸发总量中， 的蒸发总量中，只有那些运动方向处在衬底所在空间角内的原子才会落 到衬底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底单位面积源dAs上沉 到衬底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底单位面积源 上沉 积的物质总量取决于其对应的空间角大小， 积的物质总量取决于其对应的空间角大小，即衬底上沉积的原子质量密 度为∶ 度为∶
抽真空（机械泵与分子泵至10-5Pa） 抽真空（机械泵与分子泵至 ） 开加热装置， 开加热装置，通气体 导入激光进行镀膜 关闭仪器
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C 激光蒸发镀膜 激光蒸发镀膜(laser ablation)装置 装置
使用高功率的激光束作为能量进行薄膜的蒸发沉积的方法叫激光沉 积法。显然，这种方法也具有加热温度高、可避免坩埚污染、 积法。显然，这种方法也具有加热温度高、可避免坩埚污染、材料的蒸 发速率高、蒸发过程容易控制等特点。同时由于在蒸发过程中， 发速率高、蒸发过程容易控制等特点。同时由于在蒸发过程中，高能激 光光子将能量直接传给被蒸发的原子， 光光子将能量直接传给被蒸发的原子，因而激光蒸发法的粒子能量一般 显著高于其它的蒸发方法。 显著高于其它的蒸发方法。
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2.等离子体在空间的输运 2.等离子体在空间的输运
靶材表面的高温(可达 和高密度((1016-----1021)/cm3)的等离子体 靶材表面的高温 可达20000K)和高密度 可达 和高密度 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) 等温膨胀发射(激光作用时)和绝热膨胀发射(激光终止后) 沿靶面法线方向 等离子体区 等离子体羽辉 轴向约束性
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均匀性对策之一: 均匀性对策之一 在同时需要沉积的样品数较多、而每个样品的尺寸相对较小时， 在同时需要沉积的样品数较多、而每个样品的尺寸相对较小时，可采用下图 所示那样的实验部置来改善样品的厚度均匀性。 所示那样的实验部置来改善样品的厚度均匀性。其原理是当蒸发源和衬底处 在同一圆周上时， 其中r 为相应圆周的半径。 在同一圆周上时，有cosФ=cosθ=0.5r/r0, 其中 0为相应圆周的半径。这时
dMs Me cosθ = dAs 4πr 2
其中θ为衬底表面与空间角法线方向的偏离角度， 是蒸发源于衬底之间的距 其中 为衬底表面与空间角法线方向的偏离角度，r是蒸发源于衬底之间的距 为衬底表面与空间角法线方向的偏离角度 由此可以进一步求出物质的质量沉积速度和厚度沉积速度。 离。由此可以进一步求出物质的质量沉积速度和厚度沉积速度。 2011-11-18 19
dMs Me = dAs 4πr0 2
即使离蒸发源较远的衬 底处于较为有利的空间 角度， 角度，而较近的衬底处 于不利的角度位置， 于不利的角度位置，因 而使得薄膜的沉积厚度 变得与角度无关。 变得与角度无关。利用 衬底转动还可以进一步 改进蒸发沉积厚度的均 匀性。 匀性。
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(传统蒸发沉积的问题之一是蒸发和参与沉积的能量低，只相当于健合能的数十分之一，LA法和溅射镀 传统蒸发沉积的问题之一是蒸发和参与沉积的能量低，只相当于健合能的数十分之一， 法和溅射镀 传统蒸发沉积的问题之一是蒸发和参与沉积的能量低 膜法在这方面有优势) 膜法在这方面有优势
在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材料将激光束引入真空室 在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材料将激光束引入真空室 激光束 并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。 中，并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。针对不同 波长的激光束，需要选用不同光谱透过特性的窗口和透镜材料。 波长的激光束，需要选用不同光谱透过特性的窗口和透镜材料。 激光加热方法特别适用于蒸发那些成分比较复杂的合金或化合物材 料，比如近年来研究较多的高温超导材料YBa2Cu3O7等。这种方法也存 比如近年来研究较多的高温超导材料 在容易产生微小的物质颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性的问题。 在容易产生微小的物质颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性的问题。
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激光辐射与靶的相互作用
• 在第一阶段，激光束聚焦在靶的表面。达 到足够的高能量通量与短脉衝宽度时，靶 表面的一切元素会快速受热，到达蒸发温 度。物质会从靶中分离出来，而蒸发出来 的物质的成分与靶的化学计量相同。物质 的瞬时溶化率大大取决於激光照射到靶上 的流量。熔化机制涉及许多复杂的物理现 象，例如碰撞、热，与电子的激发、层离， 以及流体力学。