激光制備薄膜

1、激光制膜原理w 激光制膜法的基礎(chǔ)是利用激光輻照介質(zhì)（靶體），然后從介質(zhì)中分離出物質(zhì)并沉積到基片的物理過程。當(dāng)激光的輻射功率密度足夠高時(shí)，到達(dá)不透明介質(zhì)（靶體）表面的激光輻射加熱并剝離靶體，產(chǎn)生粒子噴射，形成的等離子體直達(dá)基片表面凝結(jié)為薄膜。激光制膜原理w 常選用的激光器，目前主要有準(zhǔn)分子激光器（XeCl）、脈沖YNG激光器和微米級(jí)脈沖CO2激光器，對(duì)于某些薄膜(如SiO2)的制備，可采用連續(xù)CO2激光器，但與常規(guī)熱源相比，沒有明顯的優(yōu)越性，一般在激光制膜過程中藥保證工作介質(zhì)在真空狀態(tài)。激光制膜過程w 激光等離子體制膜大致分為四個(gè)階段：w 第一個(gè)階段，激光照射靶體，靶體表面被加熱、熔化、蒸發(fā)、電

2、離，產(chǎn)生等離子體。 具體過程是：在脈沖激光作用初始階段，激光對(duì)靶體加熱，部分靶材物質(zhì)被熔化和蒸發(fā)；隨著激光作用的加強(qiáng)，靶材的溫度急劇升高，強(qiáng)激光使靶材蒸汽電離程度w 不斷增強(qiáng)，繼而對(duì)激光輻射吸收增加；然后出現(xiàn)熱擊穿，靶材蒸汽完全電離，形成等離子體。w 第二個(gè)階段：靶材物質(zhì)以蒸汽和等離子體的形式垂直飛向?qū)γ娴幕瑆 第三個(gè)階段：等離子體和基片相互作用w 第四個(gè)階段：靶材物質(zhì)在基片上凝聚，形成薄膜激光蒸發(fā)法的特點(diǎn)：激光蒸發(fā)法的特點(diǎn)：1.1. 激光加熱可以達(dá)到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)激光加熱可以達(dá)到極高的溫度，可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)材料，且獲得很高的蒸發(fā)速率；材料，且獲得很高的蒸發(fā)速率；2. 2. 非

3、接觸式加熱，完全避免了蒸發(fā)源的污染，簡化了非接觸式加熱，完全避免了蒸發(fā)源的污染，簡化了真空室，非常適合在超高真空下制備高純薄膜；真空室，非常適合在超高真空下制備高純薄膜；3. 3. 能對(duì)某些化合物或合金進(jìn)行能對(duì)某些化合物或合金進(jìn)行“閃爍閃爍”蒸發(fā)，有利于蒸發(fā)，有利于保證薄膜成分的組成和防止分解，是淀積介質(zhì)薄膜、保證薄膜成分的組成和防止分解，是淀積介質(zhì)薄膜、半導(dǎo)體薄膜和無機(jī)化合物薄膜的好方法。半導(dǎo)體薄膜和無機(jī)化合物薄膜的好方法。影響激光制備薄膜的因素w 1激光波長和運(yùn)轉(zhuǎn)方式：w 主要采用脈沖準(zhǔn)分子激光器、納秒級(jí)YAG激光器、脈沖紅寶石激光器及微秒級(jí)脈沖CO2激光器等。w 準(zhǔn)分子激光器波長短，對(duì)材

4、料吸收率高 故在激光等離子體制膜中大多采用脈沖準(zhǔn)分子激光器。影響激光制備薄膜的因素w 脈沖紅寶石激光器和脈沖YAG激光器適用于制備金屬薄膜w 在有些薄膜（半導(dǎo)體膜和絕緣體膜）及在膜層較厚的激光制膜技術(shù)中常常采用微秒級(jí)脈沖CO2激光器w 運(yùn)轉(zhuǎn)方式的影響：w 當(dāng)采用自由震蕩模式運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖激光器時(shí)，脈沖為尖峰結(jié)構(gòu)，加熱靶表面并引起蒸發(fā)。尖峰之間的時(shí)間間隔內(nèi)，蒸發(fā)的強(qiáng)度減弱，這時(shí)可認(rèn)為霸體在激光作用下的蒸發(fā)是脈動(dòng)的，w 當(dāng)采用調(diào)Q脈沖激光器，可以獲得高功率密度，等離子制膜就利用的這種原理。激光能量密度w 激光能量密度是激光制備薄膜中很重要的一個(gè)參數(shù)，影響等離子體特性以及薄膜生長。w 隨著激光能力密度的

5、提高，薄膜生長速度迅速增加w 當(dāng)采用的激光功率密度較低時(shí)，則只能產(chǎn)生熱蒸發(fā)，而不能產(chǎn)生等離子體的運(yùn)送，會(huì)使得薄膜質(zhì)量下降。w 當(dāng)激光能量密度過高時(shí)，1會(huì)使得等離子體的飛行速度太高，造成高能粒子與基片碰撞加劇，產(chǎn)生逆粒子流太長，在基片上形成空位時(shí)缺陷w 2會(huì)使靶材升溫加劇，溫差變大，表面爆炸力增強(qiáng)，大顆粒占比重大，蒸發(fā)比重小 影響薄膜質(zhì)量w 激光功率密度范圍由靶材決定，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得激光能量密度激光脈沖頻率w 增加激光脈沖頻率，會(huì)相應(yīng)提高入射到基片表面的原子密度、使成核速率上升，從而使薄膜生產(chǎn)速率上升w 過高的激光脈沖頻率有損于薄膜結(jié)構(gòu)，故在激光制膜中，也需找到一個(gè)最佳的激光脈沖頻率輔助氣壓w 在激光沉積薄膜時(shí)的氣體壓強(qiáng)和激光能量密度，在某種意義上，正好起著相反的作用，隨著輔助氣壓的增大，薄膜生長速率下降，會(huì)使得臨界核的成核速率降低，并導(dǎo)致薄膜生長速率下降?；瑴囟葁 基片溫度增大會(huì)使得薄膜的生