半导体薄膜ppt课件

第三讲 脉冲激光沉积,脉冲激光沉积概述 脉冲激光沉积原理 PLD技术的主要应用,1,3.1脉冲激光沉积概述,PLD 发展过程 主要的优点 待解决的问题,2,是一种真空物理沉积工艺，是将高功率脉冲激光聚焦于靶材表面，使其产生 高温及烧蚀，而产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀发射并在衬 底上沉积形成薄膜。,脉冲激光沉积 (Pulsed Laser Deposition, PLD),3,PLD系统示意图,4,发展过程,1960年，世界上第一台红宝石激光器诞生后不久，就产生了激光镀膜的概念。于是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，但是效果不理想。总有较多的微滴，影响薄膜的质量。 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。 1987年，美国贝尔实验室首次成功制备出高温超导薄膜YBa2Cu3O7,采用的就是PLD技术。从而使PLD技术迅速发展。,5,优点： 1）无污染且易于控制 2）能量高，靶膜成分接近一致 3）易于掺杂 4）适合超薄薄膜的生长 5）沉积速率高 缺点： 1）不易于制备大面积的薄膜 2）容易在薄膜表面产生微米-亚微米尺度的颗粒物污染 3）某些材料靶膜成分不一致,6,3.2 脉冲激光沉积原理,激光与靶材的相互作用 烧蚀物的传输 衬底上沉积成膜,7,激光与物质的相互作用,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,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。,8,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),轴向约束性,沿靶面法线方向,等离子体区,等离子体羽辉,9,(1)烧蚀物的运动在气体中激发声波 (2)声波前沿与烧蚀物之间的气体被压缩 烧蚀物的运动比声波快，声波前沿与烧蚀物之间的距离会不断缩小，其间的气体则不断受到压缩，被压缩气体的温度可达上万度，密度可比未压缩气体提高数倍，压强也相应的激增 （3）声波前沿处形成一个气体状态的间断面 声波前沿处气体的温度、密度则突然下降到未压缩气体的水平 这个间断面就是所谓的激波,在PLD中，在距靶12cm的位置形成强激波 激波薄层中的温度可达上万度,烧蚀物的传输,烧蚀物在空间的传输是指激光脉冲结束后烧蚀物从靶表面到衬底的过程。,10,激波的形成阶段 激波的传输阶段 声波阶段,激波传输时的示意图,激波传输过程中的化学反应： 激波薄层中O2分子将被激发、离解乃至电离而以氧原子、氧离子等化学活泼状态存在 烧蚀物紧挨着该区域，其中的金属元素与上述的化学活性氧发生气相化学反应 显著的气相化学反应发生在激波形成后约5mm的范围内,羽辉的传输：,PLD中的激波（shock wave）,11,第三阶段是决定薄膜质量的关键。放射出的高能离子碰击基片表面，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。,衬底上沉积成膜,12,PLD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,沉积时间,过高不利于薄膜择优取向的形成,过低导致化学配比失衡，内部缺陷增多,基体与靶的距离,激光能量，频率,影响薄膜的厚度,影响薄膜的均匀性,影响沉积速率,13,PLD法制备薄膜实验流程图,调整激光器参数,安装靶材与衬底,抽真空（机械泵与分子泵至10-5Pa）,开加热装置，通气体,导入激光进行镀膜,关闭仪器,激光器为YAG固体激光器，波长 532nm(绿光）,激光脉宽为10ns,频率为1Hz,3Hz,5Hz.能量为0-300mJ可调,14,3.3 薄膜的生长,激光能量密度的影响 沉积气压的影响 衬底对薄膜质量的影响,15,激光能量密度的影响,首先激光能量密度要超过一定的阈值才能使靶材消融溅射，这是因为激 光能量密度必须大到使靶表面出现等离子体，从而在靶表面出现复杂的 层状结构knusen层，这是保证靶膜成分一致的根本原因，当入射激光能 量较低时，大部分原子扩散能力低，凝聚生长形成的晶粒较小，但当入 射激光能量过大，激光轰击靶材形成粒子喷溅的同时，飞向衬底的较大 粒子团簇没能完全迁移扩散就会凝结成膜，使结晶质量下降采用波长 为248 mn的准分子激光制备GaN膜时，在沉积气压为20 Pa，沉积温度为 700条件下，可以测得激光强度为220mJPulse时，生长出的薄膜具有 较好的表面,16,沉积气压的影响,沉积气压主要影响消融产物飞向衬底这一过程，其对沉积薄膜的影响分为两类： 1)环境气压不参与反应时，气压主要影响消融粒子内能和平均动能，从而影响沉积速率； 2)环境气压参与反应时，气压不仅影响薄膜的沉积速率，更重要的是会影响薄膜成分结构 环境气体与从靶材中溅射出的等离子体发生碰撞，将离子到达衬底表面 的动能降低当气压较低时，激光融蚀靶材产生的等离子体中粒子受到 较少碰撞，当它们到达衬底时，动能太大，会导致薄膜晶格位置偏移， 且前面的膜层还没来得及调整自己在择优方向生长就被后续原子所覆盖 固化，降低薄膜质量当气压较高时，等离子体中粒子与环境气体碰撞 增加，等离子体到达衬底表面时动能太小，其在衬底表面迁移扩散能力降低，也会使薄膜晶体质量下降，缺陷增多甚至变为非晶,17,衬底对薄膜质量的影响,在PLD制备薄膜的过程中，对于衬底基片的要求非常高，很大程度上决 定了薄膜是否符合要求，目前国内外对衬底基片的研究非常多，主要是 基片的类型、基片温度用PLD制备的薄膜有超导膜、半导体膜、铁电 膜、压电膜等，这些膜大都各向异性，为得到符合要求性能的薄膜，必 须保证膜晶粒取向择优生长，因此肿过程中要求基片与膜的晶格常数匹 配、物理性能(热膨胀系数，热传导系数)匹配 衬底基片温度大小及均匀性对薄膜结构、生长速率有影响,18,3.4 PLD技术的主要应用,半导体薄膜 高温超导薄膜 金刚石和类金刚石薄膜 铁电、压电和光电薄膜 生物陶瓷涂层,19,