(3) 在衬底表面凝结成膜
作绝热膨胀发射的等离子体迅速冷却,遇到位于靶对面的衬底后即在衬底上沉积成膜。形核过程取决于基体、凝聚态材料和气态材料三者之间的界面能。临界形核尺寸取决于其驱动力。对于较大的晶核来说,它们具有一定的过饱和度,它们在薄膜表面形成孤立的岛状颗粒,这些颗粒随后张大并且接合在一起。当过饱和度增加时,临界晶核尺寸减小直至接近原子半径的尺寸,此时的薄膜的形态是二文的层状。
由脉冲激光沉积的独特物理过程,和其它制膜技术相比,主要有下述优点:
(1)适用于多组元化合物的沉积,激光法的非选择一致蒸发有利于沉积此类薄膜;
(2)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;
(3)能够沉积高质量纳米薄膜,高的离子动能具有显著增强二文生长和显著抑制三文生长的作用,促进薄膜的生长沿二文展开,因而能获得连续的极细薄膜而不形成分离核岛;
(4)衬底温度低,可以在室温下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜;
(5)换靶装置,便于实现多层膜的及超晶格的生长,多层膜的原位沉积便于产生原子级清洁的界面。
作为一种新生的沉积技术脉冲激光沉积也存在以下有待解决的问题:
(1)对相当多材料,沉积的薄膜中有熔融小颗粒或靶材碎片,这是在激光引起的爆炸过程中喷溅出来的,这些颗粒的存在大大降低了薄膜的质量,事实上,这是PLD迫切需要解决的关键问题;
(2)限于目前商品激光器的输出能量,尚未有实验证明激光法用于大面积沉积的可行性,但这在原理上是可能的;
(3)平均沉积速率较慢,随淀积材料不同,对1000mm2左右沉积面积,每小时的沉积厚度约在几百纳米到1μm范围;
(4)鉴于激光薄膜制备设备的成本和沉积规模,目前看来它只适用于微电子技术、传感器技术、光学技术等高技术领域及新材料薄膜开发研制。随着大功率激光器技术的进展,其生产性的应用是完全可能的。
3.2 PLD镀膜中的关键因素及最佳参数
(1)衬底温度
衬底温度是决定薄膜质量好坏的最关键因素,给衬底加热有利于颗粒在膜上加快迁移,有利于结晶。若衬底温度低,沉积原子还来不及排列好,又有新的原子到来,则往往不能形成单晶膜;若温度甚低,原子很快冷却,难以在衬底上迁移,这样会形成非晶薄膜。若衬底温度过高,则热缺陷大量增加,也难以形成单晶膜。
(2)靶材与衬底的距离
距离太远时羽辉中的离子就会复合成大颗粒;太近时羽辉的离子能量大速度快就会把膜和衬底打坏。
(3)氧压和退火温度
等离子羽辉中的氧离子会结合成氧气跑掉,充氧压的目的就是为了补充薄膜中缺失的氧。但氧压不宜过高,过高的氧压会使溅射产生的粒子经受大量的碰撞而散射,使其失去大部分能量。退火时温度太低不利于薄膜重新结晶且氧不能很好地补充进去;温度太高时,已形成的薄膜会分解。
(4)靶材的致密度
致密度要高,若太疏松就会把大块和大颗粒打下,来造成膜的粗糙和不均匀,影响膜的质量。
(5)激光能量
能量太低产生不了溅射或者溅射少沉积速度慢,随着能量的增加薄膜沉积速率、粒子平均尺寸等离子体羽辉得空间分布也随之改变,能量过大时会有大颗粒出现,薄膜表面光洁度降低。
(6)激光频率
频率太高时沉积在膜上的颗粒还未运动开来,下一批溅射的颗粒已落下来,这样就会造成堆积从而形成不均匀膜;频率太低时,间隔时间长杂质就会进入薄膜,降低膜的质量。 Pb(Zr,Ti)O3薄膜的PLD生长研究+文献综述(5):http://www.751com.cn/cailiao/lunwen_1764.html