半导体薄膜ppt课件.ppt

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1、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13.1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(PulsedLaserDeposition,PLD)3PLD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

2、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63.2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

3、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

4、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1~2cm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

5、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（shockwave）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12PLD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

6、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13PLD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．143.3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

7、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248mn的准分子激光制备GaN膜时，在沉积气压为20Pa，沉积温度为700℃条件下，可以测得激光强度为220mJ／Pulse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

8、为两类：1