激光制備薄膜技術(shù)

1、激光制備薄膜技術(shù)——薄膜性能控制,【先導(dǎo)篇】*什么是激光制備薄膜技術(shù)激光器所產(chǎn)生的高功率脈沖激光束聚焦作用于靶材料表面,使靶材料表面產(chǎn)生高溫及熔蝕,并進(jìn)一步產(chǎn)生高溫高壓等離子體,這種等離子體定向局域膨脹發(fā)射并在襯底上沉積而形成薄膜。,*為什么要采用激光技術(shù) 1. 易獲得期望化學(xué)計(jì)量比的多組分薄膜，即具有良好的保成分性； 2. 沉積速率高，試驗(yàn)周期短，襯底溫度要求低，制備的薄膜均勻； 3. 對(duì)靶材的種類沒(méi)有限制； 4. 便于

2、清潔處理，可以制備多種薄膜材料； 5. 極大的兼容性，多層膜。,*如何制備的呢四個(gè)典型的特征階段來(lái)加以描述。第一個(gè)階段為激光能量輸人,靶面溫度急劇升高;第二個(gè)階段為表面熔化,靶材氣化;第三個(gè)階段為多光子電離,等離子體產(chǎn)生;第四個(gè)階段為等離子體的發(fā)射、碰撞及其擴(kuò)展。擴(kuò)展等離體到達(dá)樣品表面,即完成鍍膜過(guò)程。,技術(shù)難點(diǎn)附著力,影響附著力的工藝因素 工藝因素很多，其中主要有：基片材料性質(zhì)、基片表面狀態(tài)、基片溫度、沉積方式、

3、沉積速率等關(guān)鍵點(diǎn)：在薄膜對(duì)基片的附著中，普遍存在著范德華力，但這種力較弱。要形成牢固的附著，需要在薄膜和基片間形成化學(xué)鍵。,*基片的表面狀態(tài)基片的表面狀態(tài)對(duì)附著力的影響也很大。如果基片不經(jīng)過(guò)清潔處理，將在其表面上有一個(gè)污染層。它可能是吸附的氣體層，也可能是油脂分子層。由于吸附層已經(jīng)使基片表面的化學(xué)鍵達(dá)到飽和，故沉積上薄膜以后，膜的附著力很差。因此在制膜工藝中，為了提高附著性能，必須先對(duì)基片進(jìn)行清潔和活化處理。一般采用超聲波清洗，氣刃

4、吹干或烘干機(jī)烘干。,*基片材質(zhì)在玻璃基片上沉積的金膜附著力就很差。但是在鉑、鎳、鈦等金屬基片上沉積的金膜附著就很牢。這是因?yàn)樵诤蠓N情況下，金膜和基片之間形成了金屬鍵。從這里看出，要使薄膜附著牢固，需要選用合適的基片，以使基片能與薄膜材料或其氧化物形成化學(xué)鍵。選擇基體與薄膜材料晶格結(jié)構(gòu)相近。,*基片溫度提高基片溫度，在沉積薄膜時(shí)，適當(dāng)提高基片溫度有利于薄膜和基片間原子的相互擴(kuò)散。并且會(huì)加速化學(xué)反應(yīng)，從而有利于形成擴(kuò)散附著和通過(guò)中間層

5、的附著，所以附著力增大。但是，基片溫度過(guò)高，會(huì)使薄膜晶粒粗大，增加膜中的熱應(yīng)力，從而影響薄膜的其他性能。,*高激光能量提高激光能量，高能粒子轟擊還有利于原子的擴(kuò)散。在鍍膜工藝中，隨著激光強(qiáng)度的提高，等離子體中高能粒子增多，因此，薄膜的附著增強(qiáng)。但激光能量過(guò)大，可能會(huì)造成沉淀顆粒較大，鍍膜不均勻，表面光潔度下降。,*靶材與基片的距離太遠(yuǎn)時(shí)，等離子體羽輝尾部的離子能量低，易復(fù)合生成大顆粒；當(dāng)他們距離太近時(shí)，等離子體羽輝內(nèi)部能量大、速度

6、快的離子，使薄膜表面產(chǎn)生孔洞或裂痕，破壞薄膜的表面形貌，對(duì)附著力有害。,羽輝,*激光頻率激光頻率影響沉積速率，速率太高時(shí)沉積在膜上的顆粒還未運(yùn)動(dòng)開(kāi)來(lái),下一批濺射的顆粒已落下來(lái)，因而相對(duì)減少了真空室中殘留氧分子的入射幾率，結(jié)果在薄膜與基片界面上生成的氧化物過(guò)渡層減少，導(dǎo)致薄膜的附著力下降。這樣就會(huì)造成堆積從而形成不均勻膜，附著力下降;頻率太低時(shí),間隔時(shí)間長(zhǎng)雜質(zhì)就會(huì)進(jìn)入薄膜,降低膜的質(zhì)量。此外，高速沉積的薄膜結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)應(yīng)力較

7、大，這可能導(dǎo)致膜基界面腐蝕和失效，進(jìn)而脫落。附著性能變差。,過(guò)渡層（氧化物）,*入射角度在沉積薄膜時(shí)，若是入射原子對(duì)基片斜入射，會(huì)產(chǎn)生柱狀結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)陰影效應(yīng)（即基片表面的柱狀結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致有些地方成為鍍敷的“盲區(qū)” ），從而使薄膜結(jié)構(gòu)疏松，微孔很多，最后導(dǎo)致附著性能降低。本課題采用的激光沉積薄膜方法中，從靶材表面噴射出來(lái)的等離子體是沿靶法線方向運(yùn)動(dòng)的，粒子濺射的方向很容易調(diào)節(jié)，因此可以避免斜入射發(fā)生。,可能形成盲區(qū),*沉積方式對(duì)薄膜附著

8、力的影響非常明顯。對(duì)于同樣的材料，用濺射方法沉積的薄膜一般比用蒸發(fā)方法制造的薄膜附著牢。這是因?yàn)闉R射時(shí)往往有高能粒子轟擊基片表面，從而有利于排除表面吸附的惰性氣體、增加表面活性。除此以外，高能粒子轟擊還有利于原子的擴(kuò)散。在磁控濺射工藝中，隨著濺射電壓的提高，濺射束中高能粒子增多，因此，薄膜的附著增強(qiáng)。,基片的表面狀態(tài)——妨礙沉積——消除 基片材質(zhì) ——界面特性——擇優(yōu) 基片溫度 ——粒子能量——