脉冲激光沉积薄膜课件
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6.8 激光脉冲气相沉积介绍.
缺点：薄膜存在表面颗粒问题，进行大面积均匀沉积较困难。
（ａ）１００℃
（ｂ） ２００℃
（ｃ）３００℃
图4 不同温度下脉冲激光气相沉积获得的ＺｎＯ薄膜表面形貌
2.５ 脉冲激光气相沉积的工艺流程
图５ 脉冲激光气相沉积工艺过程
2.６ 脉冲激光气相沉积的工艺参数
3. 小结
本次课介绍了脉冲激光气相沉积的机理、工艺特点、制
备薄膜的过程及主要参数对工艺的影响。
ห้องสมุดไป่ตู้
4. 作业思考题
1）脉冲激光气相沉积工艺制备薄膜方法的特点有哪些？
2）脉冲激光气相沉积法制备薄膜的主要缺点是什么？
如在切削刀具 上广泛使用的 TiN膜的制备
图1 工业上常用的薄膜制备工艺方法
2.2 脉冲激光气相沉积的概念
属于真空物理沉积工艺，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形成高温高压等离子体，等离子 体定向局域膨胀发射并在衬底上沉积形成薄膜。
图2 脉冲激光气相沉积原理图
图3 脉冲激光气相沉积系统
2.3 脉冲激光气相沉积的机理
（1）激光辐射与靶相互作用，形成等离子羽状物； （2）熔化物质的动态行为； （3）熔化物质在基片上的沉积；
（4）薄膜在基片表面的成核与生成。
2.4 脉冲激光气相沉积的特点
优点： （1）可以生成与靶材成分一致的多元化合物薄膜； （2）能在较低温度下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜； （3）激光能量密度高，可以沉积难熔薄膜； （4）灵活的换靶装置便于实现多层膜及超晶格膜的生长。
脉冲激光气相沉积介绍
课程名称：激光加工技术 主讲教师：王文权 单位：浙江工贸职业技术学院
1. 教学目标
了解脉冲激光气相沉积的特点和应用。
薄膜沉积原理分析课件
、实现大规模生产等。
提高薄膜质量需要深入研究薄 膜生长机理，优化工艺参数，
降低缺陷密度等。
降低成本需要开发低成本、高 效的制备技术，提高设备利用
率和生产效率等。
实现大规模生产需要开发适用 于大规模生产的工艺技术和设 备，提高生产效率和产品质量
等。
PART 03
化学气相沉积（CVD）原 理
REPORTING
WENKU DESIGN
热CVD
总结词
在热CVD中，反应气体在高温下发生化学反应，生成固态薄膜沉积在基底上。
详细描述
热CVD技术通过将反应气体加热到较高温度（通常在500°C以上），使其发生化 学反应，生成固态薄膜沉积在基底上。该技术具有较高的沉积速率和较好的薄膜 质量，但需要较高的温度和较高的能源消耗。
总结词
通过溶胶-凝胶转变在基体表面形成金属或非金属氧化物 薄膜的过程。
详细描述
溶胶-凝胶法是一种制备无机材料的重要方法，它通过将 无机盐或金属醇盐溶液进行水解、聚合和缩聚反应，形 成溶胶，再经凝胶化、干燥和热处理等过程，制备出氧 化物或氮化物等无机薄膜。溶胶-凝胶法具有制备条件温 和、薄膜纯度高、组分均匀等优点，广泛应用于光学、 电子、催化等领域。
PVD技术的优缺点
PVD技术具有沉积温度低、薄膜附着 力强、可制备多种材料薄膜等优点， 但也存在设备成本高、生产效率低等 缺点。
VS
PVD技术是一种低温度的沉积技术， 可以在较低的温度下制备出高质量的 薄膜。同时，PVD技术制备的薄膜附 着力强，不易脱落。此外，PVD技术 可以制备出多种材料薄膜，如金属、 合金、陶瓷和其它无机材料等。然而 ，PVD技术的设备成本较高，且生产 效率相对较低。
溅射镀膜
溅射镀膜是一种利用高能粒子轰击靶材表面，使靶材原子或分子被溅射出来，并在基底表面沉积形成 薄膜的技术。
提高薄膜质量需要深入研究薄 膜生长机理，优化工艺参数，
降低缺陷密度等。
降低成本需要开发低成本、高 效的制备技术，提高设备利用
率和生产效率等。
实现大规模生产需要开发适用 于大规模生产的工艺技术和设 备，提高生产效率和产品质量
等。
PART 03
化学气相沉积（CVD）原 理
REPORTING
WENKU DESIGN
热CVD
总结词
在热CVD中，反应气体在高温下发生化学反应，生成固态薄膜沉积在基底上。
详细描述
热CVD技术通过将反应气体加热到较高温度（通常在500°C以上），使其发生化 学反应，生成固态薄膜沉积在基底上。该技术具有较高的沉积速率和较好的薄膜 质量，但需要较高的温度和较高的能源消耗。
总结词
通过溶胶-凝胶转变在基体表面形成金属或非金属氧化物 薄膜的过程。
详细描述
溶胶-凝胶法是一种制备无机材料的重要方法，它通过将 无机盐或金属醇盐溶液进行水解、聚合和缩聚反应，形 成溶胶，再经凝胶化、干燥和热处理等过程，制备出氧 化物或氮化物等无机薄膜。溶胶-凝胶法具有制备条件温 和、薄膜纯度高、组分均匀等优点，广泛应用于光学、 电子、催化等领域。
PVD技术的优缺点
PVD技术具有沉积温度低、薄膜附着 力强、可制备多种材料薄膜等优点， 但也存在设备成本高、生产效率低等 缺点。
VS
PVD技术是一种低温度的沉积技术， 可以在较低的温度下制备出高质量的 薄膜。同时，PVD技术制备的薄膜附 着力强，不易脱落。此外，PVD技术 可以制备出多种材料薄膜，如金属、 合金、陶瓷和其它无机材料等。然而 ，PVD技术的设备成本较高，且生产 效率相对较低。
溅射镀膜
溅射镀膜是一种利用高能粒子轰击靶材表面，使靶材原子或分子被溅射出来，并在基底表面沉积形成 薄膜的技术。
第三章薄膜制备技术ppt课件
化学气相沉积，包括低压化学气相沉积（low pressure CVD,LPCVD）、离子增强型气相沉积（plasma enhanced (assisted) CVD,PECVD,PACVD）、常压化学气相沉积（atmosphere pressure CVD,APCVD）、金属有机物气相沉积（MOCVD）和微波电子回旋共振化学气相沉积(Microwave Electron cyclotron resonance chemical vapor deposition, MW-ECR-CVD）等。
分子束外延是在超高真空条件下精确控制源材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法，但 与传统真空蒸发不同的是，分子束外延系统具有超高真空，并配有原位监测和分析系统，能够获得高质量的单晶薄膜。
2、溅射法 荷能粒子轰击固体材料靶，使固体原子从表面射出，这些原子具有一定的动能和方向性。在原子射出的方向上放上基片，就可在基片上形成一层薄膜，这种制备薄膜的方法叫做溅射法。 溅射法属于物理气相沉积(PVD)，射出的粒子大多处于原子状态，轰击靶材料的荷能粒子一般是电子、离子和中性粒子。
3.1.2 化学气相沉积 (chemical vapor deposition )
化学气相沉积:一定化学配比的反应气体，在特定激活条件下(一般是利用加热、等离子体和紫外线等各种能源激活气态物质)，通过气相化学反应生成新的膜层材料沉积到基片上制取膜层的一种方法。 Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process often used in the semiconductor industry for the deposition of thin films of various materials.
分子束外延是在超高真空条件下精确控制源材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法，但 与传统真空蒸发不同的是，分子束外延系统具有超高真空，并配有原位监测和分析系统，能够获得高质量的单晶薄膜。
2、溅射法 荷能粒子轰击固体材料靶，使固体原子从表面射出，这些原子具有一定的动能和方向性。在原子射出的方向上放上基片，就可在基片上形成一层薄膜，这种制备薄膜的方法叫做溅射法。 溅射法属于物理气相沉积(PVD)，射出的粒子大多处于原子状态，轰击靶材料的荷能粒子一般是电子、离子和中性粒子。
3.1.2 化学气相沉积 (chemical vapor deposition )
化学气相沉积:一定化学配比的反应气体，在特定激活条件下(一般是利用加热、等离子体和紫外线等各种能源激活气态物质)，通过气相化学反应生成新的膜层材料沉积到基片上制取膜层的一种方法。 Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process often used in the semiconductor industry for the deposition of thin films of various materials.
脉冲沉积激光技术原理和应用
第四部分
脉冲沉积技术展望
制备有机发光器件在沉积 过程中加热可以减少一些
损失，提高效率
脉冲激光沉积在铁基超导 体上的应用
THANK YOU FOR TIEM
沉积系统实物图
光路系统实物图
脉冲激光沉积系统示意图
第三部分
脉冲激光沉积技术应用
脉冲沉积技术应用
半导体薄膜 铁电、压电和光电薄膜
高温超导薄膜 金刚石和类金刚石薄膜
生物陶瓷涂层
脉冲激光沉积技术简介
钙钛矿纳米材料的形成过程、形貌分类以及制备方法
图（a）为PLD方法制备的TbMnO3和Nb:SrTiO3层 状异质结。从异质结的侧截面可以看出，异质 结接触致密， TbMnO3层和Nb:SrTiO3层的厚度仅 为几个纳米。
激光烧蚀靶材表面的结构示意图
脉冲激光沉积技术简介
（2）等离子体的膨胀 等离子体膨胀是指高能激光脉冲溅 射产生的烧蚀物，离化为高温高密 度的等离子体后，大致经过等温和 绝热膨胀两个过程，从靶材表面输 运到衬底的过程
脉冲激光沉积技术简介
（3）到达衬底上的烧灼物，在衬底上的成膜阶段
烧蚀粒子在空间经过一段时间的运动到达衬底表面，然后在衬底 上成核、长大形成薄膜。为了。 对于多组元化合物薄膜，如果 某些种阳离子具有较高的蒸气 压，则在高温下无法保证薄膜 的等化学计量比生长。
PLD缺点
2.
在薄膜表面存在微米-亚微米 尺度的颗粒物污染，所制备薄 膜的均匀性较差。
第二部分
PLD的技术系统构造
PLD的技术系统构造
1 PLD系统装置
脉冲沉积系统一般由 脉冲激光器， 光路系统（光阑扫描器，会聚透镜，激 光窗等）， 沉积系统（真空室，抽真空泵，充气系 统，靶材，基片加热器）， 辅助设备（测控装置，监控装置，电机 冷却系统）等组成。
脉冲激光沉积PLD
脉冲激光沉积PLD引言脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，简称PLD）是一种重要的材料制备技术，广泛应用于材料科学和工程领域。
本文将介绍脉冲激光沉积的基本原理、工作机制以及在材料制备中的应用。
基本原理脉冲激光沉积是一种使用激光脉冲将材料从目标上脱落并沉积于基底上的过程。
其基本原理可以简单描述为以下几个步骤：1.激光脉冲照射：以高能量激光脉冲照射材料目标表面，产生高温和高压的条件。
2.目标脱落：激光脉冲作用下，原子级别的张力差使得目标表面的材料脱落。
3.沉积过程：脱落的材料以原子、分子或团簇形式在基底上沉积。
4.结晶与生长：沉积的材料在基底上结晶并生长为薄膜。
工作机制脉冲激光沉积的工作机制受多个参数影响，包括激光脉冲能量、激光脉冲持续时间、激光脉冲重复频率等。
这些参数可以调节来控制沉积薄膜的性质和结构。
1.激光参数：激光脉冲的能量和重复频率具有重要影响。
较高的能量可以产生更高的温度和压力，促进材料的脱落和沉积过程。
而适当的重复频率能够提高沉积效率和生长质量。
2.气氛气体：PLD过程通常在真空或惰性气氛下进行。
气氛气体可以在激光沉积过程中控制薄膜的化学组成以及晶型结构。
3.基底材料：基底材料的选择对脉冲激光沉积的结果也具有重要影响。
基底的晶格匹配性和热传导性能对薄膜的结晶和生长起着关键作用。
应用领域脉冲激光沉积在材料制备领域具有广泛的应用，特别适用于制备薄膜材料和异质结构。
以下是一些常见的应用领域：1.光电子学：脉冲激光沉积可以制备具有特殊光学性质的材料，如透明导电薄膜、反射膜等，用于光电子学器件的制备。
2.超导材料：脉冲激光沉积可以制备高温超导材料的薄膜，用于超导器件和能源应用。
3.磁性材料：通过控制沉积过程中的气氛气体和基底材料，可以制备具有特殊磁性结构和性质的薄膜。
4.纳米材料：脉冲激光沉积可以制备纳米尺度的材料，如纳米晶和纳米线，应用于电子、光学和能源等领域。
结论脉冲激光沉积是一种重要的材料制备技术，具有广泛的应用前景。
PVD知识整理ppt课件
25
溅镀
溅射产能
入射离子的种类影响： 溅射产额随入射原子序数增加而周期 性增加。
离子入射角度的影响： 随入射角增加而逐渐增大（1/cosθ规律增 加），然后减小，60-70o 最大。
Xe
Kr Ar Ne
入射原子序数
26
溅镀
溅射产能
材料（靶材）特性的影响： 与元素的升华热有关，呈明显周期性；随外 层ｄ电子数的增加，溅射产额提高。
M为蒸发物质的摩尔上式确定了蒸发速率、蒸气压和温度之间的关系 ➢蒸发速率除了与物质的分子量 、绝对温度和蒸发物质在T温度时有关外，还与材料 本身的表面清洁度有关。尤其是蒸发源的温度影响最大
8
蒸发速率
蒸镀
➢在蒸发温度以上进行蒸发时，蒸发源温度的微小变化即可引起蒸发速 率发生很多的变化，对金属：
➢控制蒸发源的温度来控制速率 ➢ 加热时避免出现过大的温度梯度 ➢ 蒸发速率正比于材料的饱和蒸汽压，温度变化10%，饱和蒸汽压变化 一个数量级
靶材温度的影响： 一定温度范围内关系不大，温度达到一定值 后，溅射产额急剧上升。
表面氧化的影响：表面轻微氧化时导致产额增加，表面严重氧化时形成比较厚的氧化层 将大大降低溅射产额 合金化的影响：溅射导致合金表面成分的偏析
27
溅镀
溅射原子的能量和速度 能量呈麦克斯韦分布，最可几能量为几个eV左右。溅射原子能量与靶材、入射 离子种类和能量有关。
PVD知识整理
1
蒸镀 溅镀 离子镀
2
PVD
物理气相沉积（PVD）是指在真空条件下，用物理的方法将材料汽化成原子、分子或 电离成离子，并通过气相过程在衬底上沉积一层具有特殊性能的薄膜技术。
（1）PVD沉积基本过程： • 从原材料中发射粒子（通过蒸发、升华、溅射和分解等过程）； • 粒子输运到基片（粒子间发生碰撞，产生离化、复合、反应，能量的交换和 运动方向的变化）； • 粒子在基片上凝结、成核、长大和成膜 (2)PVD的方法 •真空蒸发 •脉冲激光沉积 •溅射 •离子镀 •外延膜生长技术12源自薄膜沉积的厚度均匀性和纯度
溅镀
溅射产能
入射离子的种类影响： 溅射产额随入射原子序数增加而周期 性增加。
离子入射角度的影响： 随入射角增加而逐渐增大（1/cosθ规律增 加），然后减小，60-70o 最大。
Xe
Kr Ar Ne
入射原子序数
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溅镀
溅射产能
材料（靶材）特性的影响： 与元素的升华热有关，呈明显周期性；随外 层ｄ电子数的增加，溅射产额提高。
M为蒸发物质的摩尔上式确定了蒸发速率、蒸气压和温度之间的关系 ➢蒸发速率除了与物质的分子量 、绝对温度和蒸发物质在T温度时有关外，还与材料 本身的表面清洁度有关。尤其是蒸发源的温度影响最大
8
蒸发速率
蒸镀
➢在蒸发温度以上进行蒸发时，蒸发源温度的微小变化即可引起蒸发速 率发生很多的变化，对金属：
➢控制蒸发源的温度来控制速率 ➢ 加热时避免出现过大的温度梯度 ➢ 蒸发速率正比于材料的饱和蒸汽压，温度变化10%，饱和蒸汽压变化 一个数量级
靶材温度的影响： 一定温度范围内关系不大，温度达到一定值 后，溅射产额急剧上升。
表面氧化的影响：表面轻微氧化时导致产额增加，表面严重氧化时形成比较厚的氧化层 将大大降低溅射产额 合金化的影响：溅射导致合金表面成分的偏析
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溅镀
溅射原子的能量和速度 能量呈麦克斯韦分布，最可几能量为几个eV左右。溅射原子能量与靶材、入射 离子种类和能量有关。
PVD知识整理
1
蒸镀 溅镀 离子镀
2
PVD
物理气相沉积（PVD）是指在真空条件下，用物理的方法将材料汽化成原子、分子或 电离成离子，并通过气相过程在衬底上沉积一层具有特殊性能的薄膜技术。
（1）PVD沉积基本过程： • 从原材料中发射粒子（通过蒸发、升华、溅射和分解等过程）； • 粒子输运到基片（粒子间发生碰撞，产生离化、复合、反应，能量的交换和 运动方向的变化）； • 粒子在基片上凝结、成核、长大和成膜 (2)PVD的方法 •真空蒸发 •脉冲激光沉积 •溅射 •离子镀 •外延膜生长技术12源自薄膜沉积的厚度均匀性和纯度
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FTIR分析
分析；存在三个明显的吸 收峰． １）峰为Si—O 键的非对 称伸缩振动吸收，为SiO2 中的Si—O 键 ２）属于硅晶格中的替位 碳的振动吸收 ３）对应Zn—O 键的红外 光谱的特征吸收峰
由于ZnO 薄膜的生长过程 中采用了400℃的衬底温 度，提高了Zn原子和O 原 子在衬底表面的迁移率进 而提高了ZnO薄膜的结晶 质量，使得ZnO 的吸收峰 非常尖锐．
[4] E. Cappellia,*, C. Scillettaa, S. Orlando Thin Solid Films 482 (2005) 305– 310 [5] 何建廷等，PLD 法生长硅基ZnO 薄膜的特性，电子元件与材料．2005.5
PLD 的基本原理及物理过程
脉冲激光沉积技术就是将脉冲激光器产生 的高功率脉冲激光束聚焦后作用于靶材表 面,瞬间产生高温高压等离子体( T ≥104 K) , 等离子体定向局域绝热膨胀发射并在衬底 上沉积而形成薄膜．
PLD原理图
参考陈老师PPT
脉冲激光沉积示意图
Tube Furnace
主要分为3 个过程:
Dual-beam PLD
解决大面积沉积膜厚不 均的问题
因为等离子体羽的方向 接近于靶的法线方向，通 过一聚焦的激光束扫射圆 柱形靶，可以把等离子体 羽拉长。 合适的等离子体 羽和基板的相对运动就可 以得到适当厚度的薄膜。
Combination of large area PLD (left) and magnetron sputter deposition (right)
SEM 和SAED分析
分析：SEM 和SAED 表明薄膜表面平整致 密，晶粒大小分布比 较均匀，制备的ZnO 薄膜为具有六方纤锌 矿结构的单晶薄膜。
参考文献
[1] Bo Lei, Song Han, Chao Li, Daihua Zhang, Zuqin Liu and Chongwu Zhou Nanotechnology 18 (2007) 044019 (8pp)
激光器Nd：YAG脉冲激光器，输出波1064nm，单 脉冲能量208mJ，击中靶的光斑面积为0.43mm2， 产生48mJ/cm2的能量密度，重复频率10Hz，脉宽 10ns。
靶材：烧结高纯ZnO（99.99%）固体靶 系统真空：抽至1.2×10–4Pa，加热衬底温度至
400℃后，充入0.13Pa 的高纯氧（99.999%）
PLD of nanoparticle films of Au
Nd:YAG激光器:波长1064nm．20Hz，脉冲长度6 ns，
真空室压力5 × 10-5 mbar.
Si衬底距靶材9cm。平面朗格缪尔离子探针5mm2，偏 压-30V，距靶材8cm。
一个石英晶体检测器用来测量沉积材料的平均厚度。 激光辐射40min前后靶材的质量损失通过称量确定。
脉冲激光沉积薄膜
引言
脉冲激光沉积( PLD) 技术是20 世纪60 年代出现的一门新 兴的薄膜制备技术。1965 年Smith 等进行了激光制膜的研 究。
脉冲激光沉积技术是制备薄膜一种重要的方法,在有机薄膜、 有机-无机杂化薄膜以及多层有机薄膜的制备方面有其独 特的优势。近年来,国内外开展了一些有机薄膜脉冲激光沉 积的研究工作,并对该技术进行了发展和改进.
AFM images for films of equivalent thickness
(a) 0.5 nm (b) 2.5 nm (c) 4 nm Au on Si
Optical absorption of 0.5 nm, 2.5 nm, 3 nm and 4 nm Au on Al2O3.
PLD 法生长硅基ZnO 薄膜
近年来,人们将脉冲激光技术和有机薄膜的制备结合起来, 开展了一系列有机薄膜和生物材料薄膜的脉冲激光沉积研 究,并取得了不错的成果。
PLD 的特点和优势
可以蒸发金属、半导体、陶瓷、金属氧化 物等高温难熔无机材料制膜。
可以制备有机薄膜以及复杂成分的无机薄 膜。
能够保持聚合物与有机分子结构的完整性。 在较低温度下原位实现薄膜的生长。 能够制备高质量的纳米薄膜。 适用范围广、设备简单、易于操作。
[2] T. Donnelly , S. Krishnamurthy, K. Carney, N. McEvoy, J.G. Lunney Applied Surface Science 254 (2007) 1303–1306
[3] R. Dietscha,*, Th. Holza, D. Weißbacha, R. ScholzApplied Surface Science 197–198 (2002) 的光学窗， 与靶面成45°的方向烧蚀ZnO 靶。沉积时 间15 min。待样品降至室温，取出样品，用 称重法测出薄厚约为99 nm。
XRD分析
实验表征
FTIR 分析
SEM 和TEM分析
XRD 分析
分析：2θ=34°处的 峰是仪器分辨率范围内 唯一的峰，其半高宽 0.85°，表明所制备 的ZnO薄膜C轴取向高 度一致，薄膜质量较好。 由于ZnO 晶粒（002） 晶面最密排且表面能量 密度最低，因而ZnO薄 膜沿Ｚ轴择优取向长， 其它晶面的生长受到了 抑制。
Quartz Tube (1)靶材的汽化和等离子 体的产生。
(2)等离子体定向局域等 温绝热膨胀发射。
target
MgO Nanowires
(3)等离子体与衬底相互 作用,在衬底上沉积而 形成薄膜。
Laser Beam
脉冲激光沉积示意图
影响薄膜质量的因素
激光对薄膜质量的影响 环境压强和气氛种类的影响 衬底到靶的距离(D) 沉积温度、种类及表面光洁度 掺杂 退火条件的选择