第26卷 第1期 2006年2月
桂林电子工业学院学报
Journal of Guili n Un iversity of Electron ic Technology . 26, N o . 1V o l
Feb . 2006
脉冲激光沉积(PLD ) 原理及其应用
唐亚陆1, 2, 杜泽民3
(1. 昆明理工大学光电子新材料研究所, 云南昆明 650093;
2. 淮阴工学院, 江苏淮安 3. 淮安军星科技学校, 淮安Ξ
摘 要:, 。通过从激光与材料相互作用理论出发, , 以L C M O 为对象, 对PLD 系统脉冲激、-衬底距离、氧压、激光脉冲能量、激光频率等参数关系进行了实验研究, L C M O 薄膜的最佳实验参数。同时用XRD 衍射谱和SE M 分别对膜的成键情况和表面形貌作了分析, 结果表明脉冲激光沉积(PLD ) 是一种很好的镀膜方法, 所制备的膜质量较好。关键词:PLD 系统; 等离子体; 准分子激光; 最佳实验参数
中图分类号:TN 241 文献标识码:A 文章编号:100127437(2006) 0120024204
Appl ica tion and M echan is m Ana lysis of Pulsed La ser D eposition
TA N G Y a 2lu
1, 2
3
, DU Z e 2m in
(1. Kunm ing U niversity of Science and T echno l ogy , Kunm ing 650093, Ch ina ;
2. H uaiyin Institute of T echno l og , H uai ’an 223001, Ch ina ;
3. H uai’anJunxing Science and T echno l ogy Schoo l , H uai’an223001, Ch ina )
Abstract :Pulsed laser depo siti on is the mo st w idely used and p rom ising depo siti on technique fo r the grow th of th in . In ligh t of the theo ry of interacti on betw een laser and m aterial , I conduct an fil m s developed in the recent years
analysis into the spatial features and the distributi on of compo siti on of p lum e . T he effects of depo siti on param eters including the substrate temperature , the target 2substrate distance , am bient oxygen p ressure , pulse laser energy and laser frequency on the depo siti on characteristics of L C M O th in fil m developed on L aA l O 3substrate w ere tentatively investigated .
T he op ti m ized experi m ental param eters are obtained . W e characterized the surface
mo rpho logy and bonding of the fil m by X 2ray diffracti on and scanning electron m icro scopy . Experi m ents results indicate that the fil m is of h igh quality , w h ich p roves that PLD is a good technique .
Key words :Pulsed L aser D epo siti on ; p las m a , exci m er laser ; the mo st op ti m izing experi m ental param eters
自1960年第一台红宝石激光器的问世, 开启了
激光与物质相互作用的全新领域。人们发现当用激光照射固体材料时, 有电子、离子和中性原子从固体表面“跑”出来, 并在其附近形成一个发光的等离子区, 其温度估计在几千到一万度之间, 随后有人想到, 若能使这些粒子在衬底上凝结, 就可得到薄膜, 这就是激光镀膜的概念。1965年, Sm ith 等第一次尝试用激光制备了光学薄膜, 但经分析发现, 这种方法类似于
电子束打靶蒸发镀膜, 未显示出很大的优势, 所以一直不为人们所重视。直到1987年, 美国B ell 实验室首次成功地利用短波长脉冲准分子激光制备了高质量的钇钡铜氧(YBCO ) 超导薄膜[1], 脉冲激光沉积(Pu lsed L aser D epo siti
on , 简称PLD ) 技术才成为一种重要的制膜技术受到国际上广大科研工作者的高度重视。当前, PLD 技术在铁电、半导体、金刚石(类金刚石) 等[2]多种功能薄膜以及生物陶瓷薄膜的制备
Ξ收稿日期:2005-10-07
作者简介:唐亚陆(19722) , 男, 湖南永州人, 讲师, 硕士, 研究方向为强关联材料.
第1期 唐亚陆等:脉冲激光沉积(PLD ) 原理及其应用 25
上显示出广阔的应用前景。这种方法已发展成为最好的制备的薄膜方法之一。
在这些极端条件下, 高速膨胀过程发生在数十纳秒瞬间, 迅速形成了一个沿法线方向向外的细长的等离子体羽辉。
1. 1. 3 等离子体在基片上成核、长大形成薄膜
1 PLD 系统概述
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
(如图1所示) 。
激光等离子体中的高能粒子轰击基片表面, 使其产生不同程度的辐射式损伤, 其中之一就是原子溅射。入射粒子流和溅射原子之间形成了热化区, 一旦, 热化区就会消散, 。这里薄膜的形成而晶核的形成和长大、温度、离化、基片温度等等。随着晶核超饱和度的增加, 临界核开始缩小, 直到高度接近原子的直径, 此时薄膜的形态是二维的层状分布[3]。1. 2 PLD 特点
图1 PLD 镀膜设备示意图
1. 1 PLD 原理
整个PLD 镀膜过程通常分为三个阶段。1. 1. 1 激光与靶材相互作用产生等离子体
激光束聚焦在靶材表面, 在足够高的能量密度下和短的脉冲时间内, 靶材吸收激光能量并使光斑处的温度迅速升高至靶材的蒸发温度以上而产生高温及烧蚀, 靶材汽化蒸发, 有原子、分子、电子、离子和分子团簇及微米尺度的液滴、固体颗粒等从靶的表面逸出。这些被蒸发出来的物质反过来又继续和激光相互作用, 其温度进一步提高, 形成区域化的高温高密度的等离子体, 等离子体通过逆韧致吸收机制吸收光能而被加热到104K 以上, 形成一个具有致密核心的明亮的等离子体火焰。
1. 1. 2 等离子体在空间的输运(包括激光作用时的
等温膨胀和激光结束后的绝热膨胀)
等离子体火焰形成后, 其与激光束继续作用, 进一步电离, 等离子体的温度和压力迅速升高, 并在靶面法线方向形成大的温度和压力梯度, 使其沿该方向向外作等温(激光作用时) 和绝热(激光终止后) 膨胀, 此时, 电荷云的非均匀分布形成相当强的加速电场。
脉冲激光沉积技术是目前最有前途的制膜技术,
该技术简单且有很多优点。
(1) 可对化学成分复杂的复合物材料进行全等同镀膜, 易于保证镀膜后化学计量比的稳定。与靶材成分容易一致是PLD 的最大优点, 是区别于其他技术的主要标志。
(2) 反应迅速, 生长快。通常情况下一小时可获1Λm 左右的薄膜。
(3) 定向性强、薄膜分辩率高, 能实现微区沉积。(4) 生长过程中可原位引入多种气体, 引入活性或惰性及混合气体对提高薄膜质量有重要意义。
(5) 易制多层膜和异质膜, 特别是多元氧化物的异质结, 只需通过简单的换靶就行。
(6) 靶材容易制备不需加热, 等离子能量高能量大于10eV , 离子能量1000eV 左右, 如此高的能量可降低膜所需的衬底温度, 易于在较低温度下原位生长取向一致的结构和外延单晶膜。
(7) 高真空环境对薄膜污染少可制成高纯薄膜; 羽辉只在局部区域运输蒸发, 故对沉积腔污染要少地多。
(8) 可制膜种类多, 几乎所有的材料都可用PLD 制膜, 除非材料对该种激光是透明的。
同时PLD 技术也存在一些缺点, 主要表现在
:①脉冲瞬间沉积时不能避免产生液滴及大小不一的颗粒的形成. 会以大的团簇形状存留在膜中, 影响膜的质量; ②薄膜厚度不够均匀. 融蚀羽辉具有很强的方向性, 在不同的空间方向, 等离子体羽辉中的粒子速率不尽相同, 使粒子的能量和数量的分布不均匀; ③等离子局域分布难以形成大面积的薄膜。
桂林电子工业学院学报 2006年2月26
2 在PLD 中准分子激光相对于其它激光的
优点
目前PLD 制备薄膜所使用的激光器大多是准分子激光器和N d :YA G 激光器。由于N d :YA G 激光与材料之间有热消融作用[4], 这会使材料的消融区出现伸展裂纹, 有可见的热损害, 因而不是PLD 制备薄膜的最理想激光光源。准分子激光器的发射波长几乎都在200～400nm 之间, 光子能量大符合薄膜沉积的需要。这是因为吸收系数随着光波长的变短而趋于增加, 出了强烈的吸收特性, 变小, 。但是, 当激光光波长小于时, 分子氧的Schum ann 2R unge 带吸收将变强, 导致了色心的出现, 使得溅射工作变得困难, 靶材也将受到损坏[5]。目前使用较多的是工作气体为K rF 、波长为248nm 的准分子激光。其他准分子激光的工作气体及其光波波长(nm ) 分别为:K r 2:145、F 2:157、Xe 2:172、A rF :193、K rC l :222、XeC l :308、XeF :351等。
流程为:清洗衬底—安装靶材—放置衬底—抽真空—
衬底加热—充氧—沉积薄膜—退火。关键步骤如下:
(1) 分子泵抽真空:直到真空度小于10-4Pa 时, 才达到镀膜要求。真空度低时会引入杂质。
(2) 对衬底加热:在抽真空过程中, 应边抽边缓慢地增加衬底温度, 直到衬底温度达到沉积膜时需要的温度, 同时用红外测温仪对衬底温度进行实时监控。
(3) :让流入的氧与被机械泵) :, , 沉积时间为20m in .
(5) 退火:待沉积薄膜时间到时, 关闭激光器, 设定退火温度和退火氧压, 此时就开始缓慢退火, 退火时间一般为1h . 待退火时间到时, 缓慢地降低温度到室温, 然后关氧, 关电源, 完成镀膜过程。3. 3 镀膜中的关键因素及最佳参数3. 3. 1 衬底温度
3 用PLD 系统制备L a 0. 9Ca 0. 1M nO 3薄膜
3. 1 PLD 镀膜时所用设备
(1) 激光系统:德国L am bda Physik 公司L PX 300I 型准分子激光器其技术参数:工作气体K rF , 波
长248nm , 脉冲宽度为20n s , 频率1～5H z , 最高单脉冲能量1200m J , 平均功率50W .
(2) 沉积系统:中科院沈阳科仪厂PLD 2III 型激光溅射镀膜机, 包括真空室、靶组件、衬底加热台、工作气体, 抽真空系统、控制柜等组件, 用SR 73A 型红外测温仪来进行实时监控, 其中, 镀膜腔由带自转和公转电机的靶托。衬底加热器由单晶硅板充当加热器, 最高温度可升至950℃, 温度升降依靠P I D (比例-积分-微分) 系统来控制。真空系统包括一级抽真空的机械泵和二级抽真空的分子泵, 真空度可达10-5
衬底加热器的温度Pa . 控制柜包括真空度显示面板、
控制面板、分子泵控制面板、靶托自转和公转控制面板和机械泵及总电源控制面板。3. 2 镀膜操作过程
本次镀膜是在倾角Α=20°的L aA l O 3衬底上进行, 靶材为L a 0. 9Ca 0. 1M nO 3(简称L C M O ) . L aA l O 3为钙钛矿结构其晶格常数与我们所要制备的L C M O (L a 1-X Ca X M nO 3(x =0. 1) ) 晶格匹配很好。镀膜工艺
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。实验得出800℃是最好的沉积温度。3. 3. 2 靶材与基底的距离
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。实验表明距离为4c m 时, 效果较好。3. 3. 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。实验得出氧压取30Pa 比较理想。
3. 3. 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。3. 3. 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。实验中取400m
J 比
第1期 唐亚陆等:脉冲激光沉积(PLD ) 原理及其应用 27
较好。
3. 3. 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。实验中一般取4H z . 3. 4 L C M O 膜质量检测与分析
也进行了XRD 分析(如图3所示) , 由图可知, 薄膜也表现出单一的L C M O 相, 衍射峰尖锐, 基本上为外延生长。对制成的薄膜进行扫描电镜检测(如图4所示) , 薄膜的表面呈灰色, 薄膜表面比较平整、光滑, 颗粒大小在10nm 量级, 结晶程度非常好。
我们对烧制的L a 1-X Ca X M nO 3(x =0. 1) 多晶靶材, 进行了X 射线衍射分析, 结果表明所烧制的样品为单一的L aCa M
nO 3相(如图2所示) , 衍射峰尖锐, 基本上是准立方的钙钛矿结构,
M 膜的靶材; L a 1-X 3. 1) 图4 L C M O 薄膜SE M 照片
4 结论
PLD 技术经过十几年的发展, 已成功制备出各
种各样的优良薄膜, 做出了很多的高性能的器件[6]。实践证明, PLD 技术是一种极具发展潜力的制备薄膜新技术。随着辅助设备的进步工艺参数的进一步优化, 理论研究逐步深入和技术条件的进一步完善。PLD 技术必将在薄膜的制备方面得到进一步的发展
图2 L C M O 靶材的XRD 图
和应用, 其产业化应用是完全可能的。
参考文献:
[1] 邓国联, 江建军. 脉冲沉积技术在磁性薄膜制备中的应用[J ]. 材
料导报2003, 17(2) :66-68.
[2] YON G 2T ac Sh in , SEUN G 2woo sh in . Pulsed L aser D epo siti on of
. T h in F il m s [J ]. T h in So lid A lum inum ris 282H ydroxyquinline F il m s , 2000, 385:187-190.
[3] 高国棉, 陈长乐. 脉冲激光沉积(PLD ) 技术及其应用研究[J ]. 空
军工程大学学报(自然科学版) , 2005, 6(3) :77-81.
[4] 赵建新. 激光精细加工及其质量检测的最新进展[J ]. 激光杂志,
1993, 14:280-281.
[5] 王广昌. 准分子激光的新应用[J ]. 光电子技术与信息, 1999, 12:
38-40.
[6]
ZHAN G P X , W AN G C , ZHAN G G Y . et al . L aCa M nO 3th in
fil m laser energy pow er m eter [J ]. Op tics &L aser T echno logy ,
图3 L C M O 薄膜的XRD 图
2004, (36) :341-343.
(责任编辑
梁王欢)
第26卷 第1期 2006年2月
桂林电子工业学院学报
Journal of Guili n Un iversity of Electron ic Technology . 26, N o . 1V o l
Feb . 2006
脉冲激光沉积(PLD ) 原理及其应用
唐亚陆1, 2, 杜泽民3
(1. 昆明理工大学光电子新材料研究所, 云南昆明 650093;
2. 淮阴工学院, 江苏淮安 3. 淮安军星科技学校, 淮安Ξ
摘 要:, 。通过从激光与材料相互作用理论出发, , 以L C M O 为对象, 对PLD 系统脉冲激、-衬底距离、氧压、激光脉冲能量、激光频率等参数关系进行了实验研究, L C M O 薄膜的最佳实验参数。同时用XRD 衍射谱和SE M 分别对膜的成键情况和表面形貌作了分析, 结果表明脉冲激光沉积(PLD ) 是一种很好的镀膜方法, 所制备的膜质量较好。关键词:PLD 系统; 等离子体; 准分子激光; 最佳实验参数
中图分类号:TN 241 文献标识码:A 文章编号:100127437(2006) 0120024204
Appl ica tion and M echan is m Ana lysis of Pulsed La ser D eposition
TA N G Y a 2lu
1, 2
3
, DU Z e 2m in
(1. Kunm ing U niversity of Science and T echno l ogy , Kunm ing 650093, Ch ina ;
2. H uaiyin Institute of T echno l og , H uai ’an 223001, Ch ina ;
3. H uai’anJunxing Science and T echno l ogy Schoo l , H uai’an223001, Ch ina )
Abstract :Pulsed laser depo siti on is the mo st w idely used and p rom ising depo siti on technique fo r the grow th of th in . In ligh t of the theo ry of interacti on betw een laser and m aterial , I conduct an fil m s developed in the recent years
analysis into the spatial features and the distributi on of compo siti on of p lum e . T he effects of depo siti on param eters including the substrate temperature , the target 2substrate distance , am bient oxygen p ressure , pulse laser energy and laser frequency on the depo siti on characteristics of L C M O th in fil m developed on L aA l O 3substrate w ere tentatively investigated .
T he op ti m ized experi m ental param eters are obtained . W e characterized the surface
mo rpho logy and bonding of the fil m by X 2ray diffracti on and scanning electron m icro scopy . Experi m ents results indicate that the fil m is of h igh quality , w h ich p roves that PLD is a good technique .
Key words :Pulsed L aser D epo siti on ; p las m a , exci m er laser ; the mo st op ti m izing experi m ental param eters
自1960年第一台红宝石激光器的问世, 开启了
激光与物质相互作用的全新领域。人们发现当用激光照射固体材料时, 有电子、离子和中性原子从固体表面“跑”出来, 并在其附近形成一个发光的等离子区, 其温度估计在几千到一万度之间, 随后有人想到, 若能使这些粒子在衬底上凝结, 就可得到薄膜, 这就是激光镀膜的概念。1965年, Sm ith 等第一次尝试用激光制备了光学薄膜, 但经分析发现, 这种方法类似于
电子束打靶蒸发镀膜, 未显示出很大的优势, 所以一直不为人们所重视。直到1987年, 美国B ell 实验室首次成功地利用短波长脉冲准分子激光制备了高质量的钇钡铜氧(YBCO ) 超导薄膜[1], 脉冲激光沉积(Pu lsed L aser D epo siti
on , 简称PLD ) 技术才成为一种重要的制膜技术受到国际上广大科研工作者的高度重视。当前, PLD 技术在铁电、半导体、金刚石(类金刚石) 等[2]多种功能薄膜以及生物陶瓷薄膜的制备
Ξ收稿日期:2005-10-07
作者简介:唐亚陆(19722) , 男, 湖南永州人, 讲师, 硕士, 研究方向为强关联材料.
第1期 唐亚陆等:脉冲激光沉积(PLD ) 原理及其应用 25
上显示出广阔的应用前景。这种方法已发展成为最好的制备的薄膜方法之一。
在这些极端条件下, 高速膨胀过程发生在数十纳秒瞬间, 迅速形成了一个沿法线方向向外的细长的等离子体羽辉。
1. 1. 3 等离子体在基片上成核、长大形成薄膜
1 PLD 系统概述
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
(如图1所示) 。
激光等离子体中的高能粒子轰击基片表面, 使其产生不同程度的辐射式损伤, 其中之一就是原子溅射。入射粒子流和溅射原子之间形成了热化区, 一旦, 热化区就会消散, 。这里薄膜的形成而晶核的形成和长大、温度、离化、基片温度等等。随着晶核超饱和度的增加, 临界核开始缩小, 直到高度接近原子的直径, 此时薄膜的形态是二维的层状分布[3]。1. 2 PLD 特点
图1 PLD 镀膜设备示意图
1. 1 PLD 原理
整个PLD 镀膜过程通常分为三个阶段。1. 1. 1 激光与靶材相互作用产生等离子体
激光束聚焦在靶材表面, 在足够高的能量密度下和短的脉冲时间内, 靶材吸收激光能量并使光斑处的温度迅速升高至靶材的蒸发温度以上而产生高温及烧蚀, 靶材汽化蒸发, 有原子、分子、电子、离子和分子团簇及微米尺度的液滴、固体颗粒等从靶的表面逸出。这些被蒸发出来的物质反过来又继续和激光相互作用, 其温度进一步提高, 形成区域化的高温高密度的等离子体, 等离子体通过逆韧致吸收机制吸收光能而被加热到104K 以上, 形成一个具有致密核心的明亮的等离子体火焰。
1. 1. 2 等离子体在空间的输运(包括激光作用时的
等温膨胀和激光结束后的绝热膨胀)
等离子体火焰形成后, 其与激光束继续作用, 进一步电离, 等离子体的温度和压力迅速升高, 并在靶面法线方向形成大的温度和压力梯度, 使其沿该方向向外作等温(激光作用时) 和绝热(激光终止后) 膨胀, 此时, 电荷云的非均匀分布形成相当强的加速电场。
脉冲激光沉积技术是目前最有前途的制膜技术,
该技术简单且有很多优点。
(1) 可对化学成分复杂的复合物材料进行全等同镀膜, 易于保证镀膜后化学计量比的稳定。与靶材成分容易一致是PLD 的最大优点, 是区别于其他技术的主要标志。
(2) 反应迅速, 生长快。通常情况下一小时可获1Λm 左右的薄膜。
(3) 定向性强、薄膜分辩率高, 能实现微区沉积。(4) 生长过程中可原位引入多种气体, 引入活性或惰性及混合气体对提高薄膜质量有重要意义。
(5) 易制多层膜和异质膜, 特别是多元氧化物的异质结, 只需通过简单的换靶就行。
(6) 靶材容易制备不需加热, 等离子能量高能量大于10eV , 离子能量1000eV 左右, 如此高的能量可降低膜所需的衬底温度, 易于在较低温度下原位生长取向一致的结构和外延单晶膜。
(7) 高真空环境对薄膜污染少可制成高纯薄膜; 羽辉只在局部区域运输蒸发, 故对沉积腔污染要少地多。
(8) 可制膜种类多, 几乎所有的材料都可用PLD 制膜, 除非材料对该种激光是透明的。
同时PLD 技术也存在一些缺点, 主要表现在
:①脉冲瞬间沉积时不能避免产生液滴及大小不一的颗粒的形成. 会以大的团簇形状存留在膜中, 影响膜的质量; ②薄膜厚度不够均匀. 融蚀羽辉具有很强的方向性, 在不同的空间方向, 等离子体羽辉中的粒子速率不尽相同, 使粒子的能量和数量的分布不均匀; ③等离子局域分布难以形成大面积的薄膜。
桂林电子工业学院学报 2006年2月26
2 在PLD 中准分子激光相对于其它激光的
优点
目前PLD 制备薄膜所使用的激光器大多是准分子激光器和N d :YA G 激光器。由于N d :YA G 激光与材料之间有热消融作用[4], 这会使材料的消融区出现伸展裂纹, 有可见的热损害, 因而不是PLD 制备薄膜的最理想激光光源。准分子激光器的发射波长几乎都在200～400nm 之间, 光子能量大符合薄膜沉积的需要。这是因为吸收系数随着光波长的变短而趋于增加, 出了强烈的吸收特性, 变小, 。但是, 当激光光波长小于时, 分子氧的Schum ann 2R unge 带吸收将变强, 导致了色心的出现, 使得溅射工作变得困难, 靶材也将受到损坏[5]。目前使用较多的是工作气体为K rF 、波长为248nm 的准分子激光。其他准分子激光的工作气体及其光波波长(nm ) 分别为:K r 2:145、F 2:157、Xe 2:172、A rF :193、K rC l :222、XeC l :308、XeF :351等。
流程为:清洗衬底—安装靶材—放置衬底—抽真空—
衬底加热—充氧—沉积薄膜—退火。关键步骤如下:
(1) 分子泵抽真空:直到真空度小于10-4Pa 时, 才达到镀膜要求。真空度低时会引入杂质。
(2) 对衬底加热:在抽真空过程中, 应边抽边缓慢地增加衬底温度, 直到衬底温度达到沉积膜时需要的温度, 同时用红外测温仪对衬底温度进行实时监控。
(3) :让流入的氧与被机械泵) :, , 沉积时间为20m in .
(5) 退火:待沉积薄膜时间到时, 关闭激光器, 设定退火温度和退火氧压, 此时就开始缓慢退火, 退火时间一般为1h . 待退火时间到时, 缓慢地降低温度到室温, 然后关氧, 关电源, 完成镀膜过程。3. 3 镀膜中的关键因素及最佳参数3. 3. 1 衬底温度
3 用PLD 系统制备L a 0. 9Ca 0. 1M nO 3薄膜
3. 1 PLD 镀膜时所用设备
(1) 激光系统:德国L am bda Physik 公司L PX 300I 型准分子激光器其技术参数:工作气体K rF , 波
长248nm , 脉冲宽度为20n s , 频率1～5H z , 最高单脉冲能量1200m J , 平均功率50W .
(2) 沉积系统:中科院沈阳科仪厂PLD 2III 型激光溅射镀膜机, 包括真空室、靶组件、衬底加热台、工作气体, 抽真空系统、控制柜等组件, 用SR 73A 型红外测温仪来进行实时监控, 其中, 镀膜腔由带自转和公转电机的靶托。衬底加热器由单晶硅板充当加热器, 最高温度可升至950℃, 温度升降依靠P I D (比例-积分-微分) 系统来控制。真空系统包括一级抽真空的机械泵和二级抽真空的分子泵, 真空度可达10-5
衬底加热器的温度Pa . 控制柜包括真空度显示面板、
控制面板、分子泵控制面板、靶托自转和公转控制面板和机械泵及总电源控制面板。3. 2 镀膜操作过程
本次镀膜是在倾角Α=20°的L aA l O 3衬底上进行, 靶材为L a 0. 9Ca 0. 1M nO 3(简称L C M O ) . L aA l O 3为钙钛矿结构其晶格常数与我们所要制备的L C M O (L a 1-X Ca X M nO 3(x =0. 1) ) 晶格匹配很好。镀膜工艺
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。实验得出800℃是最好的沉积温度。3. 3. 2 靶材与基底的距离
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。实验表明距离为4c m 时, 效果较好。3. 3. 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。实验得出氧压取30Pa 比较理想。
3. 3. 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。3. 3. 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。实验中取400m
J 比
第1期 唐亚陆等:脉冲激光沉积(PLD ) 原理及其应用 27
较好。
3. 3. 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。实验中一般取4H z . 3. 4 L C M O 膜质量检测与分析
也进行了XRD 分析(如图3所示) , 由图可知, 薄膜也表现出单一的L C M O 相, 衍射峰尖锐, 基本上为外延生长。对制成的薄膜进行扫描电镜检测(如图4所示) , 薄膜的表面呈灰色, 薄膜表面比较平整、光滑, 颗粒大小在10nm 量级, 结晶程度非常好。
我们对烧制的L a 1-X Ca X M nO 3(x =0. 1) 多晶靶材, 进行了X 射线衍射分析, 结果表明所烧制的样品为单一的L aCa M
nO 3相(如图2所示) , 衍射峰尖锐, 基本上是准立方的钙钛矿结构,
M 膜的靶材; L a 1-X 3. 1) 图4 L C M O 薄膜SE M 照片
4 结论
PLD 技术经过十几年的发展, 已成功制备出各
种各样的优良薄膜, 做出了很多的高性能的器件[6]。实践证明, PLD 技术是一种极具发展潜力的制备薄膜新技术。随着辅助设备的进步工艺参数的进一步优化, 理论研究逐步深入和技术条件的进一步完善。PLD 技术必将在薄膜的制备方面得到进一步的发展
图2 L C M O 靶材的XRD 图
和应用, 其产业化应用是完全可能的。
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图3 L C M O 薄膜的XRD 图
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(责任编辑
梁王欢)