激光制备薄膜技术

激光制备薄膜技术 薄膜性能控制 1 4 先导篇 什么是激光制备薄膜技术激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材料表面 使靶材料表面产生高温及熔蚀 并进一步产生高温高压等离子体 这种等离子体定向局域膨胀发射并在衬底上沉积而形成薄膜 2 4 为什么要采用激光技术1 易获得期望化学计量比的多组分薄膜 即具有良好的保成分性 2 沉积速率高 试验周期短 衬底温度要求低 制备的薄膜均匀 3 对靶材的种类没有限制 4 便于清洁处理 可以制备多种薄膜材料 5 极大的兼容性 多层膜 3 4 如何制备的呢四个典型的特征阶段来加以描述 第一个阶段为激光能量输人 靶面温度急剧升高 第二个阶段为表面熔化 靶材气化 第三个阶段为多光子电离 等离子体产生 第四个阶段为等离子体的发射 碰撞及其扩展 扩展等离体到达样品表面 即完成镀膜过程 4 4 24 2020 技术难点附着力 5 4 影响附着力的工艺因素工艺因素很多 其中主要有 基片材料性质 基片表面状态 基片温度 沉积方式 沉积速率等关键点 在薄膜对基片的附着中 普遍存在着范德华力 但这种力较弱 要形成牢固的附着 需要在薄膜和基片间形成化学键 6 4 24 2020 基片的表面状态基片的表面状态对附着力的影响也很大 如果基片不经过清洁处理 将在其表面上有一个污染层 它可能是吸附的气体层 也可能是油脂分子层 由于吸附层已经使基片表面的化学键达到饱和 故沉积上薄膜以后 膜的附着力很差 因此在制膜工艺中 为了提高附着性能 必须先对基片进行清洁和活化处理 一般采用超声波清洗 气刃吹干或烘干机烘干 7 4 24 2020 基片材质在玻璃基片上沉积的金膜附着力就很差 但是在铂 镍 钛等金属基片上沉积的金膜附着就很牢 这是因为在后种情况下 金膜和基片之间形成了金属键 从这里看出 要使薄膜附着牢固 需要选用合适的基片 以使基片能与薄膜材料或其氧化物形成化学键 选择基体与薄膜材料晶格结构相近 8 4 24 2020 基片温度提高基片温度 在沉积薄膜时 适当提高基片温度有利于薄膜和基片间原子的相互扩散 并且会加速化学反应 从而有利于形成扩散附着和通过中间层的附着 所以附着力增大 但是 基片温度过高 会使薄膜晶粒粗大 增加膜中的热应力 从而影响薄膜的其他性能 9 4 24 2020 高激光能量提高激光能量 高能粒子轰击还有利于原子的扩散 在镀膜工艺中 随着激光强度的提高 等离子体中高能粒子增多 因此 薄膜的附着增强 但激光能量过大 可能会造成沉淀颗粒较大 镀膜不均匀 表面光洁度下降 10 4 24 2020 靶材与基片的距离太远时 等离子体羽辉尾部的离子能量低 易复合生成大颗粒 当他们距离太近时 等离子体羽辉内部能量大 速度快的离子 使薄膜表面产生孔洞或裂痕 破坏薄膜的表面形貌 对附着力有害 羽辉 11 4 24 2020 激光频率激光频率影响沉积速率 速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 因而相对减少了真空室中残留氧分子的入射几率 结果在薄膜与基片界面上生成的氧化物过渡层减少 导致薄膜的附着力下降 这样就会造成堆积从而形成不均匀膜 附着力下降 频率太低时 间隔时间长杂质就会进入薄膜 降低膜的质量 此外 高速沉积的薄膜结构疏松 内应力较大 这可能导致膜基界面腐蚀和失效 进而脱落 附着性能变差 过渡层 氧化物 12 4 24 2020 入射角度在沉积薄膜时 若是入射原子对基片斜入射 会产生柱状结构 出现阴影效应 即基片表面的柱状结构会导致有些地方成为镀敷的 盲区 从而使薄膜结构疏松 微孔很多 最后导致附着性能降低 本课题采用的激光沉积薄膜方法中 从靶材表面喷射出来的等离子体是沿靶法线方向运动的 粒子溅射的方向很容易调节 因此可以避免斜入射发生 可能形成盲区 13 4 24 2020 沉积方式对薄膜附着力的影响非常明显 对于同样的材料 用溅射方法沉积的薄膜一般比用蒸发方法制造的薄膜附着牢 这是因为溅射时往往有高能粒子轰击基片表面 从而有利于排除表面吸附的惰性气体 增加表面活性 除此以外 高能粒子轰击还有利于原子的扩散 在磁控溅射工艺中 随着溅射电压的提高 溅射束中高能粒子增多 因此 薄膜的附着增强 14 4 24 2020 基片的表面状态 妨碍沉积