444 激 光 技 术2003年10月

靶表面等离子体火焰形成后,这些等离子体继续与激光束作用,进一步电离,使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,使其沿靶面法线方向向外作等温(激光作用时)和绝热膨胀(激光中止后)发射。此时,电荷云的非均匀分布也会形成相当强的加速电场。在这些极端条件下,高速膨胀过程发生于数十纳秒瞬间,具有微爆炸性质以及沿靶面法线方向发射的轴向约束性,可形成一个沿靶面法线方向向外的细长的等离子体区,即所谓的等离子体羽辉,其空间分布形状可用高次余弦规律cos 来描述, 为相对于靶面法线的夹角,n的典型值为5~10,随靶材而异。

(3)在衬底表面凝结成膜

作绝热膨胀发射的等离子体迅速冷却,遇到位于靶对面的衬底后即在衬底上沉积成膜。形核过程取决于基体、凝聚态材料和气态材料3者之间的界面能。临界形核尺寸取决于其驱动力。对于较大的晶核来说,它们具有一定的过饱和度,它们在薄膜表面形成孤立的岛状颗粒,这些颗粒随后张大并且接合在一起。当过饱和度增加时,临界晶核尺寸减小直至接近原子半径的尺寸,此时的薄膜的形态是二维的层状。

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积材料不同,对1000mm2左右沉积面积,每小时的沉积厚度约在几百纳米到1 m范围;(4)鉴于激光薄膜制备设备的成本和沉积规模,目前看来它只适用于微电子技术、传感器技术、光学技术等高技术领域及新材料薄膜开发研制。随着大功率激光器技术的进展,其生产性的应用是完全可能的。

3 PLD薄膜制备技术的研究现状

3.1 半导体薄膜

宽禁带 ~ 族半导体薄膜一直被认为是制作发射蓝色和绿色可见光激光二极管和光发射二极管的材料[4]。目前, ~ 族化合物薄膜主要是通过分子束外延(MBE)和金属有机化学气相外延(MOVPE)合成[5]。由于实验设备的昂贵和复杂,以及一些问题难以克服,限制了此种薄膜的研究和应用,因此人们尝试用PLD方法合成此种薄膜。许宁等成功地用脉冲激光沉积法在GaAs(100)衬底上生长出ZnSe薄膜,并用AFM观察了其表面形貌。通过对激光溅射团束的四极质谱分析表明溅射团束主要由Zn,Se,ZnSe组成,由此可以推断ZnSe薄膜是以二维方式生长的[6]。

AlN,GaN,InN等宽能隙结构半导体材料,由于其高效率可见性和紫外光发射特性而在全光器件方面具有很好的应用前景。其中,AlN还具有高热导率、高硬度以及良好的介电性质、声学性质和化学稳定性,可望在短波光发射和光探测、表面声学、压电器件等方面得到广泛应用[7]。但传统方法制备AlN薄膜结晶度很差,用PLD方法可以制备出高质量的AlN薄膜。凌浩等用脉冲激光沉积方法制备了AlN薄膜,并用多种手段对膜层的形貌、成分和结构进行了观察、分析和表征,同时观察了沉底温度和退火温度底的影响[8]。3.2 高温超导薄膜

自从氧化物高温超导体发现以来,人们就开始了探索其在强电方面的应用。但由于高温超导材料的陶瓷本性,难以制成可以弯曲的、具有良好柔韧性的带材,限制了它在很多方面的应用。为了解决这一难题,人们考虑直接把高温超导薄膜直接沉积到金属基片上。早在1987年,就有人就用脉冲激光沉积技术成功地制备出高质量的高温超导薄膜[1]。对于Y系薄膜材料,要达到可供实用化的高临界电流密度,就必须使YBCO材料的织构高度取向一致并克服金属基底与YBCO材料之间的相互扩散问[9~11]2 PLD的特点

由脉冲激光沉积的独特物理过程,和其它制膜技术相比,主要有下述优点[3]:(1)适用于多组元化合物的沉积,激光法的非选择一致蒸发有利于沉积此类薄膜;(2)可以蒸发金属、半导体、陶瓷等无机材料,有利于解决难熔材料的薄膜沉积问题;(3)能够沉积高质量纳米薄膜,高的离子动能具有显著增强二维生长和显著抑制三维生长的作用,促进薄膜的生长沿二维展开,因而能获得连续的极细薄膜而不形成分离核岛;(4)沉积温度低,可以在室温下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜;(5)换靶装置,便于实现多层膜的及超晶格的生长,多层膜的原位沉积便于产生原子级清洁的界面。

作为一种新生的沉积技术脉冲激光沉积也存在以下有待解决的问题:(1)对相当多材料,沉积的薄膜中有熔融小颗粒或靶材碎片,这是在激光引起的爆炸过程中喷溅出来的,这些颗粒的存在大大降低了薄膜的质量,事实上,这是PLD迫切需要解决的关键问题;(2)限于目前商品激光器的输出能量,尚未有实验证明激光法用于大面积沉积的可行性,但,