激光制備薄膜技術

——薄膜性能控制激光制備薄膜技術【先導篇】

*什么是激光制備薄膜技術

激光器所產生的高功率脈沖激光束聚焦作用于靶材料表面,使靶材料表面產生高溫及熔蝕,并進一步產生高溫高壓等離子體,這種等離子體定向局域膨脹發射并在襯底上沉積而形成薄膜。

激光制備薄膜技術*為什么要采用激光技術

1.易獲得期望化學計量比的多組分薄膜，即具有良好的保成分性；

2.沉積速率高，試驗周期短，襯底溫度要求低，制備的薄膜均勻；

3.對靶材的種類沒有限制；

4.便于清潔處理，可以制備多種薄膜材料；

5.極大的兼容性，多層膜。

激光制備薄膜技術*如何制備的呢

四個典型的特征階段來加以描述。

第一個階段為激光能量輸人,靶面溫度急劇升高;

第二個階段為表面熔化,靶材氣化;

第三個階段為多光子電離,等離子體產生;

第四個階段為等離子體的發射、碰撞及其擴展。擴

展等離體到達樣品表面,即完成鍍膜過程。

激光制備薄膜技術技術難點

附著力激光制備薄膜技術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、基片表面狀態、基片溫度、沉積方式、沉積速率等關鍵點：在薄膜對基片的附著中，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鍵。激光制備薄膜技術*基片的表面狀態

基片的表面狀態對附著力的影響也很大。如果基片不經過清潔處理，將在其表面上有一個污染層。它可能是吸附的氣體層，也可能是油脂分子層。由于吸附層已經使基片表面的化學鍵達到飽和，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，必須先對基片進行清潔和活化處理。一般采用超聲波清洗，氣刃吹干或烘干機烘干。

激光制備薄膜技術*基片材質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。這是因為在后種情況下，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鍵。選擇基體與薄膜材料晶格結構相近。激光制備薄膜技術*基片溫度

提高基片溫度，在沉積薄膜時，適當提高基片溫度有利于薄膜和基片間原子的相互擴散。并且會加速化學反應，從而有利于形成擴散附著和通過中間層的附著，所以附著力增大。

但是，基片溫度過高，會使薄膜晶粒粗大，增加膜中的熱應力，從而影響薄膜的其他性能。

激光制備薄膜技術*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散。在鍍膜工藝中，隨著激光強度的提高，等離子體中高能粒子增多，因此，薄膜的附著增強。但激光能量過大，可能會造成沉淀顆粒較大，鍍膜不均勻，表面光潔度下降。激光制備薄膜技術*靶材與基片的距離

太遠時，等離子體羽輝尾部的離子能量低，易復合生成大顆粒；當他們距離太近時，等離子體羽輝內部能量大、速度快的離子，使薄膜表面產生孔洞或裂痕，破壞薄膜的表面形貌，對附著力有害。羽輝激光制備薄膜技術*激光頻率

激光頻率影響沉積速率，速率太高時沉積在膜上的顆粒還未運動開來,下一批濺射的顆粒已落下來，因而相對減少了真空室中殘留氧分子的入射幾率，結果在薄膜與基片界面上生成的氧化物過渡層減少，導致薄膜的附著力下降。這樣就會造成堆積從而形成不均勻膜，附著力下降;頻率太低時,間隔時間長雜質就會進入薄膜,降低膜的質量。

此外，高速沉積的薄膜結構疏松，內應力較大，這可能導致膜基界面腐蝕和失效，進而脫落。附著性能變差。

過渡層（氧化物）激光制備薄膜技術*入射角度

在沉積薄膜時，若是入射原子對基片斜入射，會產生柱狀結構，出現陰影效應（即基片表面的柱狀結構會導致有些地方成為鍍敷的“盲區”），從而使薄膜結構疏松，微孔很多，最后導致附著性能降低。本課題采用的激光沉積薄膜方法中，從靶材表面噴射出來的等離子體是沿靶法線方向運動的，粒子濺射的方向很容易調節，因此可以避免斜入射發生。

可能形成盲區激光制備薄膜技術*沉積方式

對薄膜附著力的影響非常明顯。對于同樣的材料，用濺射方法沉積的薄膜一般比用蒸發方法制造的薄膜附著牢。這是因為濺射時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。激光制備薄膜技術基片的表面狀態——妨礙沉積——消除

基片材質——界面特性——擇優

基片溫度——粒子能量——合理（適中）

激光能量——粒子能量——合理

靶材與基片的距離—