脉冲激光沉积系统 (PLD)

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脉冲激光沉积系统 (PLD)

脉冲激光沉积（Pulsed laser deposition），就是将激光聚焦于靶材上一个较小的面积，利用激光的高能量密度将部分靶材料蒸发甚至电离，使其能够脱离靶材而向基底运动，进而在基底上沉积，从而形成薄膜的一种方式。在众多的薄膜制备方法中，脉冲激光沉积技术的应用最为广泛，可用来制备金属、半导体、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物、硫化物及氟化物等各种物质薄膜，甚至还用来制备一些难以合成的材料膜，如金刚石、立方氮化物膜等。

脉冲激光沉积系统（PLD）

TSST脉冲激光沉积系统配置：

生长室，进样室可选
两种靶材台可选
三种加热器可选，最高加热温度1200℃
高压RHEED，工作气压可达100Pa
可预留法兰，用于LEED，K-Cell等
可选项：臭氧发生器，离子源，掩膜系统等

PLD的系统设备简单，相反，它的原理却是非常复杂的物理现象。它涉及高能量脉冲辐射冲击固体靶时，激光与物质之间的所有物理相互作用，亦包括等离子羽状物的形成，其后已熔化的物质通过等离子羽状物到达已加热的基片表面的转移，及最后的膜生成过程。所以，PLD一般可以分为以下四个阶段：

1. 激光辐射与靶的相互作用

2. 熔化物质的动态

3. 熔化物质在基片的沉积

4. 薄膜在基片表面的成核（nucleation）与生成

在第一阶段，激光束聚焦在靶的表面。达到足够的高能量通量与短脉冲宽度时，靶表面的一切元素会快速受热，到达蒸发温度。物质会从靶中分离出来，而蒸发出来的物质的成分与靶的化学计量相同。物质的瞬时溶化率大大取决於激光照射到靶上的流量。熔化机制涉及许多复杂的物理现象，例如碰撞、热，与电子的激发、层离，以及流体力学。

在第二阶段，根据气体动力学定律，发射出来的物质有移向基片的倾向，并出现向前散射峰化现象。空间厚度随函数cosnθ而变化，而n>>1。激光光斑的面积与等离子的温度，对沉积膜是否均匀有重要的影响。靶与基片的距离是另一个因素，支配熔化物质的角度范围。亦发现，将一块障板放近基片会缩小角度范围。

第三阶段是决定薄膜质量的关键。放射出的高能核素碰击基片表面，可能对基片造成各种破坏。下图表明了相互作用的机制。高能核素溅射表面的部分原子，而在入射流与受溅射原子之间，建立了一个碰撞区。膜在这个热能区（碰撞区）形成后立即生成，这个区域正好成为凝结粒子的最佳场所。只要凝结率比受溅射粒子的释放率高，热平衡状况便能够快速达到，由於熔化粒子流减弱，膜便能在基片表面生成。^[1]

PLD主要优点

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. 工艺参数任意调节，对靶材的种类没有限制；

4. 发展潜力巨大，具有极大的兼容性；

5. 便于清洁处理，可以制备多种薄膜材料。

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