（材料学专业论文）PLD法NdLuVOlt4gt、NdGdVOlt4gt光波导薄膜的制备及其性质研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 集成光学是上世纪6 0 年代以来发展起来的- i 1 新兴科学，主要研究光波在透明 薄膜材料中的传导、调制、偏转、滤波、空间辐射、光振荡、薄膜内强场聚集引起 的各种现象以及与此有关的薄膜非线性效应等。集成光学的研究内容非常丰富，但 是其根本的基础是光在薄膜中的传播，即光波导。对光信号的所有处理，都必须以 光在薄膜中的能够传导为前提。光波导在整个集成光学中具有十分重要的作用。 经典的光波导理论主要有两种，一种是线光学理论，这一理论以光的全反射原 理为基础，即光在波导中传播时受到上下界面的全反射。光波在波导内沿z 字形路 径传播。据此推导出介质薄膜波导的色散方程，研究波导膜的传输性质、截止特性、 传播常数等性质。这种方法简单、直观。另一种方法是电磁波理论，这一理论从 m a x w e l l 电磁波方程出发，通过求解满足一定介质边界条件的m a x w e l l 方程，得到 波导中传导模的本征解。 所有光波导的实验基础在于光波导薄膜及波导结构的制备。改进实验方法，优 化实验条件是提高光波导薄膜质量的关键。脉冲激光沉积法是上世纪8 0 年代后期发 展起来的一种新的制膜方法。该方法有许多引人注目的优点。如：易于使膜与靶材 的成分基本一致、生长过程中能够原位引入的气体种类较多、容易制备多层膜或异 质结、工艺简单、易于控制、灵活性大等，所以，在制备各种薄膜，特别是氧化物 薄膜方面具有独特的优势。 全固态激光器在科学研究、工业、医学、军事等许多方面有着十分重要的应用。 激光晶体是全固体激光器的重要组成部分，与激光玻璃相比。他具有较低的振荡阈 值，较容易实现连续运转。激光晶体波导膜是一个崭新的研究领域，探索性能优异 的激光晶体波导膜正成为研究热点之一。 钒酸盐晶体如n d ：y v 0 4 和n d ：g d v 0 4 有着优良的荧光和激光性质，在中小功 率泵浦功率下，效率高于n d ：y a g 晶体。用l u 3 + 取代基质晶体中的y 3 + 或g d 3 + ，可 以提高激光性能。n d ：l u v 0 4 和n d ：g d v 0 4 晶体具有相同的结构，点群为4 m m m ( d 4 h ) ，空间群为d i 若一1 4 l a m d 。n d ：l u v 0 4 和n d ：g d v 0 4 晶体均可用提拉法 ( c z o c h r a l s k i ) 生长。该课题以这两种晶体为靶材制各了一系列的光波导薄膜。 本文研究了n d ：l u v 0 4 和n d ：g d v 0 4 光波导薄膜的生长结晶状况、表面形貌、 山东大学硕士学位论文 薄膜中的主要元素的比例以及发射光强度与有效折射率的关系，并对薄膜的光波导 性能做了初步的探索。主要内容包括以下几方面： 1 薄膜的生长 采用脉冲激光沉积法生长n d ：l u v 0 4 和n d ：g d v 0 4 光波导薄膜，研究在不同衬 底、不同气氛、不同衬底温度、不同氧气压强下对生长的薄膜的质量的影响。找出 适宜薄膜生长的气氛、衬底温度、氧气压强等条件。 2 结晶状态的研究 利用x 射线衍射法对不同气氛、不同衬底温度、不同氧气压强下生长的薄膜的 生长状态进行了分析，对薄膜的结晶状况、易于生长的方向进行了观察。对薄膜适 宜生长的条件做了迸一步验证和分析。 3 表面形貌的观察 利用原子力显微镜对生长的薄膜的表面形貌进行了分析，发现表面较为光滑、 均匀、无较大的颗粒物。可以用来作为光波导薄膜。 4 背散射分析 根据背散射图谱对生长的薄膜中的主要元素的比例做了估算，发现薄膜的成分 与靶材的成分基本一致，证明了脉冲激光沉积法生长薄膜的主要优势，并为今后制 各要求组分薄膜的设计提供了依据。 5 效折射率的测量 采用棱镜耦合法测量了可能形成的波导模及该模所对应的有效折射率。并对薄 膜的光波导性能进行了初步探索和分析。 关键词：脉冲激光沉积法光波导薄膜n d ：l u v 0 4n d ：g d v 0 4 衬底温度气氛氧压 表面形貌有效折射率 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e g r a t e do p t i c si so n eo f n e ws u b j e c t sb eo f w h i c hh a v eb e e nd e v e l o p e di nt h e 1 9 6 0 s t h em a i nc o n t e n to fi n t e g r a t e do p t i c si st o s t u d yt h ep h e n o m e n a ，s u c ha s t r a n s m i s s i o n ，m o d u l a t i o n ，d e f l e c t i o n ，f i l t e r , s p a c er a d i a t i o n ，o s c i l l a t i o na n dt h en o n l i n e a r o p t i c a le f f e c t sw h i c hc a u s e db yt h ec o n c e n 扛a f i o no fs t r o n ge l e c t r i c f i e l dw h e nl i g h t p r o p a g a t ei nt r a n s p a r e n tt h i ns o l i df i l m s t h ec o n t e n to fi n t e g r a t e do p t i c sf i r ev e r y a b u n d a n t ，b u tt h ef u n d a m e n t a lb a s ei st h el i g h tc a nb t r a n s m i t t e di nf i l m s w h i c hh a s b e e nc a l l e do p t i c a lw a v e g u i d e i ti sc l e a rt h a to p t i c a lw a v e g u i d eh a v ev e r yi m p o r t a n tr o l e i ni n t e g r a t e do p t i c s t h e r ea r et w ok i n do fc l a s s i c a lo p t i c a lw a v e g u i d et h e o r i e s ，o n eo ft h e mi sl i n e a r o p t i c a lt h e o r y , w h i c hi sb a s e do nt h et o t a lr e f l e c t i o no fl i g h ta tt h et o pa n db o r o mo ft h e f i l m s t h el i g h tc a nb et r a n s m i t t e da i o n gt h er o u t ea s z i nt h ef i l m s b a s e do nt h i s ，t h e d i s p e r s i o ne q u a t i o nf o rt h ew a v e g n i d em o d e so ft h ef i l mc a nb ee s t a b l i s h e d b yu s i n gt h e e q u a t i o n ，t h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e s ，t h ee n d i n g c h 0 a c t e r i s t i ca n dt h ep r o p a g a t i o n c o n s t a n to fl i g h ti nt h ef i l mc a d _ b es t u d i e d t h i sm 8 蝴i ss i m p l ea n dd i r e c t t h eo t h e r m e t h o di se l e c t r o m a g n e t i cw a v et h e o r y , w h i c hi sb a s e do nt h em a x w e l l sw a v ee q u a t i o n ， a n db yr e s o l v i n gt h ee q u a t i o nw h i c hs a t i s f ys o m ec e r t a i nb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h ee l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o nc o u l db ec a l c u l a t e da n ds ot h eo p t i c a lw a v e g u i d ec h a r a c t e r i s t i cc o u l db e d i s c u s s e d t h em a i ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so f a l lo p t i c a lw a v e g u i d eb a s e do f t h ep r e p a r a t i o no f w a v e g u i d e t oi m p r o v et h eq u a l i t yo fo p t i c a iw a v e g u i d ef i l m ，t h ek e yf a c t o ri s t o i m p r o v i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o da n do p t i m i z ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h ep u l s e dl a s e r d e p o s i t i o n ( p l d ) t e c h n i q u ei san e wm e t h o df o rp r e p a r i n go p t i c a lw a v e g u i d ew h i c hw a s e s t a b l i s h e di nt h e1 9 8 0 s t h i st e c h n i q u eh a sm a n ye x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r e dw i t l l o t h e rm e t h o d s ，s u c ha si ti se a s i l yt oo b t a i nf i l m st h a th a v et h es a l n ec o m p o s i t i o na st h e t a r g e tm a t e r i a l s ，a n d c a l li n t r o d u c em a n yk i n d so fg a s e sd i r e c t l yi nt h ep r e p a r a t i o n p r o c e s s i o n ，i t c a na l s of a b r i c a t em u l t i l a y e rf i l m so rh e t e r o j u n c t i o n sw i t h o u tm a n y d i f f i c u l t i e s a n di ti se a s yt oc o n t r o lb e c a u s et h i st e c h n o l o g yi ss i m p l ea n d 、讲t l lg o o d f l e x i b i l i t y s ot h ep l dt e c h n i q u eh a ss p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c si np r e p a r ea l lk i n d so ff i l m s ， e s p e c i a l l yo x i d ef i l m s s o l i d - s t a t el a s e r sc a l lb ef o u n dm a n yi m p o r t a n tu s e f u la p p l i c a t i o n s ，s u c ha ss c i e n c e r e s e a r c h ，i n d u s t r y , m e d i e a it r e a t m e n t ，m i l i t a r ya f f a i r s ，e r e l a s e rc r y s t a li so n eo ft h ev e r y 1 i i 山东大学硕士学位论文 i m p o r t a n tp a r t so fs o l i d s t a t el a s e r s c o m p a r e dw i t hl a s e rg l a s s ，i th a sl o wt h r e s h o l da n d e a s yt ow o r kc o n t i n u o u s l y r e s e a r c ho fl a s e rc r y s t a lw a v e g u i d ef i l mi san e wa r e a ，i n w h i c hi ti si m p o r t a n tt of i n da ne x c e l l e n tl a s e rc r y s t a lw a v e g u i d ef i l m i ti sw e l lk n o w nt i l a to r t h o v a n a d a t e ss u c ha sn d ：y v 0 4a n dn d ：g d v 0 4w h i c h h a v ep a r t i c u l a rl u m i n e s c e n c ep r o p e r t i e sg i v er i s et om u c hb e t c e rl a s e re f f i c i e n c i e sw h e n t h e ya r ep u m p e db yd i o d el a s e r st h a nd o e sn d ：y a g t h es u b s t i t u t i o no fl u t e t i u mi o n s ( l u 3 + ) f o ry t t r i u m ( y 3 + ) o rg a d o l i n i u m ( o d s + ) a sc o n s t i t u t i v ei o n si nt h eh o s tm a t e d a l s h a sa l r e a d yp r o v e dt ob eb e n e f i c i a la c c o r d i n gt os o m er e c e n t r e s u l t s n d ：y v 0 4a n d n d ：g d v 0 4h a v et h es a m ei s o s t r u c t u r a ll a t t i c e s ，a n db e l o n gt op o i n tg r o u p4 m m m ( d 4 h ) 1 n ， 1 j 一、 a n ds p a c eg r o u pd 掘- - 1 4 j a m d n d ：l u v 0 4a n dn d ：o d v o ，s 谗g l ec r y s t a l sh a v eb e e n g r o w nb yc z o c h r a l s k im e t h o di no o l - l a b ，w h i c hw e r et h et a r g e tm a t e r i a l si nt h i s d i s s e r t a t i o n ，a n db yp l dw eo b t a i n e das e r i e so f f i l m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，n d ：l u v 0 4a n dn d ：g d v 0 4f i l m s g r o w t h ，c r y s t a l l i z a t i o n ，s u r f a c e m o r p h o l o g y , t h er a t i oo fc o n t e n to f l ua n dv o rg da n dvi nt h ef i l m s ，t h ee f f e c t i v ei n d e x r e f x a c t i v ea n do t h e rp r o p e r t i e sa r ed i s c u s s e d ，a n dt h ef i l m s o p t i c a lw a v e g u i d ep r o p e r t i e s w e r ec a r r i e do u ti n i t i a l l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eo u t l i n eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss h o w n b e l o w ： 1 t h eg r o w t ho f f i l m s b yp l d ，n d ：l u v 0 4a n dn d ：g d v 0 4o p t i c a lw a v e g u l d l ef i l m sw e r eg r o w nu n d e r d i f f e r e n ta m b i e n tg a s e s ，d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e so fs u b s t r a t c sa n dd i f f e r e n t o x y g e n p r e s s u r e s ，a n ds t u d i e dt h ei n f l u e n c et ot h eq u a l i t yo ft h ef i l l n su n d e ra b o v eg r o w t h c o n d i t i o n s t h r o u g ht h i s ，w ef o u n ds u i tc o n d i t i o n st og r o wf i l m s 2 c r y s t a l l i z a t i o no ff i l m s c r y s t a l l i z a t i o no ff i l m s ，g r o w nu n d e rd i f f e r e n ta m b i e n tg a s e s ，d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s o fs u b s t r a t e sa n dd i f f e r e n to x y g e np r e s s u r e s ，h a sb e e na n a l y z e db yx - r a yd i f f r a c t i o n w e o b s e r v e dt h ef i l m s c r y s t a l l i z a t i o nd i r e c t i o nt o o ，a n da n a l y z e do rc o n f i r m e dt h eg r o w t h c o n d i t i o n sf a r t h e r 3 s u r f a c em o r p h o l o g y 1 1 h es u r f a c em o r p h o l o g yo fn d ：l u v 0 4a n dn d ：g d v 0 4f i l m sw e r ei n v e s t i g a t e db y a f m ，i tw a sf o u n dt h a tt h es u r f a c ei ss m o o t h ，u n i f o r m ，a n dr i oe v i d e n td r o p l e t t h i sk i n d o ff i l m sc a nb eu s e da so p t i c a lw a v e g u i d ef i l m s 4 a n a l y s i sb yu s i n gr b s t v 山东大学硕士学位论文 t h er a t i oo fc o n t e n to fl ua n dvo rg da n dvi nt h ef i l m sw a se s t i m a t e da c c o r d i n gt o t h ey i e l d so fl ua n dvo rg da n dvi nt h er b ss p e c t r a n l er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er a t i o s i nt h ef i l m sw e r ec o n s i s t e dw i t lt h er a t i oo f t h et a r g e tm a t e r i a l s t h j sr e s u l tp r o v e do n eo f t h ea d v a n t a g e so ft h ep l dt e c h n i q u e ，a n da c c o r d i n gt ot h i sw ec a np r e p a r ef i l m so f d e s i r e dc o m p o s i t i o n 5 t h em e a s u r eo f e f f e c t i v ei n d e xr e f r a c t i v e n l ee f f e c t i v ei n d e xr e f r a c t i v eo fe v e r ym o d e w a sm e a s u r e db yp r i s mc o u p l e rm e t h o d a n dt h ef i l m s lo p t i c a lw a v e g u i d e c a p a b i l i t yw a s c a r r i e do u ti n i t i a l l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n 。 k e yw o r d s ：p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n o p t i c a lw a v e g u i d ef i l m sn d ：l u v 0 4 n d ：g d v 0 4a m b i e n tg a s e ss u b s t r a t et e m p e r a t u r eo x y g e np r e s s u r e s u r f a c em o r p h o l o g y e f f e c t i v ei n d e xr e f r a c t i v e v 原创- 性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导i i j i i i i # t ，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：乏i 耋j 丕 日 期：2 1 1 堕! 三8 竺g 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 当今社会对信息的需求急剧增加，刺激着人们对高速率、大容量信息的传输、 存储、交换与处理的研究，因此集成光路应运而生，它是在激光技术发展的过程中 由于光通信、光信息以及光计算机的需要而逐渐形成和发展起来的，采用类似集成 电路的方法，把激光器、调制器、探测器、光波导、耦合器等光学元件以薄膜的形 式集成在同一衬底上，获得具有独立功能的微型光学系统，以实现光信息处理系统 的集成化和微型化。 1 1 集成光学 1 9 6 9 年，“集成光学”( i n t e g r a t e do p t i c s ) 这一概念由美国贝尔实验室的 s e m i l l e r 1 2 正式使用。集成光学是光电子学的一个新兴分支，是- f 与光学、 电子学、固态物理有关的边缘科学，是基于薄膜传输光频波段的电磁能而发展起来 的- i 1 学科，又称薄膜光电子学，是在已有的微波、激光、半导体物理和集成电路 的基础上提出的设想。在集成光学这个系统中，传递信号的载波是光波，系统连接 通过光波导和光纤 3 】，系统的元件是光波导器件 集成光学的研究内容可分为两大类 4 ，一类侧重研究在介质薄膜中的产生耦 合、传播、损耗、放大、探测和参量作用的物理现象，以及与此有关的光波导器件， 故又称为薄膜光波物理学。另一类类似于集成电路，主要研究如何把许多薄膜波导 器件集成在同一衬底材料上，以实现一定的功能，并研究由此构成的集成化微型光 学系统和网络。此外，利用导波原理和技术，改进和提高各种分离光学器件和光学 仪器的性能也是集成光学的研究内容之一。 集成光学的研究内容异常丰富，但其基本组成部分是导波光学和薄膜技术，对 光信号的所有处理，都必须以光在薄膜中能够传导为前提。由此可见光波导在整个 集成光学中的重要作用。 集成光学器件主要应用 5 于光计算机技术、光学信息处理和光通信技术领域， 目前正在向波导集成和光电子单片集成( o e i c ) 两个方向迅速发展。由于集成光学器 件具有高效率、高频率、低功耗、长寿命、高可靠性、多功能、微小尺寸、易集成、 山东大学硕士学位论文 易批量、低成本产出、易与电子器件特别是半导体微电子器件相兼容等特点，所以 在光电子技术领域有着独特的关键性地位。现代集成光学技术已经把光源、光波导、 电子器件、电光器件和接收器等集成在同一块片子上，制成高速、低功率的各种运 算器件和逻辑开关器件。面向2 1 世纪的集成光学器件将趋向于大规模集成化，其发 展将充分考虑各种应用需求，以开拓和完善相应的集成光学器件，并加速其产业化 进程。可以预见，随着集成光学日新月异的发展，信息技术领域将实现一次又一次 的飞跃。 1 2 薄膜光波导 在集成光路中，把各个分立元件连接起来的关键元件就是光波导。研究光波在 波导中的传输特性显然是集成光学的理论基础之一。薄膜光波导是利用光在折射率 不同的两种物质的界面上会发生全反射的原理将光波限制在微米量级的薄膜内传 输，这同时也是全光传输的基础。 1 2 1 薄膜光波导的分类 一光波导的种类很多，有平面波导，条形波导，周期性波导，金属包覆波导，弯 曲波导等，其中最简单的光波导在横向上只有一维限制，即平面波导或薄膜光波导 【6 】。一个薄膜波导是由三层介质组成的：覆盖层，薄膜和衬底；其界面相互平行， 且除有特殊规定外，都平行于x y 平面。中间介质膜的典型厚度只有几微米，更重 要的是，薄膜的折射率比衬底和空气的折射率都大。如图1 一l 所示：n l r l 赴n 3 ，最 后一式的等号成立时为对称平面光波导，“ ”成立时为非对称平面光波导。由于覆 盖层很多情况下是空气，所以n 3 = l ，因而常见的光波导属于非对称型平面光波导。 2 山东大学硕士学位论文 平覆疆导豹侧视圈 ( b ) 图i l( a ) 厚度为w 折射率为n l 的平面光波导 ( b ) 平面波导的侧视图 如图1 2 所示，光在平板波导中传播时分为三种情况【7 】，设波导属于非对称 型，则有n l n 2 ，1 1 3 ，相应的存在两个临界角：一个是使光线在薄膜一基质界面上发生 全反射的0 。1 2 ，另一个是使光线在薄膜一覆盖层发生全反射的0 。1 3 。对于较小的入射 角o i ，当o i o 。1 2 ，0 。1 3 时光线由基质一侧入射，相互经历两次界面折射后由覆盖层逃 逸，如( a ) 所示，称之为辐射波；当0 i 增加，达到e 。1 3 e i o 。1 2 ，e c l 3 时，光线在两个界面处均发 生全反射，薄膜内的光将被约束在其中按“z 形路线传播，如( c ) 所示，称为传导 波。 光波在乎板菠导中传播的图像 图1 2 i 2 2 薄膜光波导的研究背景 集成光路早期的基本构想首先是把光波约束在有限空间的薄膜光波导内传播； 利用薄膜光波导可以构成包括光源探测器、调制器、分束器、透镜和反射镜等一系 列有源和无源薄膜光波导器件；采用类似集成电路的微加工技术，将这些薄膜光波 导器件集成在同一基板上，从而构成具有特定功能的光路系统【8 】。这种集成光学系 统与传统的光学器件系统相比，具有体积小、质量轻、坚固紧凑、无须人工对准适 宜平面工艺大批量生产和降低成本等优点。 山东大学硕士学位论文 薄膜光波导最早的研究则可追溯到19 1 0 年，由h o n d r o s 和d c b y e 关于电介质 棒的研究工作。后来的研究主要针对微波工程应用的介质薄膜光波导，直到激光问 世，才真正开始了薄膜光波导的研究。在6 0 年代中对波导理论、薄膜光波导的测量、 薄膜光波导耦合方法进行了比较全面和深入的研究【9 】。在7 0 年代开发出各种薄膜 光波导器件，当时研究的薄膜光波导材料和器件比较集中于玻璃和晶体等电介质材 料 1 0 】。由于这些材料不能构成激光器和探测器，因而开发的集成光学系统以混合 集成为主。进入8 0 年代，更多转向半导体薄膜光波导器件的研究 1 l 】，特别是对激 光器集成化的研究，并将光电子集成和光子集成提上日程。进入9 0 年代，为了满足 实际应用的要求，光集成系统在原来的二维薄膜波导结构的基础上进一步向三维结 构以及一维全光纤结构发展，并进一步演变为光电机综合系统。 1 2 3 制各薄膜光波导的方法及材料要求 “ 正是由于光波导的重要应用价值，人们已发展了许多方法来研制光波导，优化 实验条件，改进实验方法，从而提高波导质量。薄膜制备技术种类繁多，制各波导 薄膜的手段也是多种多样i 拘 1 2 1 1 3 1 1 4 。基本分为两类：类是在衬底上沉积一种 折射率较大材料的沉积法，具体工艺有化学气相沉积法、溶胶凝胶法、溅射法、液 相外延、分子束外延、脉冲激光沉积法等；另一类是改变村底部分区域折射率的所 谓埋入法，具体工艺有扩散离子注入和离子交换等方法。 沉积法制备光波导薄膜的方法较多，下面简单介绍其中几种应用较广泛的方法。 化学气相沉积法是高温下的气相反应。这种技术最初是作为涂层的手段而开发 的，但目前，不只是应用于耐热物质的涂层，而且应用于高纯金属的精制，粉末合 成，半导体薄膜等。在制各光波导薄膜中该工艺主要不足是设备复杂，波导的传输 损耗较高，约0 1 d b c m 。 溶胶凝胶法是6 0 年代发展起来的一种制备玻璃陶瓷等无机材料的新方法。近年 来有许多人利用此法制各纳米复合薄膜和薄膜光波导。其基本步骤是先用金属无机 盐或有机金属化合物在低温下液相合成溶胶，然后采用提拉法或旋涂法，使溶液吸 附在衬底上，经胶化过程成为凝胶，凝胶经一定温度处理后即可得到纳米复合薄膜 和薄膜光波导。此法的最大优点是操作简单成膜容易但溶胶凝胶制备的薄膜不均匀 易开裂。 溅射法是在低气压下，让离子在强电场的作用下轰击膜料，使表面原子相继逸 4 山东大学硕士学位论文 出，沉积在载体上从而形成薄膜的方法。溅射法在制备薄膜上有很多优点，如在溅 射过程中膜料没有相态变化，化合物的成分不会改变，溅射材料粒子的动能大，能 形成致密，附着力强的薄膜等。但该方法的使用范围较小，只适用于单质或化合物。 扩散法制备的薄膜光波导，其非线性系数较大，光导性好，但生长高质量的薄 膜光波导还比较困难，而且制成的波导损耗也比较大。离子注入和离子交换法制备 的薄膜玻璃光波导有比较好的光学质量和导光性能，机械性能好，但它没有电光磁 光等性能，不宜制作有源集成光路。 近年来，出现了一种新的薄膜制备技术，即脉冲激光沉积技术，它是各种制备 薄膜方法中最简单、使用范围最广、沉积速率最高的。由于该方法与其他方法相比 有其独特特点，所以已成为被广泛采用和研究的重要制膜技术。 以上这些方法各有特点，不仅形成光波导的机理有较大差别，而且适用材料的 范围也不尽相同。薄膜光波导是集成光路的基本组成器件，而薄膜材料是制造结构 器件的基础，因而薄膜生长在微1 j r n - 技术中占有重要地位。不同的器件对膜厚的要 求差别很大，可以从不到l r t m 的单分子直到几个光波波长数微米或更大厚度。同时， 薄膜的表面和界面状况，晶体结构和晶体排列，化学成分和膜厚结构以及各种物理 性能等都对器件的功能由直接的影响。制作薄膜光波导的材料，一般的说，应满足 如下条件：传输损耗小，对工作波段有良好的透光性；不仅能传输光，而且有发光、 调制光和接收光等多种功能，以便在衬底上用同一种材料做成多种元件：具有一定 的折射率，以便与衬底间形成合适的折射率差：性能稳定，能可靠的工作：工艺简 单，成膜容易。 1 3 脉冲激光沉积技术 比较起来，所有这些方法中p l d 技术的适用范围最为广泛，它不仅在生长氧化 物薄膜上有着独特的优势。而且还适用于制各碳化物、氢化物、半导体、硼化物、 氟化物、硅化物、硫化物等多种材料薄膜 1 5 1 。 1 3 1p l d 技术的特点【1 6 1 1 1 7 】 p l d 技术除具有应用范围广这一优点外，还具有一些引人注目的特点，例如： ( 1 ) 易于使膜与靶材料的成分基本一致：这是p l d 的最大优点区别与其他一些制膜 山东大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! 苎苎! 竺竺! ! ! ! ! ! 皇! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺竺! ! ! ! 技术的最主要标志。 ( 2 ) 生长过程中能够原位引入的气体种类较多；而且气氛气体( a m b i e n tg a s ) 的压 强调节范围较大。这是其他技术无法比拟的，气氛气体的引入对于提高薄膜质 量具有重要的意义。 ( 3 ) 容易制备多层膜和异质结；由于p l d 系统中，一般具有多个靶位，这种结构为 制备多层膜或异质结提供了极大方便。只要简单地更换靶就可实现。 ( 4 ) 蒸发物离子、原子的能量高，可蒸发金属半导体陶瓷材料等无机难熔材料；p l d 所产生的蒸发物中，离子的能量高达l 1 0 0 0 e v 。中性原子的能量也可达1 一 l o e v 。这一特点非常有利于晶体薄膜的生长，并且大大降低了薄膜结晶所需的 衬底温度。 ( 5 ) - f 艺简单、易于控制、灵活性大；在p l d 技术中，影响膜生长的主要参数是激 光脉冲的能量、衬底的温度和气氛气体的压强等。而这些参数在p l d 系统中都 很容易控制。因此操作起来比较容易。 ( 6 ) 沉积速率高。p l d 技术中，薄膜的沉积速率比较容易控制，提高脉冲的频率， 即增加单位时间内激光器输出激光脉冲的次数，就可增大烧蚀速度。从而加快 薄膜的沉积。 ( 7 ) 污染小；由于激光与靶相互作用所产生的等离子体在向衬底输送过程中受到局 限，因此蒸发物对整个沉积腔的污染耍小得多，因而对后续成膜的污染也相应 地减轻。 尽管p l d 技术有如上所述的众多优点，人们对这项技术给予了极高的评价，但 这一技术也不是没有自己的局限性。其主要不足是： ( 1 ) 薄膜表面容易产生颗粒物。p l d 技术制备的薄膜经常在膜表面上存有微米一亚微 米量级的颗粒，这主要是因为羽焰中存有微滴。这对实现薄膜的外延生长，提 高薄膜的质量是非常不利的。改进的方法是调整沉膜时衬底的位置、调整沉积 速率等。 ( 2 ) 所制备的样品面积较小。由于受羽焰大小的限制，要制各较大两积的均匀膜是 非常困难的，通常样品的面积约为i x l c m 2 。超过这一尺寸薄膜的均匀性就难以 保证。 1 3 2p l d 技术的研究背景 6 山东大学硕士学位论文 l i r a 激光器的发明在6 0 年代，该发明对人类社会产生了极其巨大的影响。由于激光 束具有很大的能量密度。因此，当激光束和其他材料相互作用时，就会使材料在形 态、结构、性质等各方面，瞬间产生巨大变化，强的激光脉冲可以将材料在极短的 时间内气化、电离等，使材料主要以等离子体的形式被剥蚀。正是激光束的这些特 点，启发了人们进行使用激光烧蚀的方法来沉积材料薄膜的探索，这种探索导致了 一种新的薄膜沉积方法的诞生，这就是脉冲激光沉积( p l d p u l s e dl a s e r d e p o s i t i o n ) 但p l d 作为一种薄膜沉积技术的兴起却是8 0 年代后期的事【1 8 】。 进入8 0 年代，随着激光器性能的不断提高，p l d 技术的应用更加广泛，但由于 受到当时半导体技术发展的影响，应用该技术最多的领域是半导体材料薄膜的制备。 8 0 年代后期，脉冲宽度为几十个纳秒( n s ) ，而瞬时功率可达几十个千兆瓦( g w ) 的准分子激光器已经易于获得，这为该技术的广泛应用奠定了基础。1 9 8 7 年， d 日k k 枷p 等人用p u ) 技术制备高温超导材料时所获的巨大成功f 1 9 】，激起了人们应用 p l d 技术制备各种化合物薄膜的极大热情。正是从这时开始，该技术在制备多元氧 化物薄膜的优势才逐渐被人们所认识。目前该技术不仅应用更加广泛，而且技术本 身也更加精细，本文选用该技术制备光波导薄膜的原因也正在于此。 1 3 3p l d 技术的制膜机理 2 0 1 1 2 1 2 2 1 图1 3 即是典型的p l d 系统的原理示意图，在制膜腔内，用透镜将一束强脉冲激 光汇聚成一个很小的光斑，打在靶材料上，受到激光光斑照射的靶材料瞬时被气化、 电离，形成一团等离子体，高速向外喷射，从而在衬底上沉积一层薄膜。但仔细研 究其中的物理过程却是相当复杂的，涉及到激光与物质相互作用，等离子体在空间 的传输，分子动力学及薄膜生长多个物理领域。p l d 技术的成膜过程大体分三个阶段。 ( 1 ) 激光与靶相互作用 激光与物质的相互作用涉及物质对激光的吸收、物质的蒸发、电离以及激光与 蒸发物的相互作用等过程。当激光辐射在凝聚态材料上时，其能量被材料吸收，在 材料的近表面层温度急剧升高，使一部分材料气化蒸发，同时- 4 , 部分热量向材料 的内部传递，但因脉冲激光的脉冲持续时间很短( 约几十个纳秒) ，因此向材料内部 传导的热量很少，深度也很浅。由于蒸气的温度很高，而且激光束中存有较强的电 场，足以使蒸发气体中绝大多数的原子电离，从而形成等离子体。由于蒸发物中离 子、分子密度很高，可达l o “一1 0 ”c m 3 ，又具有很高的温度( 达2 0 0 0 0 k ) 足以产生可 山东大学硕士学位论文 o b s e r , a t i o np o r t1 t s t rb e a m 图1 3 脉冲激光沉积典型装置原理示意图 观的相互碰撞，结果会使蒸发物粒子的速度重新进行分布，在靶表面附近形成一个 所谓的k n u d s e n 层。正是由于这个原因导致了激光使靶的蒸发不同于一般意义上的蒸 发，而是人们通常所说的激光烧蚀。由于脉冲总是要持续一段时间，靶材料表面附 近( 约卜1 岬) 的致密蒸发粒子，会对后续激光的能量产生吸收，使自身的温度进一步 升高，从而大大地增强了本身的辐射能力。这就是激光烧蚀中的等离子体的屏蔽效 应。总之，在靶材料上，强激光的辐照，会在靶表面附近形成一簇高密度、高浓度 同时又是高速运动的蒸发粒子团，这个蒸发粒子团里主要是离子，也包括一些分子， 团簇及微米级颗粒物等。这些粒子向四周迸发，看起来象一个羽毛状的发光椭球团。 被形象地称为“羽焰”( p l u m e ) 。羽焰是强激光与靶材料相互作用时的特有产物。 ( 2 ) 烧蚀物在空间的传输 在激光脉冲与靶材料相互作用结束时，被激光烧蚀脱离靶的烧蚀产物主要以等 离子体的形式集中在靶表面的附近，密度和温度都很高，并且以约1 0 5 _ 1 0 6 c m s 的速 度向外传输，通常也称为羽焰的传输。羽焰的运动可用激波模型来描述 2 3 2 4 2 5 。 这个模型最初是用来描述在均匀气氛中瞬间释放巨大能量后在气氛中形成的强激波 的运动，经典的运动方程由t a y l o r 和s e d o v 所推导，故简称为t s 理论，该理论认为， 在零时刻释放能e 后，在密度为p 。的气体中所激发的激波的运动可由下述方程表示： r = o l “) ( e p o ) “5 t “5 ( 1 1 ) 其中： a ( y ) = ( 7 5 1 6 x ) ( r 1 ) ( p 1 ) 2 (