[發(fā)明專利]一種薄膜組分在薄膜表面方向連續(xù)變化的多激光沉積薄膜的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711461103.8
• 申請(qǐng)日: 2017-12-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108193176A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程勇;陸益敏;郭延龍;黃國(guó)俊;萬(wàn)強(qiáng);劉旭;黎偉;田方濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C23C14/34
• 分類(lèi)號(hào): C23C14/34;C23C14/02;C23C14/54
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務(wù)所 42001
• 代理人: 王敏鋒

本發(fā)明公開(kāi)了一種薄膜組分在薄膜表面方向連續(xù)變化的多激光沉積薄膜的方法，該方法采用多激光束同時(shí)燒蝕不同靶材，形成相應(yīng)等離子體，所有激光燒蝕點(diǎn)呈直線排列，位于這些等離子體前方的襯底直接地接收各種粒子，在其表面形成組分比例不均勻的多組分薄膜。由于激光燒蝕靶材形成的等離子體極不均勻，呈圓錐形連續(xù)漸變分布，因此襯底上的多組分薄膜在襯底表面上呈現(xiàn)表面不同位置各組分含量連續(xù)漸變的分布形態(tài)：越接近多激光束產(chǎn)生的等離子體的合成中心，各組分含量越接近；越靠近某一激光束產(chǎn)生的等離子體的軸線，該激光束燒蝕的靶材組分在膜層中的含量越高，保證了多組分薄膜內(nèi)部組分比例連續(xù)變化的有序性和一個(gè)方向上的均勻性，便于測(cè)試和分析。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種薄膜組分在薄膜表面方向連續(xù)變化的多激光沉積薄膜的方法。

背景技術(shù)

脈沖激光沉積功能薄膜，其原理在于利用高能脈沖激光燒蝕靶材，形成高能粒子流，即等離子體，這些高能粒子飛行到襯底表面，冷凝形成功能薄膜。由于等離子體分布呈高斯或類(lèi)高斯?fàn)睿臻g分布極不均勻，因此，襯底上的膜層不均勻。這一特點(diǎn)是阻礙激光沉積技術(shù)制備大面積功能薄膜工程應(yīng)用的障礙之一，但它也為實(shí)現(xiàn)薄膜組分薄膜表面方向連續(xù)變化的簡(jiǎn)單方法提供了有利條件。相關(guān)專利記載了利用激光沉積技術(shù)的這一特點(diǎn)，固定單束激光燒蝕位置不變，而多個(gè)靶材通過(guò)間歇性公轉(zhuǎn)被激光束依次燒蝕，襯底則隨著靶材的更換而改變接收位置，以保證形成每種材料形成的等離子體在襯底上都有一個(gè)固定的對(duì)應(yīng)點(diǎn)；通過(guò)循環(huán)以上操作，最終獲得組分薄膜表面方向連續(xù)變化的薄膜。這種方法存在以下幾點(diǎn)缺點(diǎn)：第一，對(duì)設(shè)備自動(dòng)化要求較高，由于循環(huán)次數(shù)極多，靠人工實(shí)現(xiàn)很不現(xiàn)實(shí)；第二，對(duì)襯底自轉(zhuǎn)的角度精度要求非常高，如果自轉(zhuǎn)的角度精度偏低，在極多次循環(huán)中，等離子體中心在襯底上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)位置將不能重復(fù)，從而導(dǎo)致組分變化規(guī)律紊亂；第三，由于靶材公轉(zhuǎn)所需的機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)大于材料在激發(fā)態(tài)化合的時(shí)間，使得多種材料形成各自膜層后很難再進(jìn)行有效地化合作用，因此這種方法只適合應(yīng)用于多組分混合物薄膜的制備，不適合應(yīng)用于多組分化合物薄膜的制備。中國(guó)發(fā)明專利《用于批量合成復(fù)合材料的多元脈沖激光沉積系統(tǒng)和方法》(專利申請(qǐng)?zhí)?01510046669.9)也利用類(lèi)似思想，只不過(guò)是固定襯底與靶材不動(dòng)，而采用外部光路變換的辦法使激光束可以燒蝕不同靶材。這種方法也存在以上三個(gè)類(lèi)似問(wèn)題，即對(duì)設(shè)備自動(dòng)化要求較高、對(duì)外部光路的機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度要求極高、很難實(shí)現(xiàn)多組分化合物薄膜的制備。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有薄膜制備技術(shù)不能制備表面方向連續(xù)變化薄膜的問(wèn)題，提供了一種可實(shí)現(xiàn)薄膜組分沿薄膜表面方向連續(xù)變化的多激光沉積方法，本方法采用多激光束同時(shí)燒蝕靶材的設(shè)計(jì)，可使等離子體中心與襯底上對(duì)應(yīng)區(qū)域一維運(yùn)動(dòng)，保證了多組分薄膜內(nèi)部組分比例連續(xù)變化的有序性和一個(gè)方向上的均勻性，便于測(cè)試和分析。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：

一種薄膜組分在薄膜表面方向連續(xù)變化的多激光沉積薄膜的方法，包括如下步驟：

(1)清洗襯底；

(2)調(diào)試激光：襯底放置在靶材前方，啟動(dòng)激光器，發(fā)射2～3束激光束，經(jīng)聚焦分別燒蝕真空室內(nèi)相應(yīng)數(shù)量的靶材，產(chǎn)生各自相應(yīng)的等離子體，調(diào)整各激光束在對(duì)應(yīng)靶材上的燒蝕位置，呈直線分布，調(diào)整結(jié)束后關(guān)閉激光器；

(3)沉積：在真空條件或者一定氣壓的環(huán)境氣氛下，使用2～3束激光光束，分別燒蝕對(duì)應(yīng)的靶材，并調(diào)整各激光束的參數(shù)，使脈沖激光束照射在靶材表面，沉積1～200min從而在襯底上沉積出薄膜表面方向組分連續(xù)變化的薄膜；所述襯底沿垂直于激光燒蝕點(diǎn)連線的方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，往復(fù)頻率低于脈沖激光重復(fù)頻率十分之一以下。

其中，所述步驟(1)中，襯底可以是一個(gè)，也可以是處于同一平面上的若干個(gè)襯底。

所述步驟(2)中，所需數(shù)量的激光束可以是相應(yīng)臺(tái)數(shù)激光器同時(shí)發(fā)射實(shí)現(xiàn)，也可以是少于所需激光束數(shù)量的1臺(tái)或多臺(tái)激光器同時(shí)發(fā)射、而后全部或部分激光束經(jīng)過(guò)分束實(shí)現(xiàn)。