[發(fā)明專利]一種激光脈沖沉積系統(tǒng)及加工方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110653625.8
• 申請(qǐng)日: 2021-06-11
• 公開（公告）號(hào): CN113463045B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 秦應(yīng)雄;李曉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/34
• 分類號(hào): C23C14/34;C23C14/54
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 徐美琳

本發(fā)明公開了一種激光脈沖沉積系統(tǒng)及加工方法，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。系統(tǒng)包括依次連接的脈沖光源、掃描光路模塊和真空沉積模塊，脈沖光源發(fā)出的光束入射至掃描光路模塊，經(jīng)過掃描光路模塊聚焦后斜入射至真空沉積模塊，掃描光路模塊用于使真空沉積模塊內(nèi)靶材表面任意位置的光斑保持均勻大小，聚焦光斑在靶材表面掃描過程中，襯底與靶材距離保持不變，實(shí)現(xiàn)均勻光斑脈沖沉積。本發(fā)明提供的激光脈沖沉積系統(tǒng)及加工方法通過控制掃描光路模塊，對(duì)靶材表面不同區(qū)域進(jìn)行脈沖濺射，實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積、高均勻性薄膜的高效加工。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種激光脈沖沉積系統(tǒng)及加工方法。

背景技術(shù)

脈沖激光沉積(Pulse Laser Deposition)技術(shù)是目前制備高溫超導(dǎo)、半導(dǎo)體、鐵電、類金剛石及陶瓷等薄膜的重要技術(shù)之一，該技術(shù)具有可制備高熔點(diǎn)、復(fù)雜成分薄膜及加工方式清潔且易于控制等特點(diǎn)。脈沖激光沉積技術(shù)的主要原理為將脈沖激光器產(chǎn)生的超快超強(qiáng)脈沖激光聚焦于靶材表面，使其表面瞬間產(chǎn)生高溫及燒蝕，進(jìn)一步生成高溫高壓等離子體。等離子體定向局域絕熱膨脹，沿靶材表面法線方向向襯底發(fā)射，在襯底上沉積形成薄膜。

隨著薄膜工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)PLD制備的薄膜也提出了一些新的要求和待解決的問題。具體在于：由于一般激光聚焦光分布為高斯分布，產(chǎn)生的等離子體主要集中于光斑聚焦區(qū)域，直接導(dǎo)致無法制備大面元的薄膜和薄膜厚度及成分的均勻性較差，雖然通過控制靶材和基片相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一定程度上改善薄膜質(zhì)量，但對(duì)系統(tǒng)成本及穩(wěn)定性提出了新的問題；其次，由于沉積參數(shù)的復(fù)雜機(jī)理，在薄膜沉積過程中，其表面存在微米——亞微米尺度的顆粒物污染，同樣會(huì)導(dǎo)致薄膜均勻性變差，雖然通過基于速率不同的機(jī)械屏蔽技術(shù)來減少顆粒物，但卻降低了沉積速率。實(shí)質(zhì)上的解決方法要從激光與靶材的相互作用的物理過程著手，深入研究液滴的產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)而調(diào)整沉積參數(shù)，從根本上減少薄膜顆粒物的污染。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種激光脈沖沉積系統(tǒng)及加工方法，旨在解決目前脈沖激光沉積技術(shù)制備薄膜過程中面元較小、膜層均勻性較差、薄膜沉積速率較低的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一方面，提供了一種激光脈沖沉積系統(tǒng)，包括依次連接的脈沖光源、掃描光路模塊和真空沉積模塊，所述脈沖光源發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后入射至所述掃描光路模塊，再經(jīng)過所述掃描光路模塊后斜入射至真空沉積模塊，所述掃描光路模塊用于使真空沉積模塊內(nèi)靶材表面任意位置的光斑保持均勻大小，聚焦光斑在靶材表面掃描過程中，襯底與靶材距離保持不變，實(shí)現(xiàn)均勻光斑脈沖沉積。

進(jìn)一步地，對(duì)于市場(chǎng)上常見地脈沖沉積系統(tǒng)，其脈沖光源多為波長(zhǎng)為248nm的準(zhǔn)分子激光器，但其體積龐大，價(jià)格較高，且難以獲得大面積的均勻薄膜；但本發(fā)明使用的脈沖光源則為價(jià)格低廉的低能量、高重頻全固態(tài)激光器，可采用1064nm/1030nm基頻至213nm/206nm五倍頻等多個(gè)波段的激光光源一種或多種光源組合的形式進(jìn)行等薄膜材料的沉積。與準(zhǔn)分子激光光源相比，極大地降低了沉積系統(tǒng)的成本，且在膜層一致性、均勻性和顆粒物問題上取得了極大地改善。

進(jìn)一步地，掃描光路模塊包括45°反射鏡、一維振鏡、平場(chǎng)聚焦透鏡以及可移動(dòng)光學(xué)平臺(tái)單元，脈沖光源發(fā)出的光束經(jīng)45°反射鏡反射至一維振鏡，再經(jīng)過一維振鏡反射至平場(chǎng)聚焦透鏡，所述一維振鏡在一定角度范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)，所述可移動(dòng)光學(xué)平臺(tái)在與一維振鏡掃描相互垂直的維度整體移動(dòng)掃描光路模塊，實(shí)現(xiàn)聚焦光斑在二維平面內(nèi)均勻分布掃描。

有益效果：通過電機(jī)控制一維振鏡在一定角度范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)，光束經(jīng)一維振鏡反射后以不同的角度入射至平場(chǎng)聚焦透鏡，在靶材表面不同位置形成均勻大小的聚焦光斑。當(dāng)一維振鏡控制聚焦光斑在靶材表面在某一維度移動(dòng)時(shí)，可移動(dòng)光學(xué)平臺(tái)帶動(dòng)掃描光路模塊在與一維振鏡掃描相互垂直的維度整體平行移動(dòng)，聚焦光斑在二維平面內(nèi)均勻分布掃描。通過程序控制可移動(dòng)光學(xué)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍和一維振鏡的偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸薄膜的加工，同時(shí)提高薄膜沉積速率和薄膜沉積的均勻性。