一种激光脉冲沉积系统及加工方法与流程

1.本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种激光脉冲沉积系统及加工方法。


背景技术：

2.脉冲激光沉积(pulse laser deposition)技术是目前制备高温超导、半导体、铁电、类金刚石及陶瓷等薄膜的重要技术之一，该技术具有可制备高熔点、复杂成分薄膜及加工方式清洁且易于控制等特点。脉冲激光沉积技术的主要原理为将脉冲激光器产生的超快超强脉冲激光聚焦于靶材表面，使其表面瞬间产生高温及烧蚀，进一步生成高温高压等离子体。等离子体定向局域绝热膨胀，沿靶材表面法线方向向衬底发射，在衬底上沉积形成薄膜。
3.随着薄膜工业技术的发展，对pld制备的薄膜也提出了一些新的要求和待解决的问题。具体在于：由于一般激光聚焦光分布为高斯分布，产生的等离子体主要集中于光斑聚焦区域，直接导致无法制备大面元的薄膜和薄膜厚度及成分的均匀性较差，虽然通过控制靶材和基片相对运动，一定程度上改善薄膜质量，但对系统成本及稳定性提出了新的问题；其次，由于沉积参数的复杂机理，在薄膜沉积过程中，其表面存在微米——亚微米尺度的颗粒物污染，同样会导致薄膜均匀性变差，虽然通过基于速率不同的机械屏蔽技术来减少颗粒物，但却降低了沉积速率。实质上的解决方法要从激光与靶材的相互作用的物理过程着手，深入研究液滴的产生机理，进而调整沉积参数，从根本上减少薄膜颗粒物的污染。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光脉冲沉积系统及加工方法，旨在解决目前脉冲激光沉积技术制备薄膜过程中面元较小、膜层均匀性较差、薄膜沉积速率较低的问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种激光脉冲沉积系统，包括依次连接的脉冲光源、扫描光路模块和真空沉积模块，所述脉冲光源发出的光束经准直扩束后入射至所述扫描光路模块，再经过所述扫描光路模块后斜入射至真空沉积模块，所述扫描光路模块用于使真空沉积模块内靶材表面任意位置的光斑保持均匀大小，聚焦光斑在靶材表面扫描过程中，衬底与靶材距离保持不变，实现均匀光斑脉冲沉积。
6.进一步地，对于市场上常见地脉冲沉积系统，其脉冲光源多为波长为248nm的准分子激光器，但其体积庞大，价格较高，且难以获得大面积的均匀薄膜；但本发明使用的脉冲光源则为价格低廉的低能量、高重频全固态激光器，可采用1064nm/1030nm基频至213nm/206nm五倍频等多个波段的激光光源一种或多种光源组合的形式进行等薄膜材料的沉积。与准分子激光光源相比，极大地降低了沉积系统的成本，且在膜层一致性、均匀性和颗粒物问题上取得了极大地改善。
7.进一步地，扫描光路模块包括45
°
反射镜、一维振镜、平场聚焦透镜以及可移动光学平台单元，脉冲光源发出的光束经45
°
反射镜反射至一维振镜，再经过一维振镜反射至平
场聚焦透镜，所述一维振镜在一定角度范围内偏转，所述可移动光学平台在与一维振镜扫描相互垂直的维度整体移动扫描光路模块，实现聚焦光斑在二维平面内均匀分布扫描。
8.有益效果：通过电机控制一维振镜在一定角度范围内偏转，光束经一维振镜反射后以不同的角度入射至平场聚焦透镜，在靶材表面不同位置形成均匀大小的聚焦光斑。当一维振镜控制聚焦光斑在靶材表面在某一维度移动时，可移动光学平台带动扫描光路模块在与一维振镜扫描相互垂直的维度整体平行移动，聚焦光斑在二维平面内均匀分布扫描。通过程序控制可移动光学平台的运动范围和一维振镜的偏转角度，实现对不同尺寸薄膜的加工，同时提高薄膜沉积速率和薄膜沉积的均匀性。
9.进一步地，真空沉积模块包括真空腔、靶材、入射窗；靶材和目标样品均位于真空腔内，入射窗位于真空腔上；靶材与入射光束呈倾斜放置，即入射光束通过入射窗斜射入至靶材表面。
10.进一步地，所述靶材为复合靶材，靶材的不同区域可由不同材料单元构成，材料单元的分布可自主设计，通过不同组合的设计，不仅实现靶材可沉积复合多组分膜层，还可以极大地提高沉积薄膜的膜层组分的均匀性。
11.进一步地，所述衬底为可移动衬底，当靶材溅射出的高温等离子体在当前衬底工作表面沉积为均分分布的薄膜时，通过电机使衬底工作表面发生平行移动，使处于靶材上方的衬底为未被沉积的材料表面。通过衬底工作表面的平移，可以实现在某一维度无限大的薄膜沉积。
12.进一步地，所述脉冲沉积系统还包括准直扩束元件，位于脉冲光源和扫描光路模块之间，用于对脉冲光源发出的光束准直扩束。
13.进一步地，所述脉冲沉积系统还包括衍射光学元件，通过衍射光学元件叠加一定的倾斜相位，使脉冲光源发出的光束经衍射光学元件倾斜相位调制后，聚焦光斑分布由高斯型变为能量分布近似均匀的多焦点组合矩形光斑。
14.有益效果：多焦点组合矩形光斑的光场和温度场均匀性与平顶矩形光斑接近，与高斯聚焦光斑的情况相比，聚焦光斑的光场与温度场均匀性改善明显。同时，多焦点组合矩形光斑的抗失调特性相对平顶矩形光斑显著提高。运用多焦点组合矩形光斑与扫描光路模块结合，实现在靶材任意位置处聚焦光斑均为均匀分布。
15.进一步地，通过在真空腔上增加入射窗的方式，使用多路激光脉冲沉积系统来对复合靶材进行脉冲沉积，不同光路的扫描光路模块可与不同波长的全固态光源相匹配，满足不同靶材及不同膜层组分的脉冲溅射需求，实现对靶材同时进行脉冲沉积。
16.有益效果：通过双光路及多光路系统并行加工，不仅极大地提高沉积薄膜的沉积速率和薄膜的面元，还可以通过减少液滴及颗粒物的产生极大提高薄膜膜层的均匀性。
17.按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述激光脉冲沉积系统的加工方法，包括以下步骤：
18.(1)搭建所述激光脉冲沉积系统，根据靶材成分特性计算光束的输出功率；
19.(2)通过移动扫描光路模块来控制光束准直聚焦于靶材表面不同位置；
20.(3)调节一维振镜的扫描速度和可移动光学平台的位移速度控制聚焦光斑在靶材不同位置的停留时长，以获得薄膜成分的不同化学计量比。
21.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
22.(1)本发明提供的激光脉冲沉积系统及加工方法通过控制扫描光路模块，对靶材表面不同区域进行脉冲溅射，实现对大面积、高均匀性薄膜的高效加工。
23.(2)本发明提供的激光脉冲沉积系统及加工方法通过控制复合靶材设计与扫描光路模块扫描范围相组合，实现多组分薄膜的制备。
24.(3)本发明通过衍射光学元件设计多焦点组合矩形光斑，极大提高了光场均匀化分布，减少沉积薄膜过程中大颗粒物的产生，提高膜层一致性质量；多焦点组合矩形光斑具有良好的抗失调特性，提高了沉积大面积薄膜的均匀性。
25.(4)本发明激光器光源为全固态脉冲激光器，与其他技术使用准分子激光器相比，降低了器件成本。
26.(5)本发明通过多路激光脉冲沉积系统与不同工作波长的全固态光源组合使用，满足不同靶材材料的溅射要求，进一步增大沉积薄膜的尺寸，极大提高薄膜沉积效率。
附图说明
27.图1是本发明实施例提供的一种脉冲激光沉积系统的结构示意图；
28.图2是本发明实施例一维振镜扫描靶材示意图；
29.图3是本发明电机控制扫描光路模块整体移动扫描靶材示意图；
30.图4是本发明复合靶材表面成分分布示意图；
31.图5是本发明聚焦光斑在靶材上扫描示意图；
32.图6是本发明可平行移动衬底结构运动示意图；
33.图7(a)是激光光束未经衍射光学元件调控光场分布图；
34.图7(b)是本发明衍射光学元件调控四焦点组合矩形光斑光场分布图；
35.图8是本发明双光路激光脉冲沉积系统并行加工示意图。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
37.本发明提供了一种激光脉冲沉积系统，包括依次连接的脉冲光源、扫描光路模块和真空沉积模块，所述脉冲光源发出的光束经准直扩束后入射至所述扫描光路模块，再经过所述扫描光路模块后斜入射至真空沉积模块，所述扫描光路模块用于使真空沉积模块内靶材表面任意位置的光斑保持均匀大小，使得光斑在靶材表面扫描过程中，衬底与靶材距离保持不变，实现均匀光斑脉冲沉积。
38.本发明还提供了一种基于上述激光脉冲沉积系统的加工方法，包括以下步骤：
39.(1)搭建所述激光脉冲沉积系统，根据靶材成分特性计算光束的输出功率；
40.(2)通过移动扫描光路模块来控制光束准直聚焦于靶材表面不同位置；
41.(3)调节一维振镜的扫描速度和可移动光学平台的位移速度控制聚焦光斑在靶材不同位置的停留时长，以获得薄膜成分的不同化学计量比。
42.实施例
43.如图1所示，本发明实施例提供的一种新型激光脉冲沉积系统包括高重频、低能量全固态激光器1、45
°
反射镜2、用于可移动光学平台7移动的第一电机与导轨3、一维振镜4、驱动振镜振动的第二电机5、标准平场聚焦透镜6、可移动光学平台7、入射窗口8、真空腔体9、靶材10、衬底11、衍射光学元件12、准直扩束元件13、转轴14、带有电机的转轴15。
44.全固态激光器1发出的光束经准直扩束单元13准直后入射至衍射光学元件12，经衍射光学元件12调制后传输到反射镜2，光束经反射镜2反射后入射至一维振镜4，再经振镜4反射至平场聚焦镜6，光束经平场透镜6聚焦后由入射窗口8进入到靶材10。靶材10表面激发出高温高压等离子体。等离子体定向局域绝热膨胀，沿靶材10表面法线方向向衬底11发射，最终等离子体在衬底11上沉积形成均匀一致的薄膜。
45.所述的可移动光学平台7与导轨上的支架相连接，通过第一电机3控制其在导轨上沿光轴方向来回移动，以实现靶材工作面10上聚焦光斑在某一维度(图中y轴)移动的效果。
46.所述一维振镜4与第二电机5连接，通过第二电机5控制振镜4在一定角度范围内进行偏转，配合可移动光学平台7以实现聚焦光束在靶材表面二维扫描的过程。在针对大面元薄膜等特定场合下，采用振镜扫描可自由调节扫描光斑的工作长度(图中x轴)。传统的激光脉冲沉积系统采用旋转靶材实现在靶材表面移动光斑的效果，而本发明使用可移动光学平7和一维扫描振镜4及平场聚焦镜6组合，可以实现在靶材表面任意位置处聚焦，且调节速度快，有利于实时光斑位置调节，提高薄膜沉积速率。
47.图2示出实施例中，所述第二电机5控制一维振镜4转动至图中虚线位置时，振镜反射光路由实现变为虚线所示，入射光束与平场聚焦镜6的光轴角度发生变化，聚焦于靶材10表面同一纬度的不同位置。通过对第二电机5进行编程控制，调节一维振镜4的偏转角度，可调控聚焦光斑在靶材10工作面上的扫描范围，实现扫描光斑在扫描方向(图中x方向)的变化。
48.图3示出实施例中，所述第一电机3驱动可移动光学平台7带动光路扫描装置整体移动至虚线位置时，系统光路由实线变为虚线所示，实现靶材10表面上聚焦光斑沿某一维度前后(图中y方向)变化的功能。结合一维振镜4角度偏转调节聚焦光斑在另一垂直维度(图中x方向)位置变化，通过控制第一电机3和第二电机5协同运动，实现对靶材10表面任意处扫描的功能。与传统脉冲沉积系统相比，可实现制备大面元沉积薄膜，并可灵活调节制备面元的尺寸。
49.图4示出靶材10表面的一种复合靶材组分分布，不同字母a、b、c代表沉积多组分薄膜所需的组分。我们可以通过设计不同组分在靶材上的分布区域来提高其沉积薄膜的均匀性和薄膜速率。本发明给出其中一种不同组分结构平面分布，亦可以包含其他类型分布。
50.对于传统脉冲激光沉积系统，光束穿过聚焦透镜系统后会产生离轴偏转现象，相对理想的平面而言，会在靶材表面出现光斑畸变。在本实施例中，对于平场透镜而言，像面为一平面，可将激光束在整个靶材平面内形成均匀大小的聚焦光斑。
51.图5示出振镜扫描速度为等角速度时，聚焦光斑在靶材10上形成均匀大小的聚焦光斑。均匀大小的聚焦光斑可以使靶材10表面产生状态分布均匀的等离子体，极大地提高了在衬底11处沉积薄膜的均匀性。
52.图6示出实施例中，可移动衬底结构具体运动方式，在脉冲激光沉积开始前，衬底材料存储在衬底某一侧转轴14上，且衬底材料起始端与带有第三电机的转轴15相连接。当
靶材10激发的等离子体在衬底11上沉积为均匀性的薄膜时，电机控制的转轴15开始转动，使已经完成薄膜沉积的衬底材料存储在转轴15上，并带动转轴14进一步地释放出存储在14上的未沉积衬底材料，使衬底11上保持为未沉积薄膜的状态。通过转轴14与15的转动，在保证衬底与靶材距离不变的同时，实现沉积薄膜在某一维度可无限延伸。
53.图7(a)示出脉冲光束初始光斑高斯分布示意图；图7(b)示出，脉冲光束经衍射光学元件倾斜相位调制产生的四焦点组合矩形光斑分布示意图。在图7(a)中，我们可以看到高斯分布的光斑分布在脉冲沉积时中心光强至边缘光强急剧变化，我们只能利用中心较小区域部分。且中心光强分布不均匀，会造成溅射出的高温高压等离子在膨胀后分布不均匀，照成膜层分布的不均匀性。在图7(b)中，四焦点组合矩形光斑的光场和温度场均匀性与平顶矩形光斑接近，与高斯聚焦光斑的情况相比，聚焦光斑的光场与温度场均匀性改善明显。同时，四焦点组合矩形光斑的抗失调特性相对平顶矩形光斑显著提高。在利用四焦点组合矩形光斑进行脉冲沉积时，不仅提高了光斑利用率，还极大地提高了沉积薄膜的均匀性。
54.图8示出双光路激光脉冲沉积系统并行加工的一种形式，在多光路扫描装置并行加工时，脉冲沉积聚焦光斑可作用于同一区域，也可作用于不同区域。图中双光路系统在沉积时作用于靶材不同区域，实现沉积薄膜的沉积速率成倍提高和沉积薄膜面积的成倍提升。由于双光束产生的等离子体之间相互作用，减少了液滴及颗粒物的产生，极大提高薄膜膜层的均匀性。
55.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。