一种水平结构布局的脉冲激光沉积系统的制作方法

1.本技术涉及脉冲激光镀膜设备技术领域，特别是涉及一种水平结构布局的脉冲激光沉积系统。


背景技术：

2.脉冲激光沉淀系统是一种真空镀膜设备，其工作原理是：一束紫外激光穿过视窗法兰进入真空腔内，打在靶材表面，受激光照射的物质被激发形成等离子体，并沿着垂直于靶材表面的方向喷射出去，形成羽辉，最终沉积在基底表面形成薄膜。
3.传统做法是样品与靶材在真空腔体中为上下布局，靶材在下方，样品位于靶材的正上方。一束激光打在靶材表面，靶材表面吸收激光辐照能量并转化为热能，形成等离子体；与此同时，很多小颗粒也会随等离子体一起被溅射出来。热膨胀过程结束后，小颗粒在重力作用下回落到靶材表面。当下一束脉冲激光与靶材相互作用时，这些回落的小颗粒则更容易获得足够的动能被溅射到样品表面，从而造成薄膜内部缺陷密度增大，表面粗糙度变大，降低薄膜质量。
4.对于生长条件要求较高的外延生长的薄膜而言，这些颗粒会改变薄膜的生长模式，诱导薄膜向缺陷较多的颗粒化模式生长，进而阻碍科研人员对薄膜本征特性的研究。其次，传统上下结构布局的系统，其多个靶材是在同一平面内进行切换和转动的。当使用其中一个靶材进行薄膜生长时，溅射形成的小颗粒也会落到其他靶材表面，造成交叉污染，即使其他靶材上方有遮挡物保护，也很难完全避免。再次，部分小颗粒随重力在回落过程中会落入靶材自转和公转的齿轮之间，加大齿轮转动的阻力，长此以往会造成齿轮卡死，无法工作。另外，靶材是在重力作用下进行传输和与旋转齿轮啮合在一起的，这种结构在电机工作异常或齿轮转动阻力加大等情况下极易发生意外状况，可靠性差。例如，小颗粒落入齿轮之间，齿轮转动阻力加大甚至卡死，而电机仍在转动，结果会将转轴拧断或电机过热烧毁，或者靶材旋转受力不均匀导致靶材移位甚至被弹出等事故。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术的目的在于提供一种水平结构布局的脉冲激光沉积系统，用于解决现有技术中靶材表面形成的小颗粒则更容易获得足够的动能被溅射到样品表面，从而造成薄膜内部缺陷密度增大，表面粗糙度变大，降低薄膜质量问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第一方面提供一种水平结构布局的脉冲激光沉积系统，包括：真空腔体，包括一或多个靶材及可活动载样部件；传样腔体，与所述真空腔体连通；传样杆，其包括抓取部件；所述抓取部件抓取样品后穿过所述传样腔体后进入所述真空腔体，供所述可活动载样部件活动至与所述抓取部件对准的位置后装载所述样品；其中，所述可活动载样部件在装载样品后将样品带动至与所述靶材在水平方向面对面的位置，以阻止靶材在受激光冲击后向外喷射的颗粒沉积在所述样品和/或靶材的表面。
7.于本技术的第一方面的一些实施例中，所述真空腔体内设有多个所述靶材；所述
多个靶材沿水平周向均匀分布，以使在当前使用的靶材上所形成的等离子体朝着远离相邻靶材的方向喷射。
8.于本技术的第一方面的一些实施例中，所述真空腔体内设有四个靶材，分布于立方体的四个侧面上。
9.于本技术的第一方面的一些实施例中，各所述靶材设有第一传动件；各所述第一传动件与共用的第二传动件连接；所述第二传动件与第一驱动部件连接；其中，所述第一驱动部件驱动所述第二传动件旋转后，带动与所述第二传动件连接的各所述第一传动件，以带动各靶材进行自转运动。
10.于本技术的第一方面的一些实施例中，各所述靶材设于一靶材平台上；所述靶材平台连接第三传动件；所述第三传动件嵌于一法兰内并与所述法兰连接；所述法兰与第二驱动部件连接；其中，所述第二驱动部件驱动所述法兰旋转后带动所述第三传动件旋转，并带动所述靶材平台旋转，以带动各所述靶材进行公转运动。
11.于本技术的第一方面的一些实施例中，所述法兰受所述第二驱动部件驱动后旋转并带动所述靶材平台上的其中一个靶材对准所述传样杆，供所述传样杆将该靶材替换为所需靶材。
12.于本技术的第一方面的一些实施例中，所述传样杆将该靶材替换为所需靶材的过程包括：将所述采样杆的抓取部件更换为靶材抓取头，并在穿过所述传样腔体后进入所述真空腔体；所述第二驱动部件驱动所述法兰旋转预设角度，以使其中一个靶材对准所述采样杆；所述采样杆抓取当前靶材后送出所述真空腔体，并将所需靶材送入所述真空腔体内来代替当前靶材。
13.于本技术的第一方面的一些实施例中，所述法兰包括压差旋转密封法兰。
14.于本技术的第一方面的一些实施例中，各所述靶材与靶材平台之间螺纹连接；所述靶材平台与第三传动件之间卡扣连接。
15.如上所述，本技术的一种水平结构布局的脉冲激光沉积系统，具有以下有益效果：
16.(1)水平结构布局设计，有效避免小颗粒的回落，从而提高了薄膜生长的质量；
17.(2)靶材的立方体布局设计，有效避免了交叉污染；
18.(3)所有传动结构都可密封在不锈钢保护罩内，有效避免了小颗粒在齿轮间的沉积；
19.(4)在不破坏主腔体真空的条件下，通过更换线性传样杆前端的抓取头便可同时实现传样操作和更换靶材操作，操作简单，有效提高了工作效率；
20.(5)系统稳定性得到提高，且易于维护。
附图说明
21.图1显示为本技术一实施例中水平结构布局的脉冲激光沉积系统的结构示意图。
22.图2显示为本技术一实施例中水平结构布局的脉冲激光沉积系统的结构示意图。
具体实施方式
23.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。本技术还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
24.需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本技术的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本技术的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本技术的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本技术。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
25.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固持”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
26.再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。应当进一步理解，此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
27.为了解决上述背景技术中的问题，本发明提供一种水平结构布局设计的脉冲激光沉积系统，水平结构布局设计能够有效避免小颗粒的回落，从而提高了薄膜生长的质量；靶材的立方体布局设计能有效避免交叉污染；所有传动结构都可密封在不锈钢保护罩内，有效避免了小颗粒在齿轮间的沉积；在不破坏真空腔体真空的条件下，通过更换线性传样杆前端的抓取头便可同时实现传样操作和更换靶材操作，操作简单，有效提高了工作效率；系统稳定性也得到了提高，并且更易于维护。
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
29.如图1所示，展示了本发明一实施例中水平结构布局的脉冲激光沉积系统的结构示意图。所述水平结构布局的脉冲激光沉积系统包括真空腔体101、传样腔体102及传样杆103。真空腔体101包括一或多个靶材104以及可活动载样部件105；传样腔体102与真空腔体101连通；传样杆103包括用于抓取样品的抓取部件106；所述抓取部件106穿过所述传样腔体102后进入所述真空腔体101，供所述可活动载样部件105活动至与所述抓取部件106对准
的位置后装载所述样品；其中，所述可活动载样部件105在装载样品后将样品带动至与所述靶材104在水平方向面对面的位置，以阻止靶材104在受激光冲击后向外喷射的颗粒沉积在所述样品和/或靶材的表面。
30.在本实施例中，传样杆的抓取部件可根据抓取对象的不同做更换，例如在抓取样品时换上样品抓取头，在抓取靶材时则换上靶材抓取头。传样操作过程如下：传样杆的样品抓取头抓取样品后，穿过传样腔体后进入真空腔体，通过调节载样台位置并与样品抓取头对准，这样就可以实现装样和取样的操作。
31.具体而言，所述真空腔体101用于为镀膜过程提供真空环境，真空镀膜是利用物理或化学方法，在真空中把金属、合金或化合物进行蒸发或溅射，使其在被涂覆的物体(基板、基片或基体)上凝固并沉积的方法。
32.需说明的是，现有的脉冲激光沉积系统中，靶材和样品在真空腔体中为上下布局，即靶材在下方，样品位于靶材的正上方；当一束激光打在靶材表面时，靶材表面吸收激光辐照能量并转化为热能，形成等离子体，与此同时，很多小颗粒也会随等离子体一起被溅射出来，在重力作用下会沉积在靶材和样品表面。而在本发明中，靶材和样品采用的是水平结构布局，靶材和样品均竖直并面对面放置，当一束激光打在靶材表面时，小颗粒随等离子体从靶材表面喷射出来，在向着样品飞行过程中，质量较大的颗粒会由于重力作用而下落，这一结构既可以减少颗粒在样品表面的沉积，也可以避免小颗粒落在靶材表面而影响下一束脉冲的沉积。
33.在一些示例中，所述真空腔体101包括沿水平周向均匀分布的多个靶材，以使在当前使用的靶材上所形成的等离子体朝着远离相邻靶材的方向喷射。具体而言，将靶材沿水平周向均匀分布的原因在于，脉冲激光轰击靶材所形成的等离子体，主要分布于靶材表面的法线方向，随着与法线方向夹角的增大，等离子体的含量会显著降低。因此，在本发明所设计的结构中，与当前使用的靶材相邻的两个靶材均位于其斜后方，从而能有效避免交叉污染。例如在图1中，真空腔体内设置有四个靶材，这四个靶材分布于立方体的四个侧面上，因此当前使用的靶材相邻的两个靶材均位于其斜后方，从当前使用的靶材溅射出去的等离子体不会落到相邻靶材上。
34.在一些示例中，各所述靶材设有第一传动件，各所述第一传动件与共用的第二传动件连接，所述第二传动件与第一驱动部件连接。所述第一驱动部件驱动所述第二传动件旋转，从而带动与之连接的各个第一传动件旋转，由此带动各靶材进行自转运动。
35.需说明的是，本实施例所讲的传动件可以是齿轮传动件、链传动件、带传动件、蜗轮蜗杆传动件或凸轮传动件等。以图2所展示的示意图为例，各靶材104分别设置有第一传动齿轮107，各所述第一传动齿轮107均与共用的第二传动齿轮108啮合连接，所述第二传动齿轮108与驱动电机109连接；当驱动电机109转动时，带动所述第二传动齿轮108旋转，从而带动与之啮合连接的各个第一传动齿轮107旋转，由此便实现各靶材的自转功能。
36.在一些示例中，各所述靶材设于靶材平台上，所述靶材平台连接第三传动件，所述第三连接件与法兰内连接，所述法兰连接第二驱动部件；所述第二驱动部件驱动所述法兰旋转，以带动所述第三传动件旋转，并带动所述靶材平台旋转，由此带动靶材进行公转运动。
37.需说明的是，本实施例所将的传动件可以是齿轮传动件、链传动件、带传动件、蜗
轮蜗杆传动件或凸轮传动件等。以图2所展示的示意图为例，靶材平台110上设置有四个靶材，靶材平台通过连接杆与作为所述第三传动件的公转齿轮111相连，所述公转齿轮111与压差旋转密封法兰112连接，压差旋转密封法兰112与作为第二驱动部件的驱动电机113相连。当驱动电机113驱动压差旋转密封法兰112旋转时，带动公转齿轮111旋转，从而带动靶材平台110旋转，因此靶材平台上的各个靶材就能实现公转功能，易于实现换靶操作。
38.在一些示例中，所述法兰受第二驱动部件驱动后旋转，并带动所述靶材平台上的其中一个靶材对准所述传样杆，供传样杆将该靶材替换为所需靶材。举例来说，若所需靶材不在真空腔体内，则可将压差旋转密封法兰112旋转90
°
，这时靶材刚好正对着线性传样杆103，更换传样杆前端的抓取头为靶材抓取头114，将不用的靶材取下，移送至传样腔体102中并取出。然后将所需靶材装到抓取头114上，通过线性传样杆将靶材安装到真空腔体内，这样便实现了靶材的更换操作。
39.进一步的，本发明中，靶材通过螺丝固定在托盘上，而托盘又通过卡扣与传动装置相连，因此，靶材不会出现因电机工作异常而掉落的情况，从而提高了传动的稳定性。
40.值得注意的是，本发明中的靶材更换通过压差旋转密封法兰带动靶材整体转动并与传样杆对准后进行操作来实现。正常镀膜时，靶材与样品相对。通过调节载样台的位置便可实现与线性传样杆的对准，从而进行传样操作；当需要更换靶材时，压差旋转法兰会先旋转90
°
，带动所有靶材整体跟随法兰转动，使其中一个靶材的位置刚好与线性传样杆对准，只需更换用于传送靶材的抓取头便可实现换靶操作，操作方便省时。
41.综上所述，本技术提供一种水平结构布局的脉冲激光沉积系统，水平结构布局设计，有效避免小颗粒的回落，从而提高了薄膜生长的质量；靶材的立方体布局设计，有效避免了交叉污染；所有传动结构都可密封在不锈钢保护罩内，有效避免了小颗粒在齿轮间的沉积；在不破坏主腔体真空的条件下，通过更换线性传样杆前端的抓取头便可同时实现传样操作和更换靶材操作，操作简单，有效提高了工作效率；系统稳定性得到提高，且易于维护。所以，本技术有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
42.上述实施例仅例示性说明本技术的原理及其功效，而非用于限制本技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本技术所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本技术的权利要求所涵盖。