[发明专利]一种激光脉冲沉积系统及加工方法

说明书

本发明公开了一种激光脉冲沉积系统及加工方法，属于激光技术领域。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，脉冲光源发出的光束入射至扫描光路模块，经过扫描光路模块聚焦后斜入射至真空沉积模块，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。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。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。