具有旋转镜和圆环目标的灯塔扫描仪制造技术

本发明专利技术公开了适于应用激光烧蚀进行涂覆工艺的扫描装置和方法。该装置适合于长期使用的工业工艺。该装置包括环形形式的目标(15)。激光束方向(12)由沿着环形目标(15)的中心轴设置的旋转镜(13)控制。在镜(13)旋转时，扫描线沿着内部目标表面环形旋转。激光束(12)的焦点可设置为位于内部目标表面上以保证不变的光斑尺寸。可采用环形的、圆柱状或截头圆锥状目标(15)。目标的内表面因此可为锥形的，以便控制烧蚀材料(16)的释放方向，从而朝着要涂覆的基板(17)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有旋转镜和圆环目标的灯塔扫描仪
本专利技术涉及激光烧蚀工艺，例如用于以良好的表面质量涂覆各种材料。更具体而言，本专利技术涉及从目标去除材料以便产生粒子和/或等离子体的新方法。
技术介绍
激光烧蚀是用于产生精细粒子和等离子体流的过程，其中具有非常短的时间长度但产生相对高频率的激光束朝着材料的目标件定向。在释放目标材料的小片段和粒子后，释放的材料进而朝着所希望涂覆的材料定向，以便在所希望的物理元件的顶部或表面上产生涂层。涂层可根据需要实现精准的质量要求。该工艺可通过改变激光脉冲的特性(能量、脉冲长度、脉冲频率)、目标材料选择或材料结构或者通过采用可能的几个分开的目标而对不同类型的应用进行变化。此外，该工艺可通过变化目标、光源和涂覆表面之间的距离而变化。再进一步的可能性是通过采用例如对激光脉冲操纵的旋转反射表面(如移动镜)来控制和重新定向激光脉冲。温度、压强和在工艺腔中采用附加有效气体对涂层的产生给出附加控制的可能性。在现有技术中，参考文献US5760366(Haruta1)公开了用于薄膜形成的激光烧蚀装置的大量不同配置。Haruta1应用腔体，并且激光束通过透镜和镜装置定向到腔体内的目标，其中光束行进通过腔体中的孔。Haruta1还在目标附近施加磁场以将释放股流(releasedplume)朝着基板定向。图39示出了控制激光的两个反射镜的示例，其中透镜设置在第一反射镜之前。再者，几个分开的目标可用在相同的烧蚀腔体中。另一参考文献US6033741(Haruta2)公开了与Haruta1相当类似的装置，除了激光束横截面可成型为朝着目标表面的辐射具有均匀的光强度分布。在Haruta1和Haruta2二者中，在图37-38中，示出了目标扫描装置，其中激光脉冲通过聚集透镜提供。有一种反射镜，其相对于入射光束的相对角度可改变，结果，脉冲可指向柱状原材料目标的内圆。应注意的是，激光脉冲与目标的有效角度是锐角，即明显地小于90度。基板可设置在圆柱目标的开启方向，基板可被加热。根据图38，目标具有不同的切锥形式。结果是目标材料的倾斜片段。再者，激光束定向为与目标接触，从而用于激光脉冲的最终方向控制元件(反射镜“8”)设置在烧蚀腔体之外。光束与目标的入射角也明显小于90度。参考文献Rode的US6312768又公开了用于产生非晶和晶体膜结构的超速脉冲激光沉积。Rode具有激光源，其激光脉冲经由几个反射镜定向且在脉冲到达腔体中的目标表面前通过透镜。Rode的腔体具有包括活性或非活性缓冲气体的能力。Rode采用在脉冲长度上的皮秒激光脉冲范围，并且脉冲重复率典型地从约10kHz变化到几百MHz。Rode的目的是变化来自目标的释放成分的速度，从而到达基板的成分将形成基本上连续的原子粒子流，由于到达目标的激光脉冲而与材料释放的脉冲类型无关。与目标接触的激光脉冲可通过将激光束引导在固定目标上或通过将目标移动穿过入射激光束的固定方向而定向。关于条码扫描装置中的激光束方向控制，美国4699447(Howard)公开了一种结合一系列反射面的“篮形”结构。尽管与激光烧蚀工艺相比使用领域不同，但是应注意的是，存在倾斜设置的第一反射镜以及用作激光束的第二反射面的篮子内壁。实际上，第二反射面由六个相互固定的倾斜面部分形成(见图1)。第一反射镜可相对于篮状表面或其它方式关于电动机器件旋转，从而所希望的激光束流图案从装置向外产生以读取条码。第二种条码扫描仪示出在美国4870274(Hebert)中。该装置主要具有类似于Howard的装置结构类型。在Hebert中，旋转部件设在扫描仪的透明中间元件中，其包括倾斜的镜面。由于来自固定阵列的周边镜面的第二反射，光束可从扫描仪向外定向。装置还收集来自“光点(lit)”表面的反向散射，在光点表面中设置条码，并且在装置的检测部分中，光束流通常在相反方向上传播过上述元件，直至反射的反向散射经由成像透镜到达检测和成像元件为止。美国专利8828506(Ruuttu等人)公开了一种涡轮扫描仪，其具有多个反射镜，多个反射镜绕相对于镜面法线垂直设置的轴线旋转。涡轮扫描仪的横截面因此形成多边形，在该示例中例如具有所示的八个镜面，但是还可具有更多，例如几十个或几百个镜面是可能的。当前的涡轮扫描仪容许高水平的激光辐射。镜面的数量、各面之间的相应角度以及涡轮扫描仪的旋转速度设定为使达到目标的后续反射激光脉冲光斑部分地重叠在目标上。Ruuttu装置的缺点是复杂和昂贵的光学系统以及80％的工作循环，这意味着80％的可用激光能量或功率的利用率。从上述现有技术清楚可见，在激光烧蚀方法中当前的解决方案不能提供简单且有效的目标处理方法，其中所产生的等离子体股流以及因此形成的释放材料流是连续的、均质的且稳定的。再者，当前方法中的工作循环不是最佳的，因为扫描线没有以完全平滑和均匀的方式雕刻目标材料。
技术实现思路
本专利技术涉及经由激光烧蚀对材料的激光处理，更具体而言涉及脉冲激光沉积(PLD)工艺，其中激光束(优选短激光脉冲)与作为材料源的目标材料相互影响，导致释放该材料，并且在适当的条件下，释放的材料收集且固定到对象或部件(还称为基板)的表面。工业涂覆工艺的要求包括但不限于高产量、可靠性、在大表面面积上产生均匀涂层的能力、坚固性、对更高产率的扩展性和对生产更大表面面积的扩展性。用于脉冲激光沉积工艺的方法和装置包括环形目标、旋转镜和保持且操纵基板的器件，解决上述要求以及采用以高重复率(>100kHz)施加的超短激光脉冲(脉冲长度小于100ps)的超快速脉冲激光沉积工艺的要求。本专利技术的目的是提供用于脉冲激光沉积工艺的装置，以通过目标装置的简单扩展能在大规模工业涂覆工艺中利用脉冲激光沉积。这意味着采用其它形状的目标材料与适合于连续扫描目标的装置相结合，而在烧蚀工艺中没有任何的不连续性。激光束与目标的相互作用是激光性能和目标材料性能的汇集。激光性能包括波长、脉冲长度、脉冲能量和强度、激光光斑尺寸、时空强度分布、光束的偏振和在材料上的入射角。另一方面，目标材料性能包括表面形状、质量(密度、粒子大小、均匀性)、比热、热传导、蒸发热、温度、晶体结构和方位以及材料的热力学状态。此外，必须注意，该工艺具有动态性和相互作用条件，并且材料性能在单一超短激光脉冲期间不必为恒定的。等离子体的形成是在皮秒时间上发生的，这意味着其脉冲比高重复率处理更长，并且激光脉冲的爆发(以很短的时间间隔)也可涉及激光脉冲与烧蚀工艺中形成的等离子体的相互作用。作为另一个问题，等离子体膨胀是激光/物质和激光/等离子体相互作用的自然结果，并且此外，环境中压强的作用意味着与气体分子相互作用。等离子体具有空间分布，并且它的特性可为所发射物质的离子化程度、尺寸、速度和能量。激光脉冲可用作同样时间分隔激光脉冲的连续列车或者包含两个或多个脉冲的激光脉冲段，在总重复率上相比其以较高的重复率施加。此外，连续列车激光脉冲或激光脉冲的爆发可控制为跳过一定的脉冲或爆发，以便烧蚀目标的一定区域或片段。这提供在基板上沉积材料分布上的控制。在某些情况下，优选在连续激光脉冲之间获得适当的空间分隔，以使激光脉冲与固体材料相互影响，而没有激光能量由激光烧蚀工艺中产生的等离子体吸收。在高脉冲重复率的情况下，这意味着激光脉冲的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种施加激光烧蚀的薄膜形成设备的扫描装置，其特征在于，该扫描装置包括：‑旋转镜(13)，将输入激光束(12)重新定向为该旋转镜(13)的旋转轴线周围的大致圆形扫描图案，该旋转轴线与该输入激光束(12)的方向基本上平行；‑环状形成的目标(15)，其中该目标(15)的中心点沿着该旋转镜(13)的旋转轴线定位，并且反射的激光束(12’)与环形目标(15)的表面接触(15c)，以便沿着该大致圆形扫描图案释放目标材料(16)；以及‑腔体(18)，具有至少控制该腔体内的压强、温度和可能存在的附加材料的能力，并且其中该旋转镜(13)、该环形目标(15)和基板(17)设置在该腔体(18)内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.23 FI 201461421.一种施加激光烧蚀的薄膜形成设备的扫描装置，其特征在于，该扫描装置包括：-旋转镜(13)，将输入激光束(12)重新定向为该旋转镜(13)的旋转轴线周围的大致圆形扫描图案，该旋转轴线与该输入激光束(12)的方向基本上平行；-环状形成的目标(15)，其中该目标(15)的中心点沿着该旋转镜(13)的旋转轴线定位，并且反射的激光束(12’)与环形目标(15)的表面接触(15c)，以便沿着该大致圆形扫描图案释放目标材料(16)；以及-腔体(18)，具有至少控制该腔体内的压强、温度和可能存在的附加材料的能力，并且其中该旋转镜(13)、该环形目标(15)和基板(17)设置在该腔体(18)内。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：-激光源(11、11’)；以及-光学器件(14、21、22)，操纵由该激光源(11、11’)产生的激光束(12、12’)。3.一种薄膜形成设备，包括根据权利要求1或2所述的扫描装置，其特征在于，该设备还包括：-基板(17)，涂覆有释放的目标材料(16)。4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置包括以所希望的方式控制该激光源(11、11’)、该光学器件(14、21、22)和该镜(13)的旋转的控制器件(11c、11c’)。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)的内表面是锥形的。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，旋转运动通过中空管(51)联接到该镜(13)，该输入激光束(12)经由该中空管(51)被引导到该镜(13)。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该旋转镜(13)具有多个分面。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，旋转多分面镜(13)联接到从单个输入激光束(12)产生多个激光束的旋转衍射光学元件，旋转轴线大致平行于该输入激光束(12)的方向。9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该光学器件(14、21、22)包括旋转光学元件，其配置为改变该输入激光束(12)的偏振，其中该旋转光学元件与该镜(13)的旋转同步。10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该光学器件(14、21、22)还包括配置为操纵该输入激光束(12)的空间强度分布的器件。11.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该激光源(11、11’)输出激光脉冲。12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，撞击目标表面(15c)的激光脉冲为P-偏振、S-偏振或椭圆偏振。13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)的直径和该镜(13)的旋转速度选择为使得该目标(15)上的扫描激光光斑的速度为至少1m/s。14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)的直径和该镜(13)的旋转速度选择为使得该目标(15)上的扫描激光光斑的速度为至少10m/s。15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)的直径和该镜(13)的旋转速度选择为使得该目标(15)上的扫描激光光斑的速度为至少100m/s。16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该旋转镜(13)在扫描期间相对于该输入激光束(12)改变角度。17.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，该激光脉冲(12、12’)的能量以与该镜(13)的旋转同步的方式被控制。18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)能够沿着其中心轴线移动。19.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)在与该镜(13)的旋转相反的方向上关于其中心轴线旋转。20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)的旋转速度在0.01和100000rpm之间。21.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该光学器件是聚焦透镜(14)。22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，该聚焦透镜(14)沿着该激光束(12、1...

【专利技术属性】
技术研发人员：V克科宁，J皮尔托，J利马泰宁，F克拉克，
申请(专利权)人：皮科德昂有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI