【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于薄膜材料制备，尤其涉及一种基于千赫-兆赫脉冲光纤激光器的大面积薄膜沉积装置和薄膜沉积方法。
技术介绍
1、脉冲激光沉积(pld)技术是一种在真空环境中，利用激光从靶材轰击出原子(或原子团簇)，并沉积到基片上的镀膜方法。最常见的是利用卤素气体(如氟气)与稀有气体(如氪气)受激辐射的准分子激光器(excimer laser)。然而这类激光器工作频率一般在100hz以下，对靶面的扫描速率较低，难以开展大面积薄膜制备。相比之下，千赫-兆赫脉冲光纤激光器(fiber laser)，具有高得多的工作频率，其线扫描速度可以用光斑直径与工作频率的乘积来计算。例如，对于光斑直径为20μm，工作频率为50khz的系统，其线扫描速度可达1000mm/s。这是实现大面积薄膜沉积的技术基础。但是，这类激光器需要严格保证激光光斑在靶材表面处于聚焦状态，否则不具备足够功率密度以轰击出原子。
2、专利文献cn112760600a公开了一种聚焦扫描式脉冲激光薄膜沉积装置以及沉积方法，利用汇聚透镜将准直激光汇聚到0.01mm量级，焦点落在靶材上，使固态靶材表面原子气化从而实现样品处薄膜沉积。该设备通过x、y方向的振镜，使光斑在靶材表面进行面扫描。然而，由于靶材表面与激光成约45度角，会面临小于45度区间与大于45度区间之间存在光程差而偏离焦深的问题。
3、该文献给出的解决方案为：通过z方向的机械运动实时调节靶材与透镜之间的距离以抵消此光程差，以使靶面的光斑始终处于焦点位置。这种z方向的机械调节必须实时满足聚焦状态，故而要求对靶
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于千赫-兆赫脉冲光纤激光器的大面积薄膜沉积装置和薄膜沉积方法，可实现大面积薄膜的连续制备。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、第一个方面，本专利技术提供了一种薄膜沉积装置，包括至少一个激光系统(1)、带有视窗(2)的真空腔体(3)、靶材(4)、衬底(6)和全靶面扫描机构；所述激光系统(1)包括脉冲光纤激光器、准直镜、偏转振镜和聚焦场镜，所述脉冲光纤激光器发出的脉冲激光经准直镜、偏转振镜、聚焦场镜，获得可偏转的激光束(8)，通过真空腔体(3)的视窗(2)后聚焦到所述靶材(4)的表面，在真空环境下在所述靶材(4)表面受热以羽辉形式挥发镀制到所述衬底(6)上；其中，还包括衬底运动机构(7)，以使所述衬底(6)平动或转动地接受来料；
4、当所述衬底(6)以平动的形式接受来料时，所述衬底运动机构(7)包括一沿x轴延伸的转轴，所述衬底(6)为以x轴为幅面宽度、以所述转轴为旋转轴而以y轴方向平动的整幅大面积衬底；所述靶材(4)为与以x轴方向延伸的长条形，靠近所述衬底(6)；
5、当所述衬底(6)以转动的形式接受来料时，所述衬底(6)在所述衬底运动机构(7)的驱动下转动，所述靶材(4)为圆盘状且与所述衬底(6)平行；
6、通过所述全靶面扫描机构，处于聚焦状态的激光光斑均匀地分布到整个靶面，从而均匀地消耗靶材而不致局部击穿。
7、为了保证激光光斑不偏离焦深，本专利技术提出一种在定焦聚焦场镜模式下光斑在靶材表面以线性(或近似线性)扫描的方式用以解决专利文献cn112760600a中依靠真空腔中复杂的z方向耦合补偿才能维持二维面扫描的缺点；在某些不允许靶材运动的特殊场合，本专利技术还提出采用具备三维动态变焦功能的聚焦场镜以解决对有一定宽度的固定靶在45度倾斜角下进行面扫描时所面临的离焦问题。
8、较佳地，还包括靶材运动机构(5)，以驱动所述靶材(4)运动。
9、当所述衬底(6)采用平动的形式时，所述靶材(4)为与以x轴方向延伸的圆柱体或长方体；
10、所述靶材运动机构(5)驱动圆柱体的靶材(4)绕以x轴方向延伸的转轴转动或驱动长方体的靶材(4)沿z轴或y轴方向平移。
11、较佳地，当所述衬底(6)采用转动的形式时，所述衬底(6)为圆盘状，所述靶材运动机构(5)驱动所述靶材(4)旋转；
12、所述靶材(4)的旋转方向与圆盘状的所述衬底(6)的旋转方向相反。
13、所述靶材(4)至少在一个维度上具有大的尺寸；该维度的大尺寸保证了大面积的镀膜；当所述靶材(4)为圆柱体或长方体时，长条方向为所述的大尺寸维度；当所述靶材(4)为圆盘状时，其直径为所述的大尺寸维度。
14、所述全靶面扫描机构包括激光束(8)对靶材(4)在所述大尺寸维度的线性或近似线性扫描；该扫描机构通过偏转振镜实现，并且始终处于焦深范围内；单个激光器的最大线性扫描范围由所配置聚焦透镜的焦距与焦深共同决定；为了增加该维度的尺寸，可将多个激光器进行拼接。
15、所述全靶面扫描机构还包括激光束(8)对靶材(4)在另一个维度上的扫描；对于圆柱体或圆盘状的靶材(4)，通过所述靶材运动机构(5)驱动所述靶材(4)的转动来实现激光束(8)对靶材(4)在另一个维度上的扫描；对于长方体的靶材(4)，通过所述靶材运动机构(5)驱动所述靶材(4)的平动来实现激光束(8)对靶材(4)在另一个维度上的扫描；也可以通过扫描振镜的面扫描来实现，若只需要在狭小范围内面扫描且始终处于聚焦透镜的焦深范围内，则选用定焦透镜，若需要在较宽范围内进行面扫描，则需要使用动态调焦的聚焦透镜结合两块振镜进行三维扫描以保证在宽度方向扫描时扔处于聚焦状态。
16、所述靶材运动机构(5)的运动状态与由扫描振镜控制的激光光斑的位置不具有相位依赖关系，可以相对独立地运动而不影响聚焦状态。
17、所述动态调焦的聚焦透镜的调焦过程与两块扫描振镜具有相位依赖关系；当激光束(8)与靶面倾角增大时，光路变短，则调短焦距，当激光束(8)与靶面倾角减小时，光路变长，则调长焦距。
18、较佳地，所述衬底运动机构(7)包括衬底加热装置，用于调节所述衬底(6)的温度；沉积时，开启所述衬底加热装置，以增加落入所述衬底(6)的粒子的流动性，提高薄膜沉积质量。
19、较佳地，所述加热装置的加热方式包括激光加热、电阻丝热辐射加热和高温体热传导加热中的至少一种。
20、较佳地，所述脉冲光纤激光器的输出频率范围为1khz-9mhz。
21、第二个方面，本专利技术还提供一种薄膜沉积方法，如上所述的薄膜沉积装置的激光系统(1)的脉冲光纤激光器发出的脉冲激光经准直镜、偏转振镜、聚焦场镜，获得可偏转的激光束(8)，通过真空腔体(3)的视窗(2)后聚焦到靶材(4)的表面，形成直径小于100μm的聚焦光斑，在真空环境下在所述靶材(4)表面受热以羽辉形式挥发镀制到衬底(6)上；本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种薄膜沉积装置，其特征在于，包括至少一个激光系统(1)、带有视窗(2)的真空腔体(3)、靶材(4)、衬底(6)和全靶面扫描机构；所述激光系统(1)包括脉冲光纤激光器、准直镜、偏转振镜和聚焦场镜，所述脉冲光纤激光器发出的脉冲激光经准直镜、偏转振镜、聚焦场镜，获得可偏转的激光束(8)，通过真空腔体(3)的视窗(2)后聚焦到所述靶材(4)的表面，在真空环境下所述靶材(4)表面受热以羽辉形式挥发镀制到所述衬底(6)上；其中，还包括衬底运动机构(7)，以使所述衬底(6)平动或转动地接受来料；
2.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，还包括靶材运动机构(5)，以驱动所述靶材(4)运动。
3.根据权利要求2所述的薄膜沉积装置，其特征在于，当所述衬底(6)采用平动的形式时，所述靶材(4)为与以X轴方向延伸的圆柱体或长方体；所述靶材运动机构(5)驱动圆柱体的靶材(4)绕以X轴方向延伸的转轴转动或驱动长方体的靶材(4)沿Z轴或Y轴方向平移。
4.根据权利要求2所述的薄膜沉积装置，其特征在于，当所述衬底(6)采用转动的形式时，所述衬底(6)为圆盘状，
5.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述靶材(4)至少在一个维度上具有大的尺寸；该维度的大尺寸保证了大面积的镀膜；当所述靶材(4)为圆柱体或长方体时，长条方向为所述的大尺寸维度；当所述靶材(4)为圆盘状时，其直径为所述的大尺寸维度。
6.根据权利要求1或5所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述全靶面扫描机构包括激光束(8)对靶材(4)在所述大尺寸维度的线性或近似线性扫描；该扫描机构通过偏转振镜实现，并且始终处于焦深范围内；单个激光器的最大线性扫描范围由所配置聚焦透镜的焦距与焦深共同决定；为了增加该维度的尺寸，可将多个激光器进行拼接。
7.根据权利要求6所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述全靶面扫描机构还包括激光束(8)对靶材(4)在另一个维度上的扫描；对于圆柱体或圆盘状的靶材(4)，通过所述靶材运动机构(5)驱动所述靶材(4)的转动来实现激光束(8)对靶材(4)在另一个维度上的扫描；对于长方体的靶材(4)，通过所述靶材运动机构(5)驱动所述靶材(4)的平动来实现激光束(8)对靶材(4)在另一个维度上的扫描；也可以通过扫描振镜的面扫描来实现，若只需要在狭小范围内面扫描且始终处于聚焦透镜的焦深范围内，则选用定焦透镜，若需要在较宽范围内进行面扫描，则需要使用动态调焦的聚焦透镜结合两块振镜进行三维扫描以保证在宽度方向扫描时扔处于聚焦状态。
8.根据权利要求7所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述靶材运动机构(5)的运动状态与由扫描振镜控制的激光光斑的位置不具有相位依赖关系，可以相对独立地运动而不影响聚焦状态。
9.根据权利要求7所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述动态调焦的聚焦透镜的调焦过程与两块扫描振镜具有相位依赖关系；当激光束(8)与靶面倾角增大时，光路变短，则调短焦距，当激光束(8)与靶面倾角减小时，光路变长，则调长焦距。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述衬底运动机构(7)包括衬底加热装置，用于调节所述衬底(6)的温度；沉积时，开启所述衬底加热装置，以增加落入所述衬底(6)的粒子的流动性，提高薄膜沉积质量。
11.根据权利要求10所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述加热装置的加热方式包括激光加热、电阻丝热辐射加热和高温体热传导加热中的至少一种。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述脉冲光纤激光器的输出频率范围为1kHz—9MHz。
13.一种薄膜沉积方法，其特征在于，如权利要求1-12任一项所述的薄膜沉积装置的激光系统(1)的脉冲光纤激光器发出的脉冲激光经准直镜、偏转振镜、聚焦场镜，获得可偏转的激光束(8)，通过真空腔体(3)的视窗(2)后聚焦到靶材(4)的表面，形成直径小于100μm的聚焦光斑，在真空环境下在所述靶材(4)表面受热以羽辉形式挥发镀制到衬底(6)上；所述衬底(6)以平动或转动的运动形式接受来料，所述靶材(4)至少在一个维度上具有大的尺寸，该维度的大尺寸保证了大面积的镀膜；当所述靶材(4)为圆柱体或长方体时，长条方向为所述的大尺寸维度；当所述靶材(4)为圆盘状时，其直径为所述的大尺寸维度。
14.根据权利要求13所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述脉冲光纤激光器发出的脉冲激光经准直镜、偏转振镜、聚焦场镜，获得可偏转的激光束(8)...
【技术特征摘要】
1.一种薄膜沉积装置，其特征在于，包括至少一个激光系统(1)、带有视窗(2)的真空腔体(3)、靶材(4)、衬底(6)和全靶面扫描机构；所述激光系统(1)包括脉冲光纤激光器、准直镜、偏转振镜和聚焦场镜，所述脉冲光纤激光器发出的脉冲激光经准直镜、偏转振镜、聚焦场镜，获得可偏转的激光束(8)，通过真空腔体(3)的视窗(2)后聚焦到所述靶材(4)的表面，在真空环境下所述靶材(4)表面受热以羽辉形式挥发镀制到所述衬底(6)上；其中，还包括衬底运动机构(7)，以使所述衬底(6)平动或转动地接受来料；
2.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，还包括靶材运动机构(5)，以驱动所述靶材(4)运动。
3.根据权利要求2所述的薄膜沉积装置，其特征在于，当所述衬底(6)采用平动的形式时，所述靶材(4)为与以x轴方向延伸的圆柱体或长方体；所述靶材运动机构(5)驱动圆柱体的靶材(4)绕以x轴方向延伸的转轴转动或驱动长方体的靶材(4)沿z轴或y轴方向平移。
4.根据权利要求2所述的薄膜沉积装置，其特征在于，当所述衬底(6)采用转动的形式时，所述衬底(6)为圆盘状，所述靶材运动机构(5)驱动所述靶材(4)旋转；所述靶材(4)的旋转方向与圆盘状的所述衬底(6)的旋转方向相反。
5.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述靶材(4)至少在一个维度上具有大的尺寸；该维度的大尺寸保证了大面积的镀膜；当所述靶材(4)为圆柱体或长方体时，长条方向为所述的大尺寸维度；当所述靶材(4)为圆盘状时，其直径为所述的大尺寸维度。
6.根据权利要求1或5所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述全靶面扫描机构包括激光束(8)对靶材(4)在所述大尺寸维度的线性或近似线性扫描；该扫描机构通过偏转振镜实现，并且始终处于焦深范围内；单个激光器的最大线性扫描范围由所配置聚焦透镜的焦距与焦深共同决定；为了增加该维度的尺寸，可将多个激光器进行拼接。
7.根据权利要求6所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述全靶面扫描机构还包括激光束(8)对靶材(4)在另一个维度上的扫描；对于圆柱体或圆盘状的靶材(4)，通过所述靶材运动机构(5)驱动所述靶材(4)的转动来实现激光束(8)对靶材(4)在另一个维度上的扫描；对于长方体的靶材(4)，通过所述靶材运动机构(5)驱动所述靶材(4)的平动来实现激光束(8)对靶材(4)在另一个维度上的扫描；也可以通过扫描振镜的面扫描来实现，若只需要在狭小范围内面扫描且始终处于聚焦透镜的焦深范围内，则选用定焦透镜，若需要在较宽范围内进行面扫描，则需要使用动态调焦的聚焦透镜结合两块振镜进行三维扫描以保证在宽度方向扫描时扔处于聚焦状态。
8.根据权利要求7所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述靶材运动机构(5)的运动状态与由扫描振镜控制的激光光斑的位置不具有相位依赖关系，可以相对独立地运动而不影响聚焦状态。
9.根据权利要求7所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述动态调焦的聚焦透镜的调焦过程与两块扫描振镜具有相位依赖关系；当激光束(...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄富强，袁凯笛，谢淼，赵佩，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：
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