專利名稱：涂覆方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的主題是基于激光燒蝕的涂覆方法，其中基體和要燒蝕的 靶之間距離非常小。短的距離允許甚至以工業(yè)規(guī)模、也優(yōu)選在低真空 或甚至非真空壓力下涂覆基體。
現(xiàn)有技術(shù)
近年來在激光技術(shù)方面已經(jīng)取得了顯著進步，目前能夠生產(chǎn)基于 半導(dǎo)體纖維的激光系統(tǒng)，以相當(dāng)好的效率進行操作，并能例如用于冷 燒蝕。用于冷加工的這種激光包括皮秒激光和飛秒激光。就皮秒激光
而言，例如，術(shù)語冷加工范圍指的是脈沖持續(xù)時間100皮秒或更短。
除了具有不同的脈沖持續(xù)時間外，就重復(fù)頻率而言，皮秒激光不同于
飛秒激光；最新的皮秒激光具有1-4兆赫的重復(fù)頻率，而飛秒激光只 能獲得千赫茲范圍的重復(fù)頻率。最多，冷燒蝕允許蒸發(fā)材料，使得當(dāng) 蒸發(fā)(燒蝕)材料時，沒有熱傳遞到實際可蒸發(fā)的材料；換句話說，僅 有通過每個脈沖進行燒蝕的材料承受脈沖能量。
與完全基于纖維、二極管泵浦的半導(dǎo)體激光相當(dāng)?shù)氖菬舯闷值募?光源，其中激光束首先被引入纖維，并由此傳導(dǎo)到要加工的位置。根 據(jù)申請人在優(yōu)先權(quán)日可獲得的信息，這些基于纖維的激光系統(tǒng)是目前 以工業(yè)規(guī)模進行基于激光燒蝕的生產(chǎn)的僅有方法。
在目前纖維激光器中使用的纖維及由此獲得的低輻射功率對能進
行蒸發(fā)的材料范圍具有限制。鋁能使用適中的脈沖功率進行蒸發(fā)，而 不容易蒸發(fā)的材料例如銅、鴒等需要顯著更高的脈沖功率。
現(xiàn)有技術(shù)的另一問題是激光束的掃描寬度。通常使用的方法使用 反射鏡薄膜掃描器(mirror film scanner)進行線性掃描；能認(rèn)為這 理論上允許約70mm的標(biāo)稱掃描線寬，但實際上，掃描寬度僅限于30咖，這意味著掃描區(qū)域的邊緣可具有不均勻的質(zhì)量和/或與中間區(qū)域不同。 這種小的掃描寬度也意味著通過使用目前激光設(shè)備對大的寬的物體進 行工業(yè)規(guī)模的涂覆應(yīng)用在經(jīng)濟上或技術(shù)上是不可行的。
據(jù)申請人已知的，用于冷燒蝕并在本申請優(yōu)先權(quán)日時已知的脈沖
激光器設(shè)備在燒蝕時的有效功率僅限于約10瓦。在這種情況下，重復(fù) 頻率僅限于4兆赫激光脈沖頻率。如果試圖進一步提高脈沖頻率，根 據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的掃描器會引起顯著部分的激光束脈沖不僅不受控地照射 到激光設(shè)備的壁結(jié)構(gòu)，而且不受控地照射到等離子體形式的燒蝕材料 上。這具有降低由燒蝕材料形成的面層(surface)質(zhì)量并降低生產(chǎn)率的 凈效應(yīng)，以及命中靼的輻射通量變化過大的效應(yīng)，這在形成的等離子 體結(jié)構(gòu)上可能是明顯的，并導(dǎo)致不均勻的涂覆面層。當(dāng)要形成的等離 子體材料羽輝的尺寸增加時，問題更為顯著。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)，在與被蒸發(fā)材料相關(guān)的燒蝕過程中激光束 焦點的變化也引起問題，其將自然立即改變等離子體的質(zhì)量，因為材 料表面上的脈沖能量密度(通常)降低，導(dǎo)致等離子體的不完全蒸發(fā)/ 形成。這導(dǎo)致低能量的等離子體和不必要的大量碎片/顆粒、及面層形 貌變化、差的涂層附著和/或涂層厚度變化。
近年來激光技術(shù)的顯著發(fā)展已經(jīng)生產(chǎn)出用于高功率激光系統(tǒng)、基 于半導(dǎo)體纖維的工具，從而支持基于冷燒蝕的方法的改進。
然而，常規(guī)纖維激光器的纖維并不允許使用大功率，脈沖形式的 激光輻射的足夠的有效功率通過光學(xué)纖維輸送到加工區(qū)域。由于光學(xué) 纖維的吸收，會引起對加工區(qū)域應(yīng)用所需功率水平的損耗，常規(guī)纖維 材料并不能承受這種損耗。使用纖維技術(shù)從源到靶輸送激光輻射的一 個原因是即使在室外輸送單束光束也對工業(yè)環(huán)境中的工作人員構(gòu)成一 定危險，如果能夠進行大規(guī)模操作，這在技術(shù)上非常具有挑戰(zhàn)性。
在本申請優(yōu)先權(quán)日的時候，完全基于纖維、二極管泵浦的半導(dǎo)體 激光器與燈泵浦激光相當(dāng)，在兩種類型中，激光束首先被引入到纖維， 并由此在加工區(qū)域聚焦。僅這些纖維激光器系統(tǒng)適于工業(yè)規(guī)模的激光 燒蝕應(yīng)用。目前可獲得的纖維激光器中的纖維并由此產(chǎn)生的低輻射功率的限 制，限制了將纖維材料用于蒸發(fā)/燒蝕靶材料。能夠使用低能量脈沖蒸 發(fā)/燒蝕鋁材料，而不容易蒸發(fā)/燒蝕的材料例如銅、鎢等需要顯著更 高的脈沖功率。對于意欲使用相同現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)新化合物的情況也是 如此。提及的實例包括在后燒蝕條件下通過適合的氣相反應(yīng)直接從碳 生產(chǎn)金剛石或直接從鋁和氧生產(chǎn)氧化鋁。
另一方面，阻礙本領(lǐng)域進步的一個最重要的障礙是纖維承受高功 率激光脈沖而不斷裂或不引起激光束質(zhì)量惡化的能力。
通過使用新的冷燒蝕技術(shù)，通過集中提高激光功率和減少激光束 擊中靶面的光斑尺寸已經(jīng)解決了與涂層、薄膜生產(chǎn)以及切割/刻痕/刻 蝕等有關(guān)的質(zhì)量及生產(chǎn)能力問題。然而，大量功率浪費在噪聲上。質(zhì) 量和生產(chǎn)能力問題仍然沒有解決，即使一些激光廠商成功解決了與激 光功率有關(guān)的問題。涂層/薄膜和切割/刻痕/刻蝕等的典型實例僅能以 低的重復(fù)頻率、小的掃描寬度和長的操作時間進行生產(chǎn)，這對于工業(yè) 規(guī)模的應(yīng)用是無法使用的。對于大的物體尤其如此。
由于脈沖的能含量，當(dāng)增加脈沖功率并且同時縮短脈沖持續(xù)時間 時問題更為嚴(yán)重。甚至使用納秒脈沖激光時也會遇到嚴(yán)重問題，即使 它們不適于冷燒蝕技術(shù)。
縮短脈沖持續(xù)時間到皮秒或阿秒范圍使得問題幾乎不可能克服。
例如，在具有脈沖持續(xù)時間10-15ps的皮秒激光系統(tǒng)中，當(dāng)激光總功 率為IOOW、重復(fù)頻率為20MHz時，對于10-30pm的光斑，脈沖能量
必須是5pJ。據(jù)作者了解在本申請優(yōu)先權(quán)日時，并不具有能夠承受這 種脈沖功率的纖維。
脈沖越短，每單位時間內(nèi)通過纖維橫截面的能量越大。在上述脈 沖持續(xù)時間和激光功率的條件下，單個脈沖的振幅水平可相應(yīng)于約 400kW的功率。在本申請優(yōu)先權(quán)日前根據(jù)作者的全部所知，生產(chǎn)能承 受甚至200kW并允許15ps持續(xù)時間的脈沖通過而不從最佳脈沖波形失 真的纖維是不可能的。
如果目的是避免限制從任何可獲得的材料產(chǎn)生等離子體的可能性，那么必須能夠自由選擇脈沖功率，例如在M0kW-80MW范圍。限制 目前纖維激光器的問題并不單獨由于纖維，也與當(dāng)針對某一總功率時 使用光連接器相互連接單個二極管泵浦激光有關(guān)。這種接合的 (combined )光束使用常規(guī)技術(shù)在單根纖維中導(dǎo)入到加工位置。
因此，當(dāng)使用輸送路線將高功率脈沖輸送到加工位置時，光連接 器應(yīng)該能夠承受至少與纖維本身承受的相同的功率。盡管使用常規(guī)功 率水平，適合的光連接器的制備非常昂貴，并且它們的操作并不可靠。 它們也在使用過程中磨損， 一定時間間隔后必須替換。
生產(chǎn)速度直接與重復(fù)頻率成正比。另一方面，現(xiàn)有技術(shù)的反射鏡 薄膜掃描器(即電流(galvano)掃描器或其它類似的擺動型掃描器) 具有在轉(zhuǎn)向位置停止、加速和減速反射鏡甚至停止一段時間的操作周 期，會導(dǎo)致某些問題，影響這種反射鏡用于掃描目的的使用，對掃描 寬度具有特別的影響。如果嘗試通過增加重復(fù)頻率放大輸出率，加速 和減速階段均將導(dǎo)致靶上窄的掃描區(qū)域或者不均勻的輻射分布，因此 也導(dǎo)致等離子體的不均勻分布，因為輻射通過進行減速和/或加速的反 射鏡從而擊中靶。
如果嘗試簡單通過增加脈沖重復(fù)頻率增加涂層/薄膜生產(chǎn)速度，上 述現(xiàn)有技術(shù)的掃描器將以不受控的方式將脈沖射向乾上的重疊位置， 即使在使用低脈沖頻率kHz范圍時。
當(dāng)應(yīng)用納秒范圍激光時也具有相同問題，問題甚至更為嚴(yán)重，因 為脈沖能量高和持續(xù)時間長。這就是為什么即使納秒范圍的單脈沖也 將在靶材料中引起嚴(yán)重的、顯著腐蝕的原因。
使用現(xiàn)有技術(shù)，靶不僅不均勻地磨損而且也可能容易破碎，從而 對于等離子體的質(zhì)量具有劣化效應(yīng)。這就是為什么使用這種技術(shù)涂覆 的面層也將承受等離子體導(dǎo)致的問題的原因。面層可能具有碎片，或 等離子體可能不均勻分布，引起面層上的這種分布(divisions)，這
對于要求高精度的應(yīng)用可能是有問題的，但對于其中副作用低于具體 應(yīng)用檢測極限的涂料或顏料應(yīng)用不 一定是有問題的。目前方法僅使用 一次靶，因此相同靶面不能再次使用。試圖通過僅使用未經(jīng)使用的靶
9面或通過適當(dāng)相對移動靶和/或激光束斑解決該問題。
在加工類型的應(yīng)用中，含有碎片的廢料或剩余材料也能導(dǎo)致不均 勻(因此有缺陷)的切割線，例如在與流量控制有關(guān)的鉆孔情況下。由 于釋放的碎片，面層甚至可具有不均勻的形貌，這在例如某些半導(dǎo)體 制造中是不可接受的。
反射鏡薄膜掃描器的擺動也引起加載在結(jié)構(gòu)上的慣性力，甚至在 反射鏡有軸承支撐的情況下。這種慣性力可逐漸使反射鏡夾具松弛， 特別是如果接近其最大規(guī)格使用反射鏡時，這可導(dǎo)致設(shè)定值隨時間逐 漸變化，導(dǎo)致不穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量重復(fù)性。由于需要停止和改變方向， 這種反射鏡薄膜掃描器也具有非常有限的適于燒蝕和等離子體產(chǎn)生的 掃描寬度。相對于生產(chǎn)周期的整個持續(xù)時間，盡管操作在任何情況下 都慢，有效生產(chǎn)周期短。從提高生產(chǎn)的觀點，配置反射鏡薄膜掃描器 的系統(tǒng)在等離子體生產(chǎn)率方面不可避免的較慢，并具有窄的掃描寬度、 差的長期穩(wěn)定性和遭遇等離子體中高的有害顆粒發(fā)射的概率，導(dǎo)致使 用這種系統(tǒng)進行機械加工和/或涂覆的產(chǎn)品具有相應(yīng)的后果。
纖維激光器技術(shù)也與其它問題有關(guān)，例如不能通過纖維傳輸大能 量而不使纖維熔融和/或不使其分解，或由于纖維傳輸大功率引起的纖 維退化而導(dǎo)致的透過光束的惡化。如果纖維具有小的結(jié)構(gòu)缺陷或質(zhì)量
缺陷，即使IOjj J的脈沖功率也能損壞纖維。在基于纖維的技術(shù)中，
對破損最敏感的構(gòu)件是用于連接激光功率源例如二極管泵浦的纖維光 連接器。
脈沖越短，對于給定的能量，功率越高，這意味著當(dāng)激光脈沖縮 短同時保持其能含量恒定時問題更為突出。對于納秒激光問題特別顯著。
縮短脈沖持續(xù)時間到皮秒、乃至阿秒范圍使得問題幾乎不可能克
服。例如，在具有脈沖持續(xù)時間10-15ps的皮秒激光系統(tǒng)中，當(dāng)激光 總功率為IOOW且重復(fù)頻率為20MHz時，對于10-30 pm的光斑，脈沖 能量應(yīng)為5nJ。到本申請的優(yōu)先權(quán)日為止，作者沒有發(fā)現(xiàn)任何能承受 所述脈沖的纖維。在纖維激光器的重要應(yīng)用領(lǐng)域的激光燒蝕中，獲得最大和最佳脈
沖功率和能量非常重要。在脈沖持續(xù)時間為15ps、脈沖能量為5jiJ 和總功率為IOOOW的情況下，脈沖功率水平約400 000W(400kW)。在 本申請的優(yōu)先權(quán)日時，作者沒有發(fā)現(xiàn)任何人能成功制造這種甚至允許 200kW、 15ps持續(xù)時間的脈沖通過并保持脈沖最佳形狀的纖維。
無論如何，如果目的是避免限制從任何可獲得的材料產(chǎn)生等離子 體的可能性，那么必須能夠相對自由地選擇脈沖功率，例如在 200kW-80MW范圍。
然而，與限制目前纖維激光器有關(guān)的問題不僅單獨歸因于纖維， 而且與使用光連接器(為獲得所需的總功率使得獲得的激光束能通過 單根纖維傳輸?shù)郊庸c)相互連接單個二極管泵浦激光有關(guān)。
適合的光連接器必須能夠承受光纖傳輸?shù)郊庸c的高功率脈沖的 功率。在傳輸脈沖過程中保持激光脈沖的最佳形狀也是重要的。承受 目前功率水平的光連接器的制造非常昂貴，并且不可靠，它們僅具有
短的使用壽命，這意味著不得不經(jīng)常替換。
基于激光束和燒蝕的現(xiàn)有技術(shù)具有與功率和品質(zhì)相關(guān)的問題。例 如，特別在涉及燒蝕的掃描中，重復(fù)頻率不能提高到允許以工業(yè)規(guī)模 大量生產(chǎn)并具有均勻、良好的產(chǎn)品質(zhì)量的水平。此外，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù) 的掃描器置于蒸發(fā)裝置外部(在真空室中)，使得激光束必須穿過真空 室的光學(xué)窗口，這通常在一定程度上減少可用功率。
在本申請優(yōu)先權(quán)日時作者已知的適于燒蝕的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的有效 功率是IOW或該數(shù)量級。這意味著當(dāng)通過激光實現(xiàn)切割時重復(fù)頻率也 限制為4MHz。如果試圖進一步提高脈沖頻率，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的掃描器 可引起顯著部分的激光束脈沖不受控地射向激光設(shè)備的壁結(jié)構(gòu)和等離 子體形式的燒蝕材料上。這會具有形成的面層質(zhì)量下降、生產(chǎn)速度減 緩的凈效應(yīng)。此外，脫耙的輻射通量不穩(wěn)定，這可影響等離子體的結(jié) 構(gòu)，當(dāng)擊中要涂覆的表面時導(dǎo)致不均勻的涂層。
因此，在靶是要加工的物體和/或零件的加工應(yīng)用中容易損害切割 效率和質(zhì)量。也存在碎片和飛濺物落在切割點周圍的表面上或要涂覆的表面上的危險。此外，使用現(xiàn)有技術(shù)使得重復(fù)的表面處理慢，最終
結(jié)杲是不具有均勻質(zhì)量。
在本申請優(yōu)先權(quán)日時作者已知的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的掃描器僅能夠具
有小于3m/s掃描速率，此外掃描速率實際上并不是恒定的，而是在掃 描過程中變化。主要是由于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的掃描器基于旋轉(zhuǎn)的反射鏡， 當(dāng)掃描距離完成時停止，然后轉(zhuǎn)到相反方向以重復(fù)掃描過程。在現(xiàn)有 技術(shù)中擺動的反射鏡同樣是已知的，但它們具有與穩(wěn)定運動相關(guān)的問 題。在專利公開美國6， 372， 103和美國6， 063， "5中已經(jīng)描述了使用
平面反射鏡實現(xiàn)的燒蝕技術(shù)。因為由于運動加速、減速和停止導(dǎo)致掃 描速率不恒定，在耙的不同部分從加工位置通過蒸發(fā)產(chǎn)生的等離子體 的產(chǎn)率不同，特別在掃描范圍的端點，因為等離子體的產(chǎn)率和質(zhì)量完 全取決于掃描速率。在某種意義上，能認(rèn)為作為規(guī)律當(dāng)使用根據(jù)現(xiàn)有 技術(shù)的設(shè)備時，脈沖能量水平和每單位時間的脈沖數(shù)目越高，這種問 題越突出。在成功燒蝕過程中，材料蒸發(fā)為原子顆粒。但當(dāng)具有干擾 因素時，靶材料可釋放或捕獲一些微米尺寸的碎片，從而自然會影響 在其上進行燒蝕的表面的生產(chǎn)質(zhì)量。
因為目前已知的掃描器的速度低，增加脈沖頻率會導(dǎo)致進入反射 鏡結(jié)構(gòu)的脈沖激光束的能量水平提高，使得目前反射鏡結(jié)構(gòu)熔融/燒 損，除非激光束在其進入反射鏡前通過掃描器放大。因此，必須在掃 描器和燒蝕靶間添加單獨的準(zhǔn)直透鏡裝置。
決定目前掃描器操作極限性能的是它們輕的質(zhì)量。這也意味著它 們的質(zhì)量小，它們吸收激光束能量的容量同樣受到限制。這也會在根 據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用中引起熔融/燒損危險的增加。
現(xiàn)有技術(shù)的另一問題是激光束的掃描寬度。使用這種反射鏡薄膜
掃描器進行線性掃描的方法理論上允許直到70mm的掃描線寬度，而實 際上掃描寬度僅限于30mm，這使得在面層上留有不均勻質(zhì)量不均勻散 射的網(wǎng)格狀區(qū)域。這種小的掃描寬度使得目前用于涉及大的、寬的物 體的表面處理應(yīng)用的激光設(shè)備不適于工業(yè)用途或技術(shù)上不可行。
如果根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)發(fā)生激光束沒有對焦的情況，獲得的等離子體
12質(zhì)量相當(dāng)差。釋放的等離子體也可能含有從靶釋放的碎片。同時，要 從耙釋放的材料可被損壞，使其不能使用。典型的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)使用 過厚的靶作為材料源的情況就是這種情況。為了保持最佳焦距，靶必 須朝激光束方向移動以對應(yīng)于靶的腐蝕。這留有不能解決的問題，即 使能夠?qū)性俅螌?，靶面的結(jié)構(gòu)和組成可能已經(jīng)改變，與從其蒸發(fā) 的材料量成比例。使用現(xiàn)有技術(shù)，當(dāng)材料消耗時，厚靶的表面結(jié)構(gòu)發(fā) 生改變。如果例如靶是化合物或混合物，容易檢測到這種變化。
在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的裝置中，在與蒸發(fā)材料相關(guān)的燒蝕過程中激光 束焦點的變化會立即改變等離子體的質(zhì)量，因為材料表面上的脈沖能
量密度通常降低，導(dǎo)致等離子體不完全的蒸發(fā)/形成。結(jié)果是低能量的 等離子體和不必要的大量碎片/顆粒及面層形貌變化和附著及涂層厚
度潛在變化。
試圖通過調(diào)整焦點減輕該問題。當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的激光脈沖重復(fù)
頻率低時，例如低于200kHz，掃描速率僅3m/s或更少，變化僅對等 離子體強度具有緩慢影響，而設(shè)備具有通過調(diào)整焦點對等離子強度的 改變作出反應(yīng)的時間。當(dāng)a)面層質(zhì)量和其均勻性不重要時，b)使用低 掃描速率時，能使用用于等離子體強度的所謂實時測量系統(tǒng)。
根據(jù)申請人在本申請優(yōu)先權(quán)日時獲得的信息，這是不能使用現(xiàn)有 技術(shù)產(chǎn)生高質(zhì)量等離子體的原因。這也是不能使用現(xiàn)有技術(shù)制備多種 涂層的原因。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)需要在其中不得不使用的復(fù)雜系統(tǒng)。在現(xiàn)有 技術(shù)的方法中，靶通常是厚棒或片的形式。在這種情況下，必須使用 變焦聚焦透鏡，或當(dāng)靶消耗時靶必須朝激光束移動。只是這種結(jié)構(gòu)的 實際實施在技術(shù)上就是非常昂貴并且困難，否則如果要求充分可靠性 并避免大的質(zhì)量變化，將是完全不可能的，在這種情況下，進行精確 調(diào)整幾乎不可能，準(zhǔn)備厚耙是昂貴的等。
美國專利公開解釋了如何能使用現(xiàn)有技術(shù)通過S偏振或P偏振或
圓偏振光但不使用隨機偏振光將激光脈沖引導(dǎo)到燒蝕靶。發(fā)明概述
基于激光燒蝕的目前涂覆方法不允許對例如三維物體進行使其具 有優(yōu)質(zhì)涂層的有效涂覆。使用現(xiàn)有技術(shù)方法產(chǎn)生的材料等離子體羽輝
(典型地，如討論的30-70mm)增加要蒸發(fā)的靶和要涂覆的基體間的距 離，使得三維物體面層具有不均勻的厚度或質(zhì)量。為了在涂覆小的平 面物體方面獲得甚至是中等程度的成功，現(xiàn)有技術(shù)方法也需要使用高 成本的高真空水平，真空典型地至少在10—5-10—6mbar范圍。
本發(fā)明的目的是涂覆物體使其具有一層或多層涂層的激光燒蝕方 法，使得要涂覆的物體或基體和使用激光束要燒蝕的材料或靶間的距 離為0. lmm-10mm。本發(fā)明允許以經(jīng)濟和工業(yè)上可行的方式生產(chǎn)具有高 質(zhì)量的任何平面或三維面層或甚至三維物體。
通常，不同的涂覆方法需要顯著不同的距離以獲得均勻的涂層結(jié)果。
本發(fā)明基于下面令人吃驚的發(fā)現(xiàn)能使用工業(yè)上可行的生產(chǎn)速度 涂覆平面、特別是三維幾何物體，使其具有優(yōu)異技術(shù)質(zhì)量(均勻性、光 滑度、面層硬度和光學(xué)特性和晶體結(jié)構(gòu)，如果應(yīng)用時)，燒蝕的靶材料 和涂覆基體間的距離保持足夠小，即0. lmm-10mm。
在下文中，能看到根據(jù)本發(fā)明甚至在低真空或在一定條件下， 甚至在氣體氣氛中在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下能制造技術(shù)上優(yōu)質(zhì)的相同面層。 由于在生產(chǎn)中降低設(shè)備要求(好的真空室)和較快的通過時間，這自然 顯著降低生產(chǎn)成本。先前使用激光燒蝕涂覆一些、特別是大的物體經(jīng) 濟上是不可行的，因為大的物體需要大的和緩慢抽空的真空室，使得 經(jīng)濟地進行生產(chǎn)是不可行的。此外，某些材料例如含結(jié)晶水的巖石材 料禁止使用高真空，因為當(dāng)結(jié)合高溫時這會引起結(jié)晶水的損失，從而 使巖石材料分解。
根據(jù)本發(fā)明的面層生產(chǎn)速度與現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)速度相比是巨大的。 當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)方法允許24小時生產(chǎn)l克拉(O. 2g)金剛石材料時，本方法 例如使用20W激光功率在4小時內(nèi)生產(chǎn)4克拉(0. 8g)。發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā) 明能根據(jù)現(xiàn)有需要調(diào)整所需材料例如金剛石的定性性質(zhì)。本發(fā)明的一個目的是提供一套表面處理的設(shè)備，其允許解決、或 至少減輕與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的問題。本發(fā)明的另一目的是提供涂覆待涂 覆的物體的方法、整套設(shè)備和/或裝置，與根據(jù)在本申請優(yōu)先權(quán)日時現(xiàn) 有技術(shù)已知的相比更為有效并具有更高質(zhì)量的涂層。另一目的是提供 使用這種技術(shù)完成的三維印刷單元，其中使用表面處理設(shè)備對物體進 行反復(fù)涂覆，與根據(jù)本申請優(yōu)先權(quán)日時的現(xiàn)有技術(shù)相比更為有效并且
具有更好的面層質(zhì)量。本發(fā)明的目的與下面目標(biāo)有關(guān)
本發(fā)明的一個主要目標(biāo)是提供至少一種新方法和/或其相關(guān)設(shè)備， 用于解決如何通過使用任何可獲得的靶產(chǎn)生高質(zhì)量、良好的等離子體 的問題，使得靶材料在等離子體中不形成任何碎片，換句話說，使得 等離子體是純的，或使得如果存在所述碎片的話，僅少量存在，尺寸 小于通過燒蝕所述靶由其生成所述等離子體的燒蝕深度。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供至少一種新方法和/或其相關(guān)設(shè)備，用于 解決如何通過釋放高質(zhì)量等離子體產(chǎn)生用于冷加工方法的細且均勻的 切割面的問題，使得靶材料在等離子體中不形成任何碎片，換句話說 使得等離子體是純的，或使得如果存在所述碎片的話，僅少量存在， 尺寸小于通過燒蝕所述把由其生成所述等離子體的燒蝕深度。
本發(fā)明的另一、第三目標(biāo)是提供至少一種新方法和/或其相關(guān)設(shè) 備，解決如何使用完全不含有顆粒狀碎片的高質(zhì)量等離子體涂覆作為 基體的區(qū)域的問題，換句話說，等離子體純的，或如果存在所述碎片 的話，僅少量存在，尺寸小于通過燒蝕所述靶由其生成所述等離子體 的燒蝕深度。換言之，通過使用實際上能從任何材料產(chǎn)生的純的等離子 體涂覆基體表面。
本發(fā)明的另一、第四目標(biāo)是提供至少一種新方法和/或其相關(guān)設(shè) 備，用于解決如何使用高質(zhì)量等離子體產(chǎn)生具有好的附著性質(zhì)以粘附 在基體上的涂層的問題，以這種方式通過限制產(chǎn)生碎片或?qū)⑵涑叽缦?制為小于燒蝕深度來降低顆粒狀碎片浪費的動能。同時，沒有碎片意 味著它們不形成可能通過成核和冷凝現(xiàn)象影響等離子體羽輝均勻性的 冷卻表面。此外，根據(jù)第四目標(biāo)，當(dāng)進行熱效應(yīng)的區(qū)域變小或當(dāng)優(yōu)選使用短輻射脈沖換句話說其持續(xù)時間(兩個連續(xù)脈沖間的間隔)在皮 秒范圍或更短的脈沖時，輻射能量可有效轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子能。
本發(fā)明的另一、第五目標(biāo)是提供至少一種新方法和/或其相關(guān)設(shè) 備，用于解決如何以工業(yè)規(guī)模甚至對于大的物體獲得寬的掃描寬度同 時獲得高質(zhì)量的等離子體和寬的涂層寬度的問題。
本發(fā)明的另一、第六目標(biāo)是提供至少一種新方法和/或其相關(guān)設(shè) 備，用于解決如何在工業(yè)規(guī)模應(yīng)用中獲得高重復(fù)頻率并符合上述目標(biāo) 的問題。
本發(fā)明的另一、第七目標(biāo)是提供至少一種新方法和/或其相關(guān)設(shè) 備，用于解決如何產(chǎn)生用于涂覆表面的高質(zhì)量等離子體的問題，以制 造符合第一至第六目標(biāo)的產(chǎn)品，同時節(jié)約靶材料，在制備需要相同質(zhì) 量涂層/薄膜的涂覆階段再次使用。
發(fā)明的另一附加的目標(biāo)是使用這種符合所述第一、第二、第三、 第四和/或第五目標(biāo)的方法和設(shè)備，用于解決如何對符合適合目標(biāo)的每 種適合類型的該產(chǎn)品進行冷加工和/或涂覆表面的問題。
通過使用基于使用等離子體的表面處理裝置產(chǎn)生高質(zhì)量等離子體 獲得本發(fā)明的目標(biāo)，在根據(jù)本發(fā)明的實施方案中裝置在輻射傳輸線路
中具有渦輪掃描器(turbine scanner)。
當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明實施方案的表面處理裝置時，從要處理的表面 除去材料和/或制備涂層能達到需要高質(zhì)量涂層的標(biāo)準(zhǔn)，甚至以足夠的 生產(chǎn)速度而無需限制輻射功率。
在從屬權(quán)利要求中通過實施例也給出了本發(fā)明的其它實施方案。
本發(fā)明的實施方案可以以適合的部分進行組合。
能在產(chǎn)品和/或涂層的制備中使用本發(fā)明的實施方案，使得產(chǎn)品原 料能相對自由選擇。例如，能以適于大量生產(chǎn)的方式大量地、經(jīng)濟地、 以可重復(fù)的方式并以好的質(zhì)量制備半導(dǎo)體金剛石材料。
在本發(fā)明的實施方案組中，表面處理基于激光燒蝕，幾乎能使用 任意激光源作為發(fā)射輻射源，以在裝備有渦輪掃描器的輻射傳輸線路 中進行傳輸。因此適合的激光源包括激光例如CW、半導(dǎo)體激光和脈沖持續(xù)時間在皮秒、飛秒或阿秒范圍內(nèi)的脈沖激光系統(tǒng)，后三種脈沖持 續(xù)時間代表適于冷加工方法的激光源。然而，本發(fā)明并不限制輻射源 的選擇。


圖l表明對于根據(jù)本發(fā)明的方法，可能的不同應(yīng)用區(qū)域，
圖2表明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的一組燒蝕涂覆設(shè)備， 圖3表明使用根據(jù)本發(fā)明實施方案的設(shè)備制備的、基體上的多層 結(jié)構(gòu)，
圖4表明本發(fā)明的一個這種實施方案，在裝置中通過激光燒蝕制 備單晶金剛石棒，其中要蒸發(fā)的碳材料(材料坯料12 7)由熱解碳組成， 靼和基體間距離為4mm，
圖5表明根據(jù)本發(fā)明涂覆的大的三維物體，在這種情況下是雪伊， 圖6表明根據(jù)本發(fā)明涂覆的無線電通訊裝置殼結(jié)構(gòu)， 圖7表明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的一組燒蝕涂覆設(shè)備，其中以 帶的形式提供靶，
圖8表明用于本發(fā)明特定實施方案中的掃描激光束的渦輪掃描
器，
圖9表明熱加工(微秒和納秒脈沖激光、長的脈沖)和冷加工(皮秒 和飛秒激光，短脈沖)間傳遞到燒蝕材料的熱量和靶材料損傷的差異，
圖IO表明根據(jù)本發(fā)明涂覆巖石產(chǎn)品的特定實施方案，
圖ll表明根據(jù)本發(fā)明涂覆的特定醫(yī)療器械，
圖12表明的根據(jù)本發(fā)明涂覆的特定醫(yī)療產(chǎn)品，
圖13表明根據(jù)本發(fā)明涂覆的特定飛機部件，
圖14表明根據(jù)本發(fā)明涂覆氧化鋁的特定光學(xué)產(chǎn)品，
圖15表明根據(jù)本發(fā)明實施方案具有處理過的表面的產(chǎn)品的特定 實施例。
發(fā)明的詳細i兌明本發(fā)明的目的是涂覆物體使其具有一層或多層涂層的激光燒蝕方 法，使得要涂覆的物體或基體和使用激光束要燒蝕的材料或靶之間的
距離為0. lmm-10醒。在本發(fā)明的一個實施方案中，基體和靶之間的距 離為lmm-8mm、更優(yōu)選3mm-6mm。所需距離取決于要涂覆的基體和面層 所需的質(zhì)量和/或技術(shù)性能。
在本發(fā)明的另 一實施方案中，靶和基體間的距離小至2 p m-0. lmm。 使用這種距離，根據(jù)本發(fā)明以良好的生產(chǎn)速度獲得優(yōu)異的面層質(zhì)量， 例如尖銳的物體例如針或刀的尖。面層硬度也是優(yōu)異的。本發(fā)明的一 個實施方案是涂覆金剛石的針、刀和刀刃，特別是所有這些的尖端。 也能使用其它硬鍍層材料替換金剛石。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，要涂覆的面層由從單個靶燒蝕 的材料構(gòu)成。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案中，要涂覆的面層由同時從幾個靶 燒蝕的材料構(gòu)成。
此外，在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案中，通過在燒蝕材料形成的 等離子體材料羽輝中引入活性材料形成要涂覆的面層，活性材料與等 離子體材料羽輝的燒蝕材料進行反應(yīng)，從而在基體上形成一種化合物
或多種化合物涂層。
因此，當(dāng)通過激光脈沖對靼進行燒蝕時形成等離子體材料分子水 平的羽輝。
為了便于清楚說明，必須指出原子等離子體也表示至少部分電離 的氣體，所述氣體也可含有仍然具有通過電場力與原子核結(jié)合的電子 的部分原子。因此，例如電離后的氖能作為原子水平等離子體。自然 地，僅由分離的電子和只是核構(gòu)成的顆粒體也認(rèn)為是等離子體。因此， 純的好的等離子體僅含有氣體、原子水平等離子體和/或等離子體，但 不含有例如固體碎片和/或顆粒。
應(yīng)指出，對于在脈沖激光沉積(PLD)應(yīng)用中使用脈沖，PLD中激光
脈沖的持續(xù)時間越長，通過脈沖沖擊從靶蒸發(fā)的材料中的等離子體能 量水平和原子速度越低。因此，脈沖越短，蒸發(fā)材料的能量水平和材料羽輝中的原子速度越高。另一方面，這也意味著通過蒸發(fā)材料獲得 的等離子體更為均勻，不含有固相沉淀物和/或液相和/或冷凝產(chǎn)物例
如碎片、簇狀物、微顆?；蚝暧^顆粒。換句話說，脈沖越短，重復(fù)頻 率越高，產(chǎn)生的等離子體質(zhì)量越好，只要超過燒蝕材料的燒蝕臨界值。 擊中材料的激光脈沖的熱傳導(dǎo)深度隨不同激光系統(tǒng)而顯著不同。
該區(qū)域稱為熱影響區(qū)(HAZ)。 HAZ的深度主要由激光脈沖的功率和持續(xù) 時間決定。例如，納秒脈沖激光系統(tǒng)典型地產(chǎn)生幾百毫焦耳或更多的 脈沖功率，而皮秒激光系統(tǒng)產(chǎn)生l...lOjn J(微焦耳)范圍的脈沖功率。 如果兩者具有相同重復(fù)頻率，顯然通過納秒激光系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖HAZ 比皮秒激光產(chǎn)生的HAZ大1000多倍。顯著較薄的燒蝕層也對從表面釋 放的碎片尺寸具有直接影響，這對于所謂的冷燒蝕方法是有利的。納 米尺寸范圍的顆粒很少引起面層的任何主要缺陷，當(dāng)撞擊基體時主要 僅在涂層上產(chǎn)生針孔。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，使用電場和/或磁 場除去固相(以及液相中，如果有的話)中存在的碎片。這可通過利用 聚集電場(collecting electric field)并在電荷下保持靶進行，使得
具有較少電遷移率的碎片直接從等離子體羽輝中除去。以相同方式通 過等離子體羽輝偏轉(zhuǎn)進行磁過濾，使顆粒從等離子體中分離。
^f艮據(jù)本發(fā)明，面層一詞可表示面層或3D材料。在此對于面層沒有 幾何或三維限制。因此根據(jù)本發(fā)明不僅能夠涂覆3D材料，而且能夠制 備它們。
根據(jù)本發(fā)明涂覆基體使得在整個物體上形成光滑、沒有針孔的面層。
根據(jù)本發(fā)明，基體能例如由金屬、金屬化合物、玻璃、石材、陶 瓷材料、合成聚合物、半合成聚合物、天然存在的聚合物、復(fù)合材料、 無機的或有機的單體或低聚物材料、或一種或多種上述基體的組合構(gòu)成。
類似地，靼能例如由金屬、金屬化合物、玻璃、石材、陶瓷材料、 合成聚合物、半合成聚合物、天然存在的聚合物、復(fù)合材料、無機的 或有機的單體或低聚物材料、或一種或多種上述靶的組合構(gòu)成。在此，半合成化合物指的是例如改性的天然存在的聚合物或含有 這些的復(fù)合物。
換句話說，本發(fā)明不限制于特定基體或靶。
根據(jù)本發(fā)明，金屬能使用例如另一金屬、金屬化合物、玻璃、石 材、陶瓷材料、合成聚合物、半合成聚合物、天然存在的聚合物、復(fù) 合材料、無機的或有機的單體或低聚物材料、或一種或多種上述基體 的組合進行涂覆。
金屬化合物能使用例如金屬、另一種金屬化合物、玻璃、石材、 陶瓷材料、合成聚合物、半合成聚合物、天然存在的聚合物、復(fù)合材 料、無機的或有機的單體或低聚物材料、或一種或多種上述基體的組 合進行涂覆。
玻璃能使用例如金屬、金屬化合物、另一種玻璃材料、石材、陶 瓷材料、合成聚合物、半合成聚合物、天然存在的聚合物、復(fù)合材料、 無機的或有機的單體或低聚物材料、或一種或多種上述基體的組合進 行涂覆。
石材能使用例如金屬、金屬化合物、玻璃、另一種石材、陶瓷材 料、合成聚合物、半合成聚合物、天然存在的聚合物、復(fù)合材料、無 機的或有機的單體或低聚物材料、或一種或多種上述基體的組合進行 涂覆。
陶瓷能使用例如金屬、金屬化合物、玻璃、石材、另一種陶瓷材 料、合成聚合物、半合成聚合物、天然存在的聚合物、復(fù)合材料、無 機的或有機的單體或低聚物材料、或一種或多種上述基體的組合進行
、 合成聚合物能使用例如金屬、金屬化合物、玻璃、石材、陶瓷材 料、另一種合成聚合物、半合成聚合物、復(fù)合材料、天然存在的聚合 物、無機的或有機的單體或低聚物材料、或一種或多種上述基體的組 合進行涂覆。
此外，根據(jù)本發(fā)明半合成聚合物能使用例如金屬、金屬化合物、 玻璃、石材、陶瓷材料、合成聚合物、另一種半合成聚合物、天然存
20在的聚合物、復(fù)合材料、無機的或有機的單體或低聚物材料、或一種 或多種上述基體的組合進行涂覆。
此外，根據(jù)本發(fā)明天然存在的聚合物能使用例如金屬、金屬化合 物、玻璃、石材、陶瓷材料、合成聚合物、半合成聚合物、另一種天 然存在的聚合物、復(fù)合材料、無機的或有機的單體或低聚物材料、或 一種或多種上述基體的組合進行涂覆。
此外，根據(jù)本發(fā)明復(fù)合材料能使用例如金屬、金屬化合物、玻璃、 石材、陶瓷材料、合成聚合物、半合成聚合物、天然存在的聚合物、 另一種復(fù)合材料、無機的或有機的單體或低聚物材料、或一種或多種 上述基體的組合進行涂覆。
紙和紙板也可使用所有上述化合物進行涂覆。
復(fù)合材料的一種定義在出版物聚合物科學(xué)詞典(Alger， M.S.M， Elsewier Applied Science, 1990， p. 81)中，其定義復(fù)合材料如下
"由兩種或多種簡單(或單體)材料構(gòu)成的固體材料，其中每種組分保 持它們各自的本性。復(fù)合材料顯示與其各自組分材料不同的性能；使 用特性(attribute)復(fù)合物通常涉及改善物理性能，因為主要技術(shù)目 標(biāo)是制備性能優(yōu)于組分材料性能的材料。復(fù)合材料也具有基于復(fù)合組 分的由兩相或多相構(gòu)成的多相結(jié)構(gòu)。所述相可以是連續(xù)的，或一種或 多種相可以是在連續(xù)基質(zhì)中分散的相，，。
根據(jù)本發(fā)明，除全新化合物外，也能夠制備復(fù)合材料，其中使用 兩種或多種材料在分子水平構(gòu)造復(fù)合材料。在本發(fā)明的一個實施方案 中，由例如聚硅氧烷和金剛石制備面層或3D結(jié)構(gòu)，在本發(fā)明的另一實 施方案中，例如由聚硅氧烷和碳氮化物(carbonitride)制備面層或3D 結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，能自由選擇復(fù)合材料中的兩種或多種組分的相對 量。
更進一步，根據(jù)本發(fā)明無機單體或低聚物材料能使用例如金屬、 金屬化合物、玻璃、石材、陶瓷材料、合成聚合物、半合成聚合物、 天然存在的聚合物、復(fù)合材料、另一種無機的或有機的單體或低聚物 材料、或一種或多種上述基體的組合進行涂覆。更進一步，根據(jù)本發(fā)明有機單體或低聚物材料能使用例如金屬、 金屬化合物、玻璃、石材、陶瓷材料、合成聚合物、半合成聚合物、 天然存在的聚合物、復(fù)合材料、無機的或另一種有機的單體或低聚物 材料、或一種或多種上述基體的組合進行涂覆。
根據(jù)本發(fā)明所有上述基體的組合也能使用 一種或多種上述基體的 組合進行涂覆。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，能使用燒蝕的材料進行3D印刷(3 維)。根據(jù)在本申請優(yōu)先權(quán)日時已知的現(xiàn)有技術(shù)的3D印刷(例如Scroff Development Inc.商標(biāo)JP System 5、BPM Technology Inc.的Ballistic Particle Manufacturing、 Solidscape Inc.的 Model Maker、 3D Systems Inc.的Multi Jet Model 1 ing和Z/>司的Z402系統(tǒng))使用具 有相對適中機械壽命的材料。因為根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備能夠具有高效率， 即以相對便宜的方式具有快速的層產(chǎn)生速率，當(dāng)使用例如石墨或者金 剛石形式的碳時，能根據(jù)例如噴墨打印機的原理直接將燒蝕材料逐層 地(slice by slice)地射到對應(yīng)于打印物體的層上。因此，例如使 用碳能制備足夠耐用的結(jié)構(gòu)。然而，本發(fā)明并不限制本發(fā)明的實施方 案僅為金剛石材料；基于燒蝕材料的選擇，也能使用其它材料。因此， 能使用例如根據(jù)本發(fā)明實施方案的設(shè)備從幾乎任何適合的材料、例如 金剛石或碳氮化物生產(chǎn)中空或?qū)嵭奈矬w。
因此，例如著名的David雕塑能首先逐層進行印刷，從而由金剛 石層構(gòu)成，之后層間的任何邊緣能使用燒蝕進行平滑化。雕像能給予 適合的顏色色調(diào)，甚至通過摻雜/合金化金剛石材料分別對每一層賦予 顏色。因此，幾乎任何3D物體能直接進行印刷，例如工具、備件或類 似物體、顯示器零件、PDA的殼結(jié)構(gòu)或其它物體例如移動電話或其零 件。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實施方案，形成涂覆的面層，使得每mm2面層 含有少于一個的針孔、優(yōu)選每cm2少于一個針孔和最優(yōu)選在涂覆區(qū)域 根本沒有針孔。在此，針孔一詞指的是穿過整個涂層的孔洞或基本上 穿過涂層的孔洞。存在針孔會顯著降低涂層的質(zhì)量和使用壽命。本發(fā)明的主題也包括根據(jù)所述方法如此生產(chǎn)的產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，形成涂覆的面層，使得形成面層的
最初50%,在形成的面層上沒有形成任何直徑超過1000nm的顆粒，優(yōu) 選沒有尺寸超過100nm的顆粒，最優(yōu)選沒有尺寸超過30nm的顆粒。這 種顆粒顯著損害涂層的質(zhì)量和使用壽命。這種顆粒在涂層中形成腐蝕 的通道。本發(fā)明的主題也包括根據(jù)所述方法如此生產(chǎn)的產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案，使用脈沖冷加工激光通過燒蝕 靶對要涂覆的物體即基體進行涂覆，使得在涂覆物體上形成的面層的 最大粗糙度(使用原子力顯微鏡(AFM)在1平方微米區(qū)域測量的)是士 100nm。更優(yōu)選，面層的最大粗糙度小于25nm,最優(yōu)選小于10nm。本 發(fā)明的主題也包括根據(jù)所述方法如此生產(chǎn)的產(chǎn)品。
在根據(jù)本發(fā)明的涂覆方法中，使用脈沖激光器進行激光燒蝕。在 本發(fā)明特別優(yōu)選的實施方案中，用于燒蝕的激光設(shè)備是冷加工激光， 例如皮秒激光。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案中，激光設(shè)備是飛秒激 光，在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案中，激光設(shè)備是阿秒激光。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，冷加工激光的功率優(yōu)選至少為IOW、更 優(yōu)選至少為20W且最優(yōu)選至少為50W。在此對于激光設(shè)備的功率不設(shè) 定上限。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，通過在低真空或甚至在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下 在氣體氣氛中使用激光燒蝕涂覆基體獲得高質(zhì)量、對于應(yīng)用足夠耐用 具有適合光學(xué)特性能的面層(具有所需顏色或透明)。
可在室溫或接近室溫下進行涂覆，例如使基體為約60匸或顯著升 高基體溫度OIOO'C)。
當(dāng)涂覆大的物體(大范圍的基體表面)、例如建筑工業(yè)所使用的巖 石、金屬、復(fù)合物和各種聚合物板材時特別有利。使用現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn) 有涂覆方法，將這樣的物體置于足夠的高真空下，除了非常昂貴外， 也非常援慢，因此顯著增加涂覆過程的通過時間。對于許多應(yīng)用，例 如當(dāng)涂覆多孔材料(巖石等)時，不可能獲得高真空。如果也涉及加熱， 多數(shù)巖石將失去它們的結(jié)晶水，這將自然轉(zhuǎn)變巖石材料的結(jié)構(gòu)，損害或破壞其對于所需用途的使用。
如果涂覆能在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下或接近低真空下進行，那么對于操 作的質(zhì)量和成本具有影響。在某些應(yīng)用中，使得可以制備先前不能制 造的產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明許多巖石產(chǎn)品能使用例如氧化鋁進行涂覆以產(chǎn)生耐用 的面層。除氣體外，這種面層也阻止水分，從而例如阻止在巖石材料 內(nèi)部或表面上形成巖石分解真菌或水。根據(jù)本發(fā)明，巖石材料能直接
涂覆氧化鋁或例如涂覆金屬鋁，涂覆后使用多種方法例如RTA+光、熱 氧化(500匸)或者在沸水中熱氧化對形成的鋁面層進行氧化。如果在鋁 中添加一定量某種元素例如鋯，與純鋁相比金屬面層可更有效地進行 氧化，并形成覆蓋所有巖石孔隙的致密氧化物面層。面層也變得透明。 根據(jù)本發(fā)明，還可以在最終通過氧化形成面層前通過在面層中添加顏 料或著色劑將巖石材料染成一定的顏色。根據(jù)本發(fā)明使用激光燒蝕能 制備這種賦予巖石產(chǎn)品顏色的面層。根據(jù)本發(fā)明氧化鋁面層能用任何 其它硬質(zhì)面層例如金剛石面層、碳氮化物面層、其它巖石面層或其它 氧化物面層替換。在本發(fā)明的一個實施方案中，沉積自清潔面層作為 巖石產(chǎn)品的外層涂層。
如果氧化鋁面層具有一致的晶體結(jié)構(gòu)，通常稱為藍寶石面層。 例如能由氧化鈦或氧化鋅制得這種自清潔面層。根據(jù)本發(fā)明，能
體進行涂覆。根據(jù)本發(fā)明面層的厚度優(yōu)選10nm-150nm、更優(yōu)選 15認(rèn)-100nm、最優(yōu)選20nm-50nm。
如果在基體上需要UV保護涂層，能用鋁層進一步涂覆上述光催化 面層。
在本發(fā)明的另一實施方案中，在10—LlO—12atm真空中進行激光燒蝕。
如果涂覆在真空中進行，根據(jù)本發(fā)明涂覆或制造3D物體優(yōu)選在 10 3-l(Tatm壓力下進行。最優(yōu)選的在10"-l(Tatm下進行。
在本發(fā)明的一個實施方案中特別當(dāng)形成單晶材料例如單晶金剛石、氧化鋁或硅的面層時，使用較高真空是有利的。根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn) 的單晶金剛石或硅材料例如用于半導(dǎo)體，在金剛石情況下，也可作為
珠寶、作為激光設(shè)備的零件(二極管激發(fā)的光條(light bar)、透鏡 技術(shù)方案(lens solution)、纖維)、在需要這種面層的應(yīng)用中用于 非常耐用的面層等。
根據(jù)本發(fā)明例如能在銦基體上生長半導(dǎo)體金剛石(圖4)，例如能 直接在塑料或紙上生長半導(dǎo)體硅。如果硅層足夠薄，例如5-15 jum， 這種半導(dǎo)體能進行彎曲，能進一步用于例如制造可彎曲的電子元件。
能將基于金剛石和基于硅的半導(dǎo)體材料切割成所需形狀，優(yōu)選使用皮 秒激光器更優(yōu)選使用裝備有渦輪掃描器的皮秒激光器。根據(jù)本發(fā)明制 造的金剛石和硅半導(dǎo)體材料能摻雜適合的元素及其組合以例如獲得所 需的導(dǎo)電性能。
在根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案中，在基體上形成一層或多層金剛 石面層。在這種金剛石面層中，優(yōu)選sps鍵數(shù)目非常高，不同于現(xiàn)有 技術(shù)類金剛石碳(DLC)面層的情況，根據(jù)本發(fā)明生成的面層在所有面層 厚度均非常堅硬且抗刮傷。金剛石面層優(yōu)選是透明的。也能承受高溫， 不同于例如現(xiàn)有技術(shù)質(zhì)量差的DLC，其在厚度lmm是為黑色，僅承受 至多200X:的溫度。優(yōu)選使用無氫碳源制備根據(jù)本發(fā)明生成的金剛石 面層。優(yōu)選碳源是燒結(jié)碳，最優(yōu)選是熱解碳玻璃碳。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)制備例如用于MEMS應(yīng)用的單晶金剛石材料時，靶 特別優(yōu)選是熱解碳。
如果要制備質(zhì)量更適中的DLC面層，也可根據(jù)本發(fā)明快速并且以 低的成本進行。
如果需要著色的金剛石面層，能通過除蒸發(fā)碳外蒸發(fā)產(chǎn)生所需顏 色的元素或化合物對要形成的金剛石面層進行著色。
根據(jù)本發(fā)明制備的金剛石面層不僅阻止下層面層的機械磨損，而 且阻止化學(xué)侵蝕。金剛石面層阻止例如金屬氧化及對它們裝飾和其它
功能的損傷。金剛石面層也保護下層面層不受酸和堿侵蝕。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施方案中，通過激光束對靶進行燒蝕，使得材料基本上始終在先前沒有進行燒蝕的靶的位置進行蒸發(fā)。
能通過移動靶使得總對新的表面進行燒蝕。在現(xiàn)有技術(shù)的方法中， 靶坯料通常是厚棒或片的形式。它們需要使用變焦聚焦透鏡，或當(dāng)其 消耗時靶坯料必須相對于激光束進行移動。如果要求完全具有足夠的 可靠性，僅嘗試實施就非常困難并且昂貴，質(zhì)量仍然變化很大，使得 精確控制幾乎不可能，制備厚坯料也是昂貴的等。
因為存在由于現(xiàn)有技術(shù)的掃描器導(dǎo)致的對激光束控制技術(shù)的限
制，所以不可能在不發(fā)生破壞(disruption)的情況下進行，特別當(dāng) 增加激光設(shè)備的脈沖頻率時。如果嘗試進一步提高脈沖頻率到4MHz或 更高，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的掃描器會引起顯著部分的激光束脈沖不僅不受 控地射向激光設(shè)備的壁結(jié)構(gòu)，而且不受控地射向等離子體形式的燒蝕 材料。這具有降低由燒蝕材料形成的面層質(zhì)量、減緩生產(chǎn)速率的凈效 應(yīng)，及擊中耙的輻射通量變化過大的效應(yīng)，這在形成的等離子體結(jié)構(gòu) 上是明顯的，導(dǎo)致不均勻的涂覆面層。如果全部或部分激光束擊中已 經(jīng)被燒蝕的表面，靶和基體間的距離將隨這些脈沖變化。當(dāng)擊中靶的 脈沖接觸到靶早期燒蝕的位置時，不同脈沖釋放不同量的材料，使得 個別微米尺寸的顆粒從靶上被燒蝕掉。當(dāng)擊中基體時，這種顆粒將顯 著損害所形成的面層的質(zhì)量，因此也損害產(chǎn)品的性能。
在本發(fā)明的一個實施方案中，靶材料是轉(zhuǎn)動的現(xiàn)有技術(shù)靶材料， 如專利公開美國6， 372， 103中描述的。在根據(jù)本發(fā)明另一實施方案中， 靶材料是可市售獲得的瓦狀靶。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，以薄膜/帶的形式提供靶材料。
在一個這種優(yōu)選的實施方案中，薄膜/箔片以巻材形式，例如如圖 7所示。當(dāng)薄膜首先以一扇形激光束的寬度自始至終蒸發(fā)時，例如， 帶/箔片向一側(cè)移動足夠的量，使得能形成全新的路徑。這能持續(xù)到箔 片/薄膜的整個寬度用盡。因為源材料保持恒定，該系統(tǒng)的主要優(yōu)點自 然是蒸發(fā)結(jié)果保持恒定，且是優(yōu)質(zhì)的。
本發(fā)明的另一實施方案，基于圖7中的箔片/帶(46)a)比激光束焦 距深度薄，b)厚度與激光束焦距深度相同或c)比激光束焦距深度厚。
26超出激光束焦距深度的材料部分在單獨的巻(48)上收集。帶/箔片的厚 度可例如是5 inm-5mm，優(yōu)選20pm-lmm，最優(yōu)選50 ja m-200 p m。
在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方案中，靶和基體間距離在整個 燒蝕過程中基本上保持恒定。
在根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的涂覆方法中，對于激光束，無需調(diào) 整機構(gòu)，這意味著根據(jù)本發(fā)明實施方案的箔片/帶蒸發(fā)系統(tǒng)同樣無需焦 距調(diào)整步驟。當(dāng)未使用過的薄膜供料的面層作為靶時無需所述調(diào)整機 構(gòu)，因為箔片/薄膜對于焦距的調(diào)整保持恒定。薄膜中，僅利用對應(yīng)于 激光束焦距深度的材料部分(圖17)。因此，獲得光滑涂覆結(jié)果，在涂 覆過程中無需對焦單元。
因為靶材料昂貴，優(yōu)選僅使用靶材料未使用過的面層，工業(yè)上也 優(yōu)選使用盡可能薄的靶材料。與目前靶材料相比，帶形式的靶材料自 然更為便宜，并且由于不復(fù)雜和更經(jīng)濟的生產(chǎn)方法更容易獲得。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案中，應(yīng)用片材供料。在此，提供新 的以片狀形式的靶用于涂覆每個物體。這種供料方法適于例如氧化鋁 陶瓷片(如今能作為具有光滑面層、薄并且小的片材進行常規(guī)生產(chǎn))。 大的靼的制造通常困難并且昂貴。
掃描寬度是現(xiàn)有技術(shù)方法的一個問題。其使用反射鏡薄膜掃描器 進行線性掃描；可認(rèn)為理論上允許約70mm標(biāo)稱掃描行寬，但實際上， 掃描寬度僅限于30讓，這意味著掃描區(qū)域的邊緣質(zhì)量不均和/或不同 于中間區(qū)域。這種小的掃描寬度也意味著使用目前可獲得的激光設(shè)備 進行大的、寬的物體的工業(yè)規(guī)模涂覆應(yīng)用在經(jīng)濟上或技術(shù)上是不可行 的。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，激光束通過渦輪掃描器射向靶。 渦輪掃描器解決了先前平面反射鏡掃描器的功率傳輸問題，使得 能使用足夠高的脈沖功率對靶材料進行蒸發(fā)，提供好的并且質(zhì)量均勻 的等離子體，從而制備優(yōu)質(zhì)的面層和3D結(jié)構(gòu)。渦輪掃描器也具有大的
掃描寬度，因此使用一組激光設(shè)備即能涂覆較大的表面積。這意味著 工作速度好，形成的面層質(zhì)量均勻。在根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，掃描靼的寬度可為10mm-700mm、優(yōu)選100mm-400mm，最優(yōu)選 150mm-300mm。當(dāng)然，在小尺寸應(yīng)用中寬度較小。
本發(fā)明并不一定限制為只有一個激光源。根據(jù)本發(fā)明的一個實施 方案，基體在從一個或幾個靶蒸發(fā)的等離子體材料羽輝中保持固定。 根據(jù)本發(fā)明的一個更為優(yōu)選的實施方案，基體在通過激光燒蝕從一個 或幾個靶蒸發(fā)的等離子體材料羽輝中移動。如果在真空或活性氣體的 氣氛中進行涂覆，優(yōu)選在單獨的真空室中進行涂覆。
本發(fā)明允許涂覆物體使得在涂覆物體上形成的面層的最大粗糙度 為士100nm。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，在涂覆物體上形成的面 層的最大粗糙度為±25nm，在本發(fā)明更優(yōu)選的實施方案中，在涂覆物 體上形成的面層的最大粗糙度為± 2nm。
可根據(jù)實際需要和所需功能能調(diào)整要形成的面層的光滑度。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中不限制要形成的面層的厚度。根據(jù)本發(fā)明 能涂覆物體從lnm直到非常厚的面層甚至3D結(jié)構(gòu)。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)要涂覆的物體、基體和要燒蝕材料、靶間的距離為 30mm-70mm、優(yōu)選30mm-50mm。
然后，根據(jù)本發(fā)明方法允許制備具有不同功能的面層和/或3D材 料。這種面層包括，例如，在各種玻璃和塑料產(chǎn)品(透鏡、眼鏡、太陽 鏡、屏幕保護罩(screen cover)、建筑物和車輛的窗、實驗室、藝 術(shù)品和家用玻璃器皿)中非常硬的和抗刮傷面層和3D材料(沒有刮痕 的面層)，特別優(yōu)選的光學(xué)涂層材料包括MgF2、 Si02、 Ti02、 A1203、特 別優(yōu)選的硬質(zhì)涂層材料包括各種金屬氧化物、碳化物和氮化物、當(dāng)然 包括金剛石涂層；各種金屬產(chǎn)品和它們的面層、例如無線電通訊裝置 的殼結(jié)構(gòu)、屋頂覆蓋層的金屬片材、室內(nèi)裝飾或建筑板、板條和窗框； 洗盤的水槽、水龍頭、烘箱、金屬硬幣、珠寶、工具和它們的零件； 汽車及其他車輛的引擎和它們的零件、小汽車和及其他車輛的金屬包 層和涂漆的金屬面層；用于輪船、汽艇和飛機的具有金屬面層的物體、 航空渦輪機和內(nèi)燃機；軸承；叉、刀和匙；剪刀、刀、旋轉(zhuǎn)葉片、鋸 和各種金屬包層的刀具、螺釘和螺母；用于化工過程的金屬處理設(shè)備、例如金屬包層的反應(yīng)器、泵、蒸餾塔、槽和框架結(jié)構(gòu)；油、天然氣和 化學(xué)物管道和各種岡和控制單元；石油勘探設(shè)備的零件和鉆頭；水管； 武器和它們的零件、子彈和彈夾；經(jīng)受磨損的金屬噴嘴，例如經(jīng)受磨 損的造紙機器零件、例如涂覆漿料應(yīng)用設(shè)備的零件；雪鏟、鏟/鍬和兒 童運動場用具的金屬結(jié)構(gòu)；路邊圍欄結(jié)構(gòu)、交通信號和柱；金屬罐和 容器；手術(shù)器械、人造關(guān)節(jié)和植入物和器具；照相機和攝像機和對氧 化或其它磨損敏感的電子設(shè)備的金屬零件，和航天器和它們能夠承受 摩擦和高溫的包層技術(shù)方案。
此外，根據(jù)本發(fā)明制造的產(chǎn)品可包括耐化合物腐蝕的面層和3D材 料、半導(dǎo)體材料、LED材料、通過觀察角度和它們構(gòu)成的面層改變顏 色的顏料、在先提及的激光設(shè)備和二極管泵浦的零件、例如光束擴展 器和二極管激發(fā)光條、用于珠寶目的的寶石材料、醫(yī)療產(chǎn)品的面層和 三維形式的醫(yī)療產(chǎn)品、自清潔面層、建筑工業(yè)的各種產(chǎn)品例如在先提 及的抗污染和/或防潮和自清潔(當(dāng)需要時)巖石和陶瓷材料(涂覆的巖 石產(chǎn)品和在其上已經(jīng)形成石質(zhì)面層的產(chǎn)品)、著色的巖石產(chǎn)品例如根據(jù)
本發(fā)明的一個實施方案的染成綠色的大理石和自清潔砂巖。
此外，根據(jù)本發(fā)明制造的產(chǎn)品可包括例如在各種透鏡和屏幕保護 膜中的AR(抗反射)面層、用于清洗水、溶液或空氣的提供UV保護和 UV活性面層的涂層。如所討論的，能調(diào)整要形成的面層厚度。因此， 根據(jù)本發(fā)明形成的金剛石或碳氮化物面層的厚度可為例如 lnm-3，000nm。此外，能制備非常均勻的金剛石面層。因此，形成的金 剛石面層的最大粗糙度可為±25nm、優(yōu)選土10nm級，在某些需要低摩 擦的特別需求的應(yīng)用中，可調(diào)整到土2nm水平。因此根據(jù)本發(fā)明的金 剛石面層不僅防止下層面層的機械磨損而且防止化學(xué)侵蝕。金剛石面 層防止例如金屬的氧化，從而防止損害它們的裝飾或其它功能。金剛 石面層也保護下面的面層不受酸和堿侵蝕。根據(jù)本發(fā)明的金剛石面層 不僅防止下層面層的機械磨損而且防止化學(xué)侵蝕。金剛石面層防止例 如金屬的氧化，從而防止損害它們的裝飾的其它功能。金剛石面層也 保護下層面層不受酸和堿侵蝕。在某些應(yīng)用中需要裝飾性金屬面層。根據(jù)本發(fā)明用于靶的某些具體的裝飾性金屬或金屬化合物例如金、銀、 鉻、鉑、鉭、鈦、銅、鋅、鋁、鐵、鋼、鋅黑、釕黑、釕、鈷、釩、
氮化鈥、氮化鈥鋁(titanium aluminum nitride )、碳氮化鈥(titanium carbon nitride)、氮化鋯、氮化鉻、碳化鈥珪(titanium silicon carbide )和碳化鉻。當(dāng)然能使用所述材料獲得其它性質(zhì)例如耐磨面層 或抗氧化或其它化學(xué)反應(yīng)的面層。
在本文中值得提及的金屬化合物包括金屬氧化物、氮化物、鹵化 物和碳化物，但金屬化合物并不限制于此。
根據(jù)本發(fā)明制備的各種的氧化物面層包括例如氧化鋁、二氧化鈦、 氧化鉻、氧化鋯、氧化錫、氧化鉭等，及相互或與例如金屬、金剛石、 碳化物或氮化物的復(fù)合組合。根據(jù)本發(fā)明也能通過使用活性氣體氣氛 由金屬制備所述材料。
實施例
下面部分描述根據(jù)本發(fā)明的方法和產(chǎn)品，然而不限制本發(fā)明為所 給出的實施例。使用Corelase 0y制造的10W皮秒激光器X-lase和 Corelase(USPLD)制造的20W-80W皮秒激光器X-lase制備面層。樂jc沖 能量指的是通過光學(xué)在所需區(qū)域?qū)沟摹⒅鄙涞絣cn^區(qū)域的脈沖能量。 使用1064nm波長。要涂覆的表面的溫度從室溫至200X:。根據(jù)不同產(chǎn) 品在室溫至700X:的范圍調(diào)整靶材料的溫度。用于涂覆的靶材料包括 氧化物、金屬和各種碳基材料。當(dāng)在氧氣相中進行涂覆時，氧壓力為 10—4-l(Tmbar。低功率激光使用常規(guī)反射鏡掃描器或電掃描器。之后， 使用繞其軸旋轉(zhuǎn)的掃描器或渦輪掃描器進行涂覆。渦輪掃描器允許調(diào) 整掃描速率；將射向靶材料的光束的掃描速率調(diào)整為1 m/s -350m/s。 成功使用電掃描器需要較小的脈沖頻率，典型地低于lMHz。使用渦輪 掃描器能制備優(yōu)質(zhì)涂層，甚至當(dāng)使用較高重復(fù)頻率例如lMHz-30MHz 時。使用AFM、 ESEM、 FTIR以及Raman和共焦顯微鏡檢測制備的涂層。 也檢測光學(xué)性質(zhì)(透射率)和某些電學(xué)性質(zhì)例如電阻率。使用的光斑尺 寸在20-80 jLim的范圍變化。
所有研究的面層都沒有針孔。使用AFM設(shè)備在lpm2區(qū)域檢測面層的粗糙度或光滑度。 實施例1
這個實施例涉及使用金剛石涂層(由粘結(jié)碳)涂覆大理石。激光設(shè)
備具有以下性能參數(shù)重復(fù)頻率4MHz、脈沖能量5)iJ、脈沖持續(xù)時間 20ps、乾和基體間距離4mm、真空度1(Tatm。使用AFM(原子力顯微鏡) 設(shè)備觀察生成的金剛石面層。金剛石面層的厚度約500nm，最大粗糙 度± IO賤。面層上沒有觀察到微米顆粒。 實施例2
這個實施例涉及使用金剛石涂層(從燒結(jié)的碳)涂覆鋁箔。激光設(shè) 備具有以下性能參數(shù)重復(fù)頻率4MHz、脈沖能量5pJ、脈沖持續(xù)時間 20ps、靶和基體間距離4mm、真空度10_5atm。在過程中鋁箔著色為天 藍色。使用AFM(原子力顯微鏡)設(shè)備觀察生成的金剛石面層。金剛石 面層的厚度約200nm，最大粗糙度士8nm。面層上沒有觀察到微米顆粒。
實施例3
這個實施例涉及用金剛石涂層(從熱解碳)涂覆硅晶片、二氧化硅 片、聚碳酸酯片和聚酯薄膜。激光設(shè)備具有以下性能參數(shù)重復(fù)頻率 4MHz、脈沖能量5jnJ、脈沖持續(xù)時間20ps、乾和基體間距離8mm、真 空度105atm。使用AFM(原子力顯微鏡)設(shè)備觀察生成的金剛石面層。 金剛石面層的厚度約150nm，最大粗糙度土20nm。面層上沒有觀察到 微粒或納米顆粒。
實施例4
這個實施例涉及使用金剛石涂層涂覆二氧化硅片。激光設(shè)備具有 以下性能參數(shù)重復(fù)頻率2MHz、脈沖能量10u J、脈沖持續(xù)時間15ps、 靶和基體間距離2mm、真空度10—3atm。使用AFM(原子力顯微鏡)設(shè)備 觀察生成的金剛石面層。金剛石面層的厚度約50nm,最大粗糙度± 4nm。 形成的面層上沒有觀察到微米顆粒。面層具有優(yōu)異的粗糙度性質(zhì)，納 米顆粒最大尺寸為20nm。
實施例5
這個實施例涉及使用氧化銅涂覆銅片。激光設(shè)備具有以下性能參
31數(shù)重復(fù)頻率4MHz、脈沖能量5pJ、脈沖持續(xù)時間Ups、靶和基體 間距離10mm、真空度l(Tatm。生成均勻質(zhì)量的氧化銅面層。生成的面 層的厚度約5pm。 實施例6
實施例6涉及使用激光燒蝕制造的具有金剛石涂層的裝飾性雪鏟 (圖6)。由于金剛石涂層，雪鏟非常耐用并且抗刮傷。此外，金剛石 面層的疏水性質(zhì)，特別是其小的(納米范圍)的粗糙度減少摩擦，從而 減少掃清雪所需的能量，使其更為容易。
雪妒的基體材料可以例如是塑料或金屬。在根據(jù)本實施例的雪鏟 中，通過電解在鋁基體材料上沉積一層1微米厚的鉻層。或者，可根 據(jù)本發(fā)明使用激光燒蝕進行。在塑料表面上，使用激光燒蝕(冷燒蝕) 金屬涂層最易沉積。能自由選擇使用的金屬、金屬合金或金屬化合物 以及面層厚度，允許生產(chǎn)獨特的雪伊。特別是使用激光燒蝕形成金屬 面層允許經(jīng)濟地制備具有所需基色并且非常薄的金屬面層。覆蓋所有 面層的金剛石涂層會阻止金屬面層的氧化或機械磨損。通過全息 (holographic)面層能增強獨特性質(zhì)，使得能在面層上產(chǎn)生由顧客指 定的圖像或文字。除機械蝕刻外，也能使用激光蝕刻非常有效地制備 全息面層，激光蝕刻允許在所需面層進行精確、快速并經(jīng)濟地刻蝕。 通過由激光燒蝕制備的下層金屬面層的光滑度改善了全息面層的質(zhì) 量。圖中所示面層實際上物理地相互粘附，但為了說明目的在圖中分 隔顯示。
實施例7
這個實施例涉及用氧化鋁涂層涂覆大理石。通過氧化鋁的直接燒 蝕形成面層，激光設(shè)備具有以下性能參數(shù)重復(fù)頻率4MHz、脈沖能量 4juJ、脈沖持續(xù)時間10ps、靶和基體間距離3mm、真空度10"atm。使 用AFM(原子力顯微鏡)設(shè)備觀察生成的氧化鋁面層。氧化鋁面層的厚 度約500nm，最大粗糙度土5nm。面層上沒有觀察到微米顆?；蚣{米顆 粒。
實施例8這個實施例涉及用氧化鋁涂層涂覆大理石。通過氧化鋁的直接燒
蝕形成面層，激光設(shè)備具有以下性能參數(shù)重復(fù)頻率4MHz、脈沖能量 4/iJ、脈沖持續(xù)時間10ps、靶和基體間距離3mm、真空度0。使用AFM(原 子力顯微鏡)設(shè)備觀察生成的氧化鋁面層。氧化鋁面層的厚度約5nm， 最大粗糙度士10nm。面層上觀察到納米顆粒。 實施例9
這個實施例涉及用氧化鋁涂層涂覆具有底漆的塑料鏡架。通過氧 化鋁的直接燒蝕形成面層，激光設(shè)備具有以下性能參數(shù)重復(fù)頻率 4MHz、脈沖能量4^iJ、脈沖持續(xù)時間20ps、靶和基體間距離3mm和真 空度10、tm。使用AFM(原子力顯微鏡)設(shè)備觀察生成的氧化鋁面層。 氧化鋁面層的厚度約300nm,最大粗糙度土2nm。面層上沒有觀察到微 米顆?；蚣{米顆粒。
實施例10
這個實施例涉及用氧化鋁涂層涂覆花崗巖片。通過氧化鋁的直接 燒蝕形成面層，激光設(shè)備具有以下性能參數(shù)重復(fù)頻率4MHz、脈沖能 量4jliJ、脈沖持續(xù)時間10ps、靶和基體間距離9mm、真空度l(T3atm。 使用AFM(原子力顯微鏡)設(shè)備觀察生成的氧化鋁面層。藍寶石面層的 厚度約lnm,最大粗糙度士9nm。面層上沒有觀察到顯著的微米顆?；?納米顆灃立。
實施例11
這個實施例涉及首先用鋁然后用氧化鋁涂層涂覆塑料移動電話 殼。通過氧化鋁的直接燒蝕形成氧化鋁面層，激光設(shè)備具有以下性能 參數(shù)重復(fù)頻率4MHz、脈沖能量4juJ、脈沖持續(xù)時間10ps、靶和基 體間]E巨離3mm、真空度10"atm。
使用AFM(原子力顯微鏡)設(shè)備觀察生成的氧化鋁面層。面層的厚 度約300nm，最大粗糙度± 5nm。面層上沒有觀察到微米顆?；蚣{米顆 粒。鋁層面層沒有檢測。
實施例12
這個實施例涉及用氧化鈦涂層涂覆鋼片。通過在含有氧的氦氣氛中鈦的燒蝕形成面層，激光設(shè)備具有以下性能參數(shù)重復(fù)頻率20MHz、 脈沖能量4jiJ、脈沖持續(xù)時間10ps、靶和基體間距離lmm，真空度 l(T2atm。使用AFM(原子力顯微鏡)設(shè)備觀察生成的二氧化鈦面層。二 氧化鈦面層厚度約50該，最大粗糙度土3nm。 實施例13
這個實施例涉及使用金剛石涂層(燒結(jié)碳)涂覆由不銹鋼制得的接 骨螺釘。激光設(shè)備具有以下性能參數(shù)重復(fù)頻率20MHz、脈沖能量4 juJ、脈沖持續(xù)時間10ps、耙和基體間距離lmm、真空度l(T5atm。使 用AFM(原子力顯微鏡)設(shè)備觀察生成的金剛石面層。金剛石面層的厚 度約100nm，最大粗糙度土3nm。
實施例14
這個實施例涉及使用金剛石涂層涂覆由不銹鋼制得的接骨螺釘。 通過二氧化鈦的直接燒蝕形成面層，激光設(shè)備具有以下性能參數(shù)重 復(fù)頻率4MHz、脈沖能量2. 5pJ、脈沖持續(xù)時間20ps、靶和基體間距 離8mm和真空度l(T7atm。使用AFM(原子力顯微鏡)設(shè)備觀察生成的金 剛石面層。金剛石面層的厚度約IOO訓(xùn)，最大粗糙度土5nm。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，本發(fā)明給出的事實使得下面內(nèi)容是顯而易 見的，在表面處理過程某一階段中稱為靶的物體能在表面處理過程的 另一階段作為基體，反之亦然，這取決于是否由其燒蝕材料(作為靶) 或在其上沉積材料(作為基體)。因此，至少理論上，相同物體能夠既 作為靶又作為基體，這取決于加工/涂覆過程的階段。
權(quán)利要求
1. 用于物體一個表面或多個表面加工和/或涂覆的激光燒蝕方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體對物體進行加工和/或涂覆，基體、要涂覆的物體與靶、通過激光束要燒蝕的材料間的距離為0.1-10mm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體對 物體進行加工和/或涂覆，基體與靶間的距離為l-8mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子 體對物體進行加工和/或涂覆，基體與靶間的距離為3-6mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體 對物體進行加工和/或涂覆，基體是金屬、金屬化合物、玻璃、石材、 陶瓷材料、合成聚合物、半合成聚合物、紙、紙板、天然存在的聚合 物、復(fù)合材料、無機的或有機的單體或低聚物材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體 對物體進行加工和/或涂覆，靶是金屬、金屬化合物、玻璃、石材、陶 瓷材料、合成聚合物、半合成聚合物、天然存在的聚合物、復(fù)合材料、 無機的或有機的單體或低聚物材料。
6. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離 子體對物體進行加工和/或涂覆，使用脈沖激光進行激光燒蝕。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體對 物體進行加工和/或涂覆，用于燒蝕的激光設(shè)備是冷加工激光器，例如 皮秒激光器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于形成涂覆的面層，使得每 咖2涂覆的面層含有少于一個的針孔、優(yōu)選每c邁2涂覆的面層少于一個 針孔且最優(yōu)選在涂覆區(qū)域根本沒有針孔。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，特征在于形成涂覆的面層，使得形成 面層最初的50%，在形成的面層上沒有形成任何直徑超過1000nm的顆 粒，優(yōu)選沒有尺寸超過100nm的顆粒，最優(yōu)選沒有尺寸超過30nm的顆粒。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于使用脈沖冷加工激光通過 燒蝕靶對要涂覆的物體即基體進行涂覆，使得在涂覆物體上要形成的 面層的最大粗糙度是± 10Onni，所述最大粗糙度是使用原子力顯微鏡 (AFM)在1平方微米區(qū)域測量的。
11. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等 離子體對物體進行加工和/或涂覆，在常壓下進行激光燒蝕。
12. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等 離子體對物體進行加工和/或涂覆，在1(T-l(Tatm真空下進行激光燒 蝕。
13. 根據(jù)權(quán)利要l的方法，特征在于通過使用激光束對靼進行燒 蝕，使得對于通過使用高質(zhì)量等離子體對物體進行加工和/或涂覆，材 料基本上始終在先前沒有顯著進行燒蝕的靶的位置進行蒸發(fā)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體 對物體進行加工和/或涂覆，以片材形式提供乾。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體對物體進行加工和/或涂覆，以薄膜/帶的形式提供靶。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體 對物體進4亍加工和/或涂覆，乾的厚度為5 jum-5mm，優(yōu)選20nm-lmm， 最優(yōu)選50"-200 Mm。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體 對物體進行加工和/或涂覆，激光束通過渦輪掃描器照射到靶上。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體 對物體進行加工和/或涂覆，對靶進行掃描的寬度為10mm-800mm、優(yōu) 選100mm-400mm， 最優(yōu)選150mm-300mm。
19. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體 對物體進行加工和/或涂覆，基體在使用激光燒蝕從一個或幾個靶上蒸 發(fā)的等離子體材料羽輝中移動。
20. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體 對物體進行加工和/或涂覆，靶和基體間距離在燒蝕過程中基本上保持恒定。
21. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體 對物體進行加工和/或涂覆，涂覆的面層由從幾個靶同時燒蝕的材料構(gòu) 成。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1或21的方法，特征在于通過使用高質(zhì)量等離 子體對物體進行加工和/或涂覆，通過在燒蝕材料形成的等離子體材料羽輝中引入活性材料形成要涂覆的面層，所述活性材料與等離子體材 料羽輝的燒蝕材料進行反應(yīng)，從而在基體上形成一種或多種化合物涂層。
23. —套表面處理設(shè)備，特征在于通過使用高質(zhì)量等離子體對物 體進行加工和/或涂覆，在表面處理設(shè)備的輻射傳輸線路中具有渦輪掃 描器。
全文摘要
本發(fā)明的主題是基于激光燒蝕的涂覆方法，其中基體和要燒蝕的靶之間距離非常小。短的距離允許甚至以工業(yè)規(guī)模、也優(yōu)選在低真空或甚至非真空氣氛下涂覆基體。本發(fā)明優(yōu)選涉及所有大尺寸物體或具有變化形狀的物體的最理想的涂層。
文檔編號B23K26/06GK101437644SQ200780013897
公開日2009年5月20日 申請日期2007年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月23日
發(fā)明者J·盧圖, J·馬吉塔羅, L·普里, R·拉帕萊納恩, V·梅里馬吉 申請人:皮科德昂有限公司