專利名稱：一種多功能的等離子體和激光束聯(lián)合處理材料的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種多功能的利用等離子體和激光束進行材料處理的裝置。該裝置主要用于對材料進行多種改性處理和加工制備，包括等離子體材料處理和激光束材料處理，特別是可以同時在等離子體和激光束的聯(lián)合作用下進行材料表面的改性處理和薄膜材料的合成制備。
等離子體表面處理通常是對含有氮、氧、碳或硼等的氣體放電形成具有較高化學活性的等離子體，經(jīng)活化的氣體直接與材料表面作用，將氮、氧、碳或硼等化學元素添加到材料表層。可以采用多種放電技術產(chǎn)生等離子體，如直流放電、射頻放電、微波放電。其中，電子回旋共振(electron cyclotron resonance，ECR)微波放電是目前最有效的氣體放電技術之一，可以在低氣壓(～10-2Pa)條件產(chǎn)生高密度、高電離度、高化學活性、大體積均勻且穩(wěn)定的ECR微波等離子體(簡稱ECR等離子體)，在對材料表面的等離子體改性和加工處理方面具有明顯的優(yōu)越性。利用激光束進行材料表面的改性處理可以分成兩類，即在基體材料表面涂覆其它材料的薄層和直接對被處理材料的表面進行處理以形成有異于原材料性質的表面改性層，前者如激光成膜、激光熔覆，后者如激光表面合金化、激光相變。激光表面改性的技術日趨成熟，應用也日益廣泛。把ECR等離子體和激光束結合起來進行材料的加工處理，可以獲得特殊的效果。這類加工處理在化學活性很高的ECR等離子體環(huán)境中進行，有低能等離子體束流和激光束的共同參與，結合了等離子體材料處理技術和激光束材料處理技術的特點，可以充分發(fā)揮ECR等離子體和激光束的優(yōu)點，是值得進行探索、有待于發(fā)展并且很有前途的材料表面改性處理和薄膜材料合成制備的新技術。目前尚無可以將等離子體和激光束兩者結合起來對材料進行加工處理的裝置的報道。
本實用新型的目的是設計具備多種功能的等離子體和激光束聯(lián)合加工處理的裝置，利用這一裝置可以分別或者同時用等離子體和激光束進行材料表面的改性處理或者薄膜材料的合成制備。
整套裝置由微波部份[包括微波源(1)和微波傳輸耦合裝置(2)]、微波放電裝置[包括ECR微波放電腔(3)、電磁線圈及配套的線圈電源(4)]、配氣裝置(5)、材料處理室(6)和真空機組(7)組成，另配一臺激光器(9)和若干光學元件(10)，如


圖1所示。微波裝置中的微波源產(chǎn)生的微波通過連接其后的微波傳輸耦合裝置提供給放電裝置。ECR微波放電腔(簡稱放電腔)是產(chǎn)生ECR等離子體的場所，它上端與配氣裝置連接，腔外繞有電磁線圈；放電腔與材料處理室直接連接，材料處理室是對材料進行多種加工處理的場所，它不僅直接與放電腔連通，并帶有4-8個相同的法蘭接口(8)(
圖1中只畫出其中一個用作光學窗口的法蘭，在圖2～圖8中八個法蘭均按實際部位畫出)，分別用作光學窗口或安裝樣品架(12)和源材料靶(13)；真空機組與處理室連接，但置于處理室之外部。激光器放置在處理室外部，輸出的激光束(18)通過光學元件后可以根據(jù)需要從不同的光學窗口以不同方向引入材料處理室；樣品架安裝在一個法蘭接口上，用于放置被處理的樣品(11)，并可以在處理室外通過磁傳動機構調整處理室內樣品架的位置和方位；源材料靶安裝在另一個法蘭接口上，可以由處理室外的電機通過磁傳動機構控制其轉動，不需要時可以拆卸；為了便于調整用于材料處理的等離子體束流的能量，還可以給被處理材料加上一定的偏置電壓(14)(見圖2、圖、5和圖6)。
由真空機組對放電腔和材料處理室抽真空，通過配氣系統(tǒng)向放電腔充入一定種類、一定氣壓的工作氣體；通電電磁線圈提供滿足ECR工作狀態(tài)所需的恒定磁場；由微波源通過微波傳輸耦合系統(tǒng)向放電腔輸入微波功率，在ECR狀態(tài)下對工作氣體進行微波放電從而在放電腔內產(chǎn)生ECR等離子體。
本實用新型處理室內樣品架位置和方向的操縱裝置磁傳動機構置于處理室外部。
本實用新型處理室內源材料靶轉動的電機控制置于處理室外部。
本實用新型處理室內源材料靶可以拆卸，便于不同條件下的材料處理。
處理室內被處理樣品連一偏置電壓，通過調節(jié)偏置電壓，改變等離子體束流能量，獲得不同的處理效果。
將ECR等離子體引入材料處理室而不開啟激光器，本裝置即是單一的等離子體材料處理裝置，可對處理室內的材料實施等離子體表面處理(plasma surface processing，PSP)，也可以以等離子體化學氣相沉積(plasma chemical vapor deposition，PCVD)形式以一定的氣體為源材料進行薄膜制備。
不開啟微波放電部分而將激光束經(jīng)由光學元件并通過光學窗口引入材料處理室，本裝置即是單一的激光束材料處理裝置，可對處理室內的材料進行激光表面處理(laser surfaceprocessing，LSP)，也可以以脈沖激光沉積(pulsed laser deposition，PLD)形式以一定的固體為源材料進行薄膜制備。
本裝置最突出的特點是允許同時將ECR等離子體和激光束引入材料處理室，對材料進行等離子體和激光束聯(lián)合處理，和以等離子體輔助脈沖激光沉積(plasma assisted pulsed laserdeposition，PAPLD)形式進行薄膜制備。
結合材料的加工處理過程對本實用新型裝置進一步闡述如下1)等離子體表面處理如圖2所示，對特定的氣體進行ECR微波放電產(chǎn)生ECR等離子體，將此等離子體引入材料處理室對置于處理室中的材料進行表面處理。如果工作氣體為氧氣，則產(chǎn)生ECR氧等離子體，可對材料進行表面氧化處理；如果工作氣體為氮氣，則產(chǎn)生ECR氮等離子體，可對材料進行表面氮化處理；如果以含碳氣體作為工作氣體，則產(chǎn)生含活性碳的ECR等離子體，可對材料進行表面碳化處理；也可以以其它種類的氣體(包括混合氣體)為工作氣體，對材料表面進行相應的等離子體處理。由于ECR微波放電可以產(chǎn)生大體積均勻的等離子體，因此可以對材料進行大面積的表面處理。通過調節(jié)加在被處理材料上的偏置電壓從而改變作用于材料的等離子體束流的能量，以獲得不同的處理效果。2)等離子體化學氣相沉積如圖2所示，這時置于處理室中樣品架上的是襯底，襯底的取向根據(jù)需要可以隨著樣品架任意調整。由配氣系統(tǒng)向放電腔輸入特定的源氣體，對它進行ECR微波放電，有效地解離、電離和激發(fā)工作源氣體，得到高度化學活性的氣相物質，一定條件下通過等離子體化學氣相沉積過程在襯底上沉積薄膜材料。3)激光表面處理如圖3所示，材料處理室處于真空狀態(tài)或充有特定的氣體，將激光束引入材料處理室即可對處于真空或特定氣氛中的樣品進行表面處理，如激光表面硬化、激光表面合金化等?？梢詫Σ牧媳砻孢M行微區(qū)處理，也可以在處理過程中通過磁傳動機構連續(xù)移動或轉動被處理材料以獲得較大面積的表面處理層。4)脈沖激光沉積如圖4所示，將聚焦的脈沖激光束引入材料處理室，燒蝕作為源材料的固體靶引發(fā)由燒蝕產(chǎn)物形成的激光等離子體，隨著激光等離子體的膨脹，燒蝕產(chǎn)物向襯底高速輸運，在襯底表面凝聚成膜。5)等離子體和激光聯(lián)合表面處理如圖5所示，ECR等離子體和激光束同時作用于材料表面，對材料進行表面處理。在活性的ECR等離子體環(huán)境中，低能等離子體束流和激光束對材料表面的聯(lián)合作用可以獲得特殊的處理效果。6)等離子體輔助脈沖激光沉積如圖6所示，激光對源材料靶的燒蝕和薄膜在襯底的沉積在ECR等離子體環(huán)境中進行，膜層還同時處于低能等離子體的輔助轟擊作用之下。脈沖激光對靶的燒蝕所產(chǎn)生的產(chǎn)物在ECR等離子體環(huán)境中向襯底高速輸運，激光燒蝕產(chǎn)物極易與ECR等離子體中的活性成分發(fā)生反應化合成鍵，在襯底表面凝聚形成化合物薄膜；一定能量(可由偏置電壓控制)的等離子體束流對膜層的作用進一步增強表面反應和表面遷移，促進薄膜的生長。
本實用新型裝置綜合了等離子體加工處理和激光束加工處理兩者的特點，利用并不復雜的結構，實現(xiàn)了等離子體表面處理、等離子體化學氣相沉積、激光表面處理、脈沖激光沉積、等離子體和激光聯(lián)合表面處理、等離子體輔助脈沖激光沉積等多種功能的包括表面處理和薄膜制備的材料加工處理方式。通過分別或者同時開啟微波放電部分和激光器，可以單獨用等離子體或者激光束對材料進行加工處理，或者同時用等離子體和激光束對材料進行聯(lián)合加工處理，并且操作簡單，切換方便，效果良好。
上述圖中，1是微波源，2是微波傳輸耦合系統(tǒng)，3是ECR微波放電腔，4是電磁線圈及配套的線圈電源，5是配氣系統(tǒng)，6是材料處理室，7是真空機組，8是材料處理室上的法蘭接口，9是激光器，10光學元件，11是被處理材料，12是樣品架，13是源材料靶，14是偏置電壓，15是ECR等離子體，16是由激光燒蝕產(chǎn)物形成的激光等離子體，17是襯底，18是激光束。
權利要求1.一種等離子體和激光束聯(lián)合處理材料的裝置，主要由微波裝置、放電裝置、配氣裝置、真空機組、材料處理室組成，其特征是微波裝置中的微波源(1)后聯(lián)接微波傳輸耦合裝置(2)，其后聯(lián)放電裝置；放電裝置中的電子回旋共振微波放電腔(3)上端聯(lián)配氣裝置(5)，放電腔外有電磁線圈(4)，放電腔與材料處理室(6)直接聯(lián)通，處理室有光學窗口；真空機組(7)聯(lián)接處理室；激光器(9)置于處理室外部，它輸出的激光束經(jīng)由光學元件(10)從光學窗口引入處理室；被處理材料(11)置于處理室內的樣品架(12)，處理室內置有一源材料靶(12)。
2.根據(jù)權利要求1所述的等離子體和激光束聯(lián)合處理材料的裝置，其特征是樣品架在處理室內的位置和方位磁傳動操作機構在處理室外部。
3.根據(jù)權利要求1所述的等離子體和激光束聯(lián)合處理材料的裝置，其特征是處理室內源材料靶轉動的電機控制機構在處理室外部。
4.根據(jù)權利要求1所述的等離子體和激光束聯(lián)合處理材料的裝置，其特征是源材料靶是可拆卸的。
5.根據(jù)權利要求1所述的等離子體和激光束聯(lián)合處理材料的裝置，其特征是處理室內的被處理樣品聯(lián)一偏置電壓。
6.根據(jù)權利要求1所述的等離子體和激光束聯(lián)合材料處理的裝置，其特征是關閉激光器即是等離子體材料處理裝置。
7.根據(jù)權利要求1所述的等離子體和激光束聯(lián)合材料處理的裝置，其特征是關閉微波放電部分即是激光束材料處理裝置。
專利摘要本實用新型是一種等離子體和激光束聯(lián)合材料處理裝置。現(xiàn)有技術尚無將兩者結合起來對材料進行加工處理的裝置。本實用新型裝置的材料處理室直接和微波放電腔連通，材料處理室還有多個光學窗口，可以從不同角度將激光束引入材料處理室，從而對材料進行等離子體和激光束聯(lián)合加工處理。被處理材料在材料處理室中的位置和取向以及在處理過程中的移動和轉動可以通過磁傳動機構在處理室外靈活操縱。若關閉微波放電部分或者關閉激光器，本裝置即是單一的激光束或者單一的等離子體處理裝置。本裝置結構緊湊而操作簡捷，各功能切換方便，處理效果顯著。
文檔編號C23C14/46GK2550376SQ0226488
公開日2003年5月14日 申請日期2002年6月20日 優(yōu)先權日2002年6月20日
發(fā)明者吳嘉達, 李富銘, 鐘曉霞 申請人:復旦大學