專利名稱：鍍膜系統(tǒng)用的激光自動(dòng)消顆粒裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬激光制膜技術(shù)領(lǐng)域，是一種在激光法制膜過(guò)程中用于消除薄膜表面和內(nèi)部顆粒并可在制膜后用于膜層再構(gòu)的裝置。
自從1960年第一臺(tái)激光器問(wèn)世以后，1965年Shmith等人就開(kāi)始進(jìn)行了激光鍍膜的研究，曾用紅寶石激光器，二氧化碳激光器制備出介電和半導(dǎo)體等薄膜。但是與蒸發(fā)鍍膜或電子槍鍍膜相比膜的質(zhì)量并不好，主要表現(xiàn)為在膜的表面和內(nèi)部存在顆粒，因而70年代以后就很少有人進(jìn)行這方面的研究。
1986年高溫超導(dǎo)研究取得了突破性進(jìn)展，鐿鋇銅氧超導(dǎo)體的臨界溫度達(dá)到90K以上。稍后高溫超導(dǎo)薄膜的研究也被廣范開(kāi)展起來(lái)。1987年貝爾實(shí)驗(yàn)室用脈沖準(zhǔn)分子激光器制備出優(yōu)質(zhì)釔鋇銅氧薄膜。結(jié)果發(fā)表后在世界范圍內(nèi)引發(fā)了激光制膜的又一次更大熱潮。短短幾年時(shí)間激光法制膜已經(jīng)發(fā)展成最好的制膜方法之一。用激光法不僅可以制備超導(dǎo)薄膜還可以制備壓電、鐵電和光學(xué)薄膜。
盡管激光法制備薄膜已經(jīng)獲得巨大發(fā)展，但是顆粒問(wèn)題仍然未徹底解決，仍然影響著膜質(zhì)量的提高。世界上許多科學(xué)家作了不少工作已經(jīng)研究出一些消顆粒方法，主要有1.速度濾波法2.擋板法3.離軸法4.第二光束法5.熱反射鏡法速度濾波法是在靶和基片之間加入一個(gè)葉輪，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到某一數(shù)值時(shí)只有速度較快的氣態(tài)成分可以通過(guò)而速度較慢的微滴(形成顆粒)則不能通過(guò)。擋板法是在靶和基片之間加入一個(gè)大小適當(dāng)?shù)膿醢鍖⒂疠x中的直線飛行成分擋住，在基片上淀積的成分只是繞過(guò)擋板的擴(kuò)散成份，又因?yàn)槲⒌位景粗本€飛行所以擋板法可以有效的消除顆粒。離軸法是將基片平行羽輝飛行方向放置，這樣就避開(kāi)了直線飛行的微滴而只利用羽輝中的擴(kuò)散成分從而消除顆粒。第二光束法和熱反射鏡法是在羽輝路徑上設(shè)置另一激光束或熱源將羽輝中的微滴汽化以達(dá)到消顆粒目的。但是以上方法中除第二光束法之外都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，那就是使成膜速率較低，約為原來(lái)的三分之一左右。第二光束法雖然成膜速率較高，但是存在成本高，使用不方便和消顆粒不徹底等缺點(diǎn)。參見(jiàn)1.“Particulates reductionin laser-ablated YBCO thinfilms by laser-induced plume heating”.G.Koren，R.J.Baseman，a.Gupta，M.l.Lutwyche，andR.B.Laibowitz，Appl.Phys.Lett.56(21)May 1990.
2.“Off-axis laser deposition of YBOC thin films”，B.Holzapfel，B.Roas，L.Schultz，P.Bauer andG.Saemann-lschenko，Appl.Phys.Lett.61(26)28 December 1992.
本實(shí)用新型的目的在于克服激光制膜過(guò)程中薄膜表面和內(nèi)部存在顆粒而影響膜的質(zhì)量以及在鍍膜結(jié)束后進(jìn)行膜層再構(gòu)以進(jìn)一步提高膜的質(zhì)量。本使用新型提供一種由激光器，真空室，可控聚焦透鏡，可控靶—反射鏡聯(lián)動(dòng)部件和基片加熱器組成的鍍膜系統(tǒng)用的激光自動(dòng)消顆粒裝置。
本實(shí)用新型是這樣完成的在真空室內(nèi)與基片加熱器相對(duì)的位置放置一個(gè)轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤上固定靶和反射鏡，轉(zhuǎn)盤的軸通過(guò)磁耦合與安裝在真空室外的一個(gè)由電腦控制的步進(jìn)電機(jī)聯(lián)結(jié)。在真空室外，激光入射窗口前放置聚焦透鏡，聚焦透鏡是放置在可導(dǎo)軌內(nèi)滑動(dòng)的滑塊上，而滑塊是通過(guò)其上的螺紋與絲杠聯(lián)結(jié)，絲杠又聯(lián)結(jié)于另一個(gè)受電腦控制的步進(jìn)電機(jī)軸上。
當(dāng)一束具有一定能量密度的激光打到膜面上的時(shí)候，因?yàn)轭w粒區(qū)的吸收系數(shù)較大所以升溫較高，以至顆粒被消融或氣化蒸發(fā)，這樣膜面上的顆粒就被情除。此外通過(guò)控制激光能量密度也可以實(shí)現(xiàn)膜層再構(gòu)。


圖1是本實(shí)用新型的示意圖，圖的說(shuō)明如下其中(1)是準(zhǔn)分子激光器；(2)是掃描反射鏡；(3)是聚焦透鏡，它被裝在如圖2所示的由步進(jìn)電機(jī)(11)、絲杠(12)、導(dǎo)軌(13)和滑塊(14)組成的并由電腦控制的平移裝置上，也可裝在如圖3所示的由步進(jìn)電機(jī)(15)、齒輪(16)、齒條(17)、導(dǎo)軌(18)和滑塊(19)組成的并由電腦控制的平移裝置上；(4)是轉(zhuǎn)動(dòng)靶；(5)是反射鏡，它和靶一起裝于由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的并由電腦統(tǒng)一控制的轉(zhuǎn)盤(10)上；(6)是被控溫的基片；(7)是真空室。靶、反射鏡、基片加熱器和基片等全放于其中。(8)是靶場(chǎng)罩用以保護(hù)反射鏡不被污染；(9)是基片加熱器。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明可控聚焦透鏡(3)部分安裝在真空室外，聚焦透鏡(3)安裝在導(dǎo)軌(13)上滑動(dòng)的滑塊(14)上，滑塊(14)與絲杠(12)相聯(lián)，絲杠(12)與電腦控制的步進(jìn)電機(jī)(11)聯(lián)結(jié)，這樣就可使聚焦透鏡的焦距可調(diào)。聚焦透鏡前放一個(gè)掃描反射鏡(2)，使激光器發(fā)出的激光被反射到聚焦透鏡上，再穿過(guò)真空室的窗口照射到靶(5)上，靶(5)和另一塊反射鏡(4)一起裝在轉(zhuǎn)盤(10)上，轉(zhuǎn)盤(10)的軸通過(guò)磁耦合于真空室的另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)(20)相聯(lián)結(jié)。在真空室內(nèi)垂直于反射鏡(4)放置加熱器(9)，在加熱器(9)上放置基片(6)。
制膜一開(kāi)始先將真空室抽空，然后充以一定壓強(qiáng)的工作氣體(常是氧氣或臭氧或二氧化氮有時(shí)也用活性氧)。當(dāng)氣壓穩(wěn)定在所要求的范圍時(shí)，打開(kāi)加熱器電源將基片加熱至所要求的溫度，再打開(kāi)激光器開(kāi)始鍍膜。當(dāng)膜層打到某一厚度時(shí)，電腦控制反射鏡、靶和聚焦透鏡同步移動(dòng)，反射鏡取代靶的位置把激光束反射至膜面上，而聚焦透鏡移動(dòng)到正確位置使膜面上的激光能量密度達(dá)到合適數(shù)值，這樣顆粒便被消除。如果要進(jìn)一步增加膜厚只需重復(fù)上面的鍍膜-消顆粒過(guò)程。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是1.鍍膜和消顆粒共用一臺(tái)準(zhǔn)分子激光器，因而成本大大降低。
2.因?yàn)槭抢么蟛糠钟疠x中的成分，因而成膜速率較高。
3.本實(shí)用新型既可在膜生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)膜進(jìn)行消顆粒處理又可以進(jìn)行薄膜結(jié)晶再構(gòu)以改善薄膜外性能。
4.薄膜淀積過(guò)程完成后還可以用本裝置實(shí)現(xiàn)激光原位退火從而進(jìn)一步提高膜質(zhì)量。
5.本實(shí)用新型既可以用于普通激光制膜系統(tǒng)也可以用于激光分子束外延系統(tǒng)。
實(shí)施例1普通型激光制膜系統(tǒng)，工作真空度為10-1至10-4Pa。使用XeCl準(zhǔn)分子激光器，波長(zhǎng)為止308nm，輸出單脈沖能量為150mJ，重復(fù)頻率為6Hz。石英透鏡的焦距為75cm，此聚焦透鏡由如圖2所示的裝置帶動(dòng)。其中絲杠12、導(dǎo)軌13和滑塊14全由不銹鋼制成，透鏡可移動(dòng)范圍為20cm，其移動(dòng)由任意步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，由Pc/386電腦控制。安裝靶和反射鏡的轉(zhuǎn)盤及轉(zhuǎn)軸也由不銹鋼制成，其轉(zhuǎn)動(dòng)由任意步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)并由同一臺(tái)Pc/386電腦控制。鍍膜時(shí)間與消顆粒時(shí)間的比為10∶1，所制備的薄膜為YBCO超導(dǎo)薄膜。膜制成后用掃描電子顯微鏡觀測(cè)，結(jié)果顯示膜面光潔無(wú)顆粒。
實(shí)施例2激光分子束外延系統(tǒng)。激光器為KrF準(zhǔn)分子激光器，波長(zhǎng)為248nm，脈沖重復(fù)頻率為10Hz，單脈沖能量為180mJ，直徑100mm的石英透鏡的焦距為75cm，此聚焦透鏡由如圖2所示的裝置帶動(dòng)。其中絲杠12、導(dǎo)軌13和滑塊14全由不銹鋼制成，透鏡可移動(dòng)范圍為30cm，其移動(dòng)由任意步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，由Pc/386電腦控制。安裝靶和反射鏡的轉(zhuǎn)盤及轉(zhuǎn)軸也由不銹鋼制成，其轉(zhuǎn)動(dòng)由任意步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)并由同一臺(tái)Pc/386電腦控制。鍍膜時(shí)間與消顆粒時(shí)間的比為12∶1，所制備的薄膜為BaTiO3薄膜YBCO超導(dǎo)薄膜。膜制成后用掃描電子顯微鏡觀測(cè)，結(jié)果顯示膜面光潔無(wú)顆粒。
實(shí)施例3普通型激光制膜系統(tǒng)，工作真空度為10-1至10-4Pa。使用XeCl準(zhǔn)分子激光器，波長(zhǎng)為止308nm，輸出單脈沖能量為150mJ，重復(fù)頻率為6Hz。石英透鏡的焦距為75cm，此聚焦透鏡由如圖2所示的裝置帶動(dòng)。其中絲杠12、導(dǎo)軌13和滑塊14全由不銹鋼制成，透鏡可移動(dòng)范圍為20cm，其移動(dòng)由任意步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，由Pc/386電腦控制。安裝靶和反射鏡的轉(zhuǎn)盤及轉(zhuǎn)軸也由不銹鋼制成，其轉(zhuǎn)動(dòng)由任意步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)并由同一臺(tái)Pc/386電腦控制。鍍膜時(shí)不用激光照射膜面。鍍膜完成后電腦控制反射鏡與，聚焦透鏡位置將激光反射至膜面并使在膜面上的能量密度加大以至膜層溫度接近熔點(diǎn)使膜層實(shí)現(xiàn)再，所制備的薄膜為YBCO超導(dǎo)薄膜。膜制成后用掃描電子顯微鏡觀測(cè)，結(jié)果顯示膜面光潔使膜層顆粒。用透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)缺陷明顯減少。
權(quán)利要求1.一種由激光器，真空室，加熱器，靶組成的鍍膜系統(tǒng)用的激光自動(dòng)消顆粒裝置，其特征在于包括在真空室(7)外，有一可控聚焦透鏡(3)，它放置在可在導(dǎo)軌(13)內(nèi)滑動(dòng)的滑塊(14)上，滑塊(14)與絲杠(12)相聯(lián)，絲杠(12)與電腦控制的步進(jìn)電機(jī)(11)聯(lián)結(jié)，聚焦透鏡前放一個(gè)掃描反射鏡(2)，在真空室(7))內(nèi)與基3片加熱器(9)的相對(duì)位置上安置一個(gè)轉(zhuǎn)盤(10)，它的軸通過(guò)磁耦合與真空室外的另一部電腦控制的步進(jìn)電機(jī)(20)相聯(lián)結(jié)。在轉(zhuǎn)盤(10)上固定一個(gè)靶(5)和反射鏡(4)，在真空室內(nèi)垂直于反射鏡(4)的方向上放置基片加熱器(9)。
專利摘要本實(shí)用新型屬激光制膜技術(shù)領(lǐng)域。是一種采用激光法制膜過(guò)程中用于消除薄膜表面和內(nèi)部顆粒，并在制膜后用于膜層再構(gòu)的裝置。本實(shí)用新型提供一種由激光器，真空室，可控聚焦透鏡，可控靶-反射鏡聯(lián)動(dòng)部件，加熱器等組成的鍍膜系統(tǒng)用的激光自動(dòng)消顆粒裝置。本實(shí)用新型克服了薄膜表面和內(nèi)部存在顆粒的缺點(diǎn)，提高了膜的質(zhì)量，而且成膜速率高。
文檔編號(hào)C23C14/28GK2245620SQ95207420
公開(kāi)日1997年1月22日 申請(qǐng)日期1995年4月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月8日
發(fā)明者周岳亮, 崔大復(fù), 呂惠賓, 陳正豪, 許世發(fā), 劉彥巍, 何萌, 楊國(guó)楨, 熊旭明, 王會(huì)生, 李春苓 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所