CN101575695B - 一种基于透明材料的激光镀膜装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于透明材料的激光镀膜装置和方法，属于微加工领域。该装置包括计算机、与计算机相连的激光器、安装在激光器上的激光控制系统、工作台、透明材料板、靶材和平板；其中：激光器与计算机相连，工作台设置在激光控制系统的下方，透明材料、靶材和平板从上到下依次放置在工作台上。镀膜时将靶材置于透明材料板的下面，激光从上面穿过透明材料照射在靶材上，靶材受热熔化溅射至靠近的透明基板上，高热量使透明材料基底产生微熔，从而在透明材料上形成镀层。本发明装置简单，成本低廉，可在透明材料表面镀覆微米级或纳米级厚度的膜层，精度高，可控性好，膜层具有良好的边缘锐度，膜层形状可通过计算机输出控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于透明材料的激光镀膜装置和方法，该方法可以在透明材料表面镀覆具有可控厚度的膜层，属于微加工领域。
背景技术
电镀是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。电镀时，镀层金属做阳极，被氧化成阳离子进入电镀液；待镀的金属制品做阴极，镀层金属的阳离子在金属表面被还原形成镀层。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸。电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和美观度。
化学镀是一种不需要通电，依据氧化还原反应原理，利用强还原剂在含有金属离子的溶液中，将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面形成致密镀层的方法。
化学气相沉积(CVD)是指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。
物理气相沉积是利用蒸发或溅射等物理形式，把材料从靶源移走，然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸发粒子沉积到基体或零件的表面，以形成膜层。物理气相沉积法主要有真空蒸镀、阴极溅射和离子镀。
使用电镀和化学镀无法进行复杂镀覆复杂图案的加工，只是在材料表面覆一能够改善其表面性质的镀层，且电镀和化学镀会产生工业废水，对环境造成污染。气相沉积镀膜具有较好精确度，在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。物理气象沉积法可用于光学透镜的反射膜及装饰用的金膜、银膜等各种特殊性能镀层的制造。然而气象沉积法的通病是沉积机理复杂，设备昂贵，加工速度慢，这在很大程度上限制了其发展应用。
发明内容
本发明旨在解决目前镀膜系统工艺复杂，成本昂贵及速度慢的难题，提出一种基于透明材料的激光镀膜装置和方法。该装置和方法镀膜工艺简单，方便快捷，能在透明材料表面镀覆形状复杂，且具有可控厚度的膜层。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明中的激光镀膜装置包括计算机、与计算机相连的激光器、安装在激光器上的激光控制系统、工作台、透明材料板、靶材和平板。其中：激光器与计算机相连，工作台设置在激光控制系统的下方，透明材料、靶材和平板从上到下依次放置在工作台上。
使用上述装置进行镀膜时，其具体的镀膜方法如下：
1)将要镀覆的图形导入到计算机中；
2)先将靶材放置在工作台上，然后将透明材料板放置在靶材上，并保持靶材表面与激光器发出的激光束焦点所在的平面处于同一平面；
所述的靶材为固体或液体或粉末；
若靶材为固体，将靶材直接置于透明材料板下面；
若靶材为液体，先将液体盛放在一开口容器内，然后再将透明材料板放置在容器上；
若靶材为粉末，先将粉末均匀铺于平板或盛粉装置上压实，然后再在其上放置透明材料板；
3)调整激光镀膜工艺参数，所述激光镀膜工艺参数包括激光功率、扫描速度和扫描间隔，靶材在该激光作用下能够达到熔化或发生反应的温度；
4)打开激光器，激光控制系统根据计算机输出的图形信号进行扫描，激光束作为高能束从上面穿过透明材料板照射在靶材上进行溅射镀膜。
5)扫描完成后清除粘附在透明材料板上而未被激光照射的靶材。
所述的工作台、靶材和透明材料板置于空气中或真空中或某种保护气中。
所述的激光器为光纤激光器、Nd:YAG固体激光器或二氧化碳激光器，所使用的激光为连续激光或脉冲激光。
所述的激光控制系统为扫描振镜、数控激光加工头或能够实现二维或三维加工的数控机床。
所述的透明材料板为玻璃板或水晶板或高分子透明材料。
所述的激光由电子束或粒子束代替。
本发明的工作原理是：将靶材置于透明材料板的下面，激光穿过透明材料照射在靶材上，靶材受热熔化溅射至靠近的透明基底上，高热量使透明材料基底产生微熔，从而将靶材镀覆于透明材料上形成镀层。
激光束照射在靶材上，通过调节激光器输出功率或靶材颗粒度或离焦量或扫描间隔或扫描方式来控制膜厚及线宽大小。由于激光携带的大量能量使得靶材与透明基底材料之间产生大量的热，发生伴随光化学反应的热化学反应，因此可通过控制反应环境气氛和添加反应物得到所需要的反应生成物。
本发明装置简单，成本低廉，可在透明材料表面镀覆微米级或纳米级膜层，精度高，可控性好，膜层具有良好的边缘锐度，膜层形状可通过计算机输出控制。本发明可用于集成电路布线、功能膜层的镀覆、掩膜以及精美工艺品的制造。
附图说明
图1本发明中的基于透明材料的激光镀膜装置的结构示意图
图中：1、计算机，2、激光器、3、激光控制系统，4、透明材料板，5、靶材，6、平板，7、工作台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明采用的镀膜装置包括控制输出信号频率的计算机、激光器，计算机与激光器通过数据线连接，激光器上设置有一个激光控制系统，透明材料和靶材置于加工工作台上。
使用上述基于透明材料的激光镀膜装置进行镀膜，其方法如下：
1)计算机与激光器通过数据线相连接，将要镀覆的图形导入到计算机中，激光控制系统在计算机的控制下能够进行工作；
2)将靶材放置于透明板材的下面，保持靶材表面与激光束焦点所在平面处于同一平面。对于粉末靶材，需将粉末均匀铺于平板或盛粉装置上压实，再在其上放置透明材料板；对于液体或固体靶材，将靶材置于透明材料板内侧；若靶材为薄板或薄膜，将靶材展平置于透明材料板内侧；若透明材料为透明瓶，将靶材置于透明瓶内；
3)将透明材料板、靶材和工作台可置于特定环境气氛中，如空气中或真空中或某种保护气体中，以控制生成物成分；
4)调整激光器的激光功率、扫描速度和扫描间隔，使靶材在该激光的作用下能够达到熔化或发生反应的温度。
5)打开激光器，激光控制系统将根据计算机输出的图形信号进行扫描，激光束作为高能束从外侧穿过透明材料照射在靶材上进行溅射镀膜；
6)扫描完成后清除粘附在透明材料板上而未被激光照射的靶材，留下膜层。
所述的激光器，可以是光纤激光器、Nd:YAG固体激光器或二氧化碳激光器，所使用的激光为连续激光或脉冲激光。
所述的激光控制系统，依具体的图形和材料的不同，可以是扫描振镜或数控激光加工头，以及可以实现二维或三维加工的数控机床。
所述的透明材料，可以是普通的玻璃板或水晶板或有机玻璃板或钢化玻璃板或高分子透明材料，其形状可以是透明瓶，其厚度可以根据加工要求选择。
所述的靶材可以是粉末或液体或薄板或薄膜，靶材成分可以是金属或石墨或浆料或颜料，如锌粉、铜粉等金属粉末或非金属粉末、混合粉末或掺有粘结剂的粉末，以及导电浆料等。
所述的平板可以是金属或非金属板，如钢板、不锈钢板、铜板、铝板、玻璃板等，盛粉装置可以是容器。
所述的清除粘附靶材的过程可使用液体冲洗或吹风机吹除或或超声波清洗等清除方式，如用水冲洗、酒精擦拭。
所述环境气氛可以是空气气氛或真空室或气体保护的气氛，还可以加入参加或辅助光化学反应和热化学反应的物质。
所述的高能束可以是激光束，也可以是电子束或粒子束等高能束，所用的透明材料板可以是针对高能束透明的材料
以下实例选用体积小、光束质量好、加工方便的光纤激光器，波长为1064nm，激光控制系统采用扫描振镜；以熔点较低附着性好的锌粉作为靶材，其粉末直径6um；以不锈钢板作为铺粉平板；选择3mm厚的普通玻璃作为透明材料进行镀膜。
实施例1：镀覆100mm*100mm的氧化锌膜层
将锌粉均匀铺陈于不锈钢板上并压实成1mm厚度，再在其上放置一厚度为3mm的玻璃平板，保持粉层上表面与扫描振镜焦点在同一平面。在控制激光输出的计算机软件中编辑好实际尺寸为100*100mm的黑色填充位图，设定加工参数为功率10W，频率80KHZ，扫描间隔0.1mm，扫描速度400mm/s。打开激光器，使激光按照设定的加工参数进行扫描。扫描完毕以吹风机吹除未被激光照射而黏附在玻璃板上的粉末并用酒精清洗，即可在玻璃基板表面得到低厚度、不透光的氧化锌膜层。
实施例2：精美图案的制作
将锌粉均匀铺陈于不锈钢板上并压实成1mm厚度，再在其上放置一厚度为3mm的玻璃平板，保持粉层上表面与扫描振镜焦点在同一平面。在控制激光输出的计算机软件中编辑好雪花形状的位图，设定加工参数为功率10W，频率80KHZ，扫描间隔0.1mm，扫描速度400mm/s。打开激光器，使激光按照设定的加工参数进行扫描。扫描完毕以吹风机吹除未被激光照射而黏附在玻璃板上的粉末并用水冲洗，即可在玻璃基板表面得到清晰美观雪花图案。
实施例3：激光布线
将锌粉均匀铺陈于不锈钢板上并压实成1mm厚度，再在其上放置一厚度为3mm的玻璃平板，保持粉层上表面与扫描振镜焦点在同一平面。在控制激光输出的计算机软件中编辑好细线形状的矢量图，设定加工参数为功率10W，频率80KHZ，，扫描速度500mm/s。打开激光器，使激光按照设定的加工参数进行扫描。扫描完毕以吹风机吹除未被激光照射而黏附在玻璃板上的粉末并用水冲洗，即可在玻璃基板表面得到线宽为微米级的细线。
实施例4：镀角形膜
将锌粉均匀铺陈于不锈钢板上并压实成1mm厚度，再在其上放置一厚度为3mm的玻璃平板，保持粉层上表面与扫描振镜焦点在同一平面。在控制激光输出的计算机软件中编辑好三角形状的矢量图，设定加工参数为功率10W，频率80KHZ，，扫描速度700mm/s，扫描间隔0.01mm。打开激光器，使激光按照设定的加工参数进行扫描。扫描完毕以吹风机吹除未被激光照射而黏附在玻璃板上的粉末并用水冲洗，即可在玻璃基板表面得到高锐度的角形膜。
有必要在此指出的是以上实例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
Claims (8)
1.一种基于透明材料的激光镀膜装置，其特征在于：包括计算机、与计算机相连的激光器、安装在激光器上的激光控制系统、工作台、透明材料板、靶材和平板；其中：激光器与计算机相连，工作台设置在激光控制系统的下方，透明材料、靶材和平板从上到下依次放置在工作台上。
2.一种利用权利要求1所述的一种基于透明材料的激光镀膜装置进行激光镀膜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将要镀覆的图形导入到计算机中；
2)先将靶材放置在工作台上，然后将透明材料板放置在靶材上，并保持靶材表面与激光器发出的激光束焦点所在的平面处于同一平面；
3)调整激光镀膜工艺参数，所述激光镀膜工艺参数包括激光功率、扫描速度和扫描间隔，靶材在该激光作用下能够达到熔化或发生反应的温度；
4)打开激光器，激光控制系统根据计算机输出的图形信号进行扫描，激光束作为高能束从上面穿过透明材料板照射在靶材上进行溅射镀膜；
5)扫描完成后清除粘附在透明材料板上而未被激光照射的靶材。
3.根据权利要求2所述的一种基于透明材料的激光镀膜方法，其特征在于：所述的工作台、靶材和透明材料板置于空气中或真空中或氩气中或氮气中。
4.根据权利要求2所述的一种基于透明材料的激光镀膜方法，其特征在于：所述的激光器为光纤激光器或Nd：YAG固体激光器或二氧化碳激光器，所使用的激光为连续激光或脉冲激光。
5.根据权利要求2所述的一种基于透明材料的激光镀膜方法，其特征在于：所述的激光控制系统为扫描振镜或数控激光加工头或能够实现二维或三维加工的数控机床。
6.根据权利要求2所述的一种基于透明材料的激光镀膜方法，其特征在于：所述的透明材料板为玻璃板或水晶板或高分子透明材料。
7.根据权利要求2所述的一种基于透明材料的激光镀膜方法，其特征在于：所述的靶材为固体或液体或粉末；
若靶材为固体，将靶材直接置于透明材料板下面；
若靶材为液体，先将液体盛放在一开口容器内，然后再将透明材料板放置在容器上；
若靶材为粉末，先将粉末均匀铺于平板或盛粉装置上压实，然后再在其上放置透明材料板。
8.根据权利要求2所述的一种基于透明材料的激光镀膜方法，其特征在于：所述的激光束由电子束或粒子束代替。
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