CN102051583B - 一种脉冲激光沉积系统 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于激光技术领域，提供了一种脉冲激光沉积系统，所述脉冲激光沉积系统包括用于产生脉冲激光的激光器、使所述脉冲激光投射于靶材的振镜、将所述脉冲激光聚焦于所述靶材的聚焦镜、驱动所述振镜振动的振镜转轴、驱动所述靶材旋转的靶材转轴以及驱动基片旋转的基片转轴，所述振镜倾斜设置于所述振镜转轴，所述振镜转轴与投射于所述振镜的脉冲激光束共线，称为同轴振镜；所述靶材转轴和基片转轴不共线。本发明采用同轴振镜扫描，各脉冲激光于振镜上的入射角相同，反射率不变，经振镜反射后的能量一致；振镜振动过程中各脉冲激光于靶材上的光斑大小相同，因而产生羽辉的成份、能量及其角度分布一致，沉积薄膜的均匀性佳。

Description

一种脉冲激光沉积系统
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种脉冲激光沉积系统。
背景技术
脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)是近年来迅速发展的制备高质量薄膜材料的方法之一，其具有独特的优势，例如可制备成分复杂、熔点高、硬度大的薄膜，且薄膜与靶材的成分一致、薄膜与衬底附着力强、结构致密、结晶质量高，参数灵活，适用面广等等。但是，由于激光斑点小，在制备大面积均匀薄膜方面存在一定困难。
目前，用控制系统移动靶材或基片来实现均匀薄膜是一种较为有效的解决方案，但系统复杂，成本高。而且，在通常情况下激光焦点在靶材上刻蚀形成的微柱会导致羽辉偏向入射激光的方向，影响了薄膜厚度以及成分的均匀性。另一种方案是控制激光斑点在靶材表面扫描，但目前的装置中都存在一些不可避免的缺点，比如激光入射到反射镜上，由于反射镜的偏转使得激光的入射角不断变化，反射率也在不断变化，导致激光在靶材上的不同位置具有不同的能量，影响了薄膜的均匀性；更严重的是，由于振镜偏转，使激光在靶材上的各作用点到聚焦镜的距离不同，造成激光斑点大小也不同，激光的功率密度在不同作用点也就不相同，最终导致薄膜均匀性差。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种脉冲激光沉积系统，旨在解决采用现有脉冲激光沉积系统制备出的薄膜均匀性差的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种脉冲激光沉积系统，包括用于产生脉冲激光的激光器、使所述脉冲激光投射于靶材的振镜、将所述脉冲激光聚焦于所述靶材的聚焦镜、驱动所述振镜振动的振镜转轴、驱动所述靶材旋转的靶材转轴以及驱动基片使其相对于所述靶材旋转的基片转轴，所述振镜倾斜设置于所述振镜转轴，所述振镜转轴与投射于所述振镜的脉冲激光束共线，且平行于所述靶材转轴和基片转轴；各转轴均绕其中轴线旋转；经所述振镜反射后的脉冲激光与所述靶材表面的夹角为30～50°。
本发明实施例采用同轴振镜扫描，将振镜倾斜设置于振镜转轴，使投射于振镜的脉冲激光与振镜转轴共线(同轴)，振镜转轴绕其中轴线旋转驱动振镜振动，各脉冲激光于振镜上的入射角相同，反射率不变，经振镜反射后的能量一致；各脉冲激光经振镜反射所形成的轨迹为同一圆锥的母线，于靶材上的作用点至聚焦镜的距离严格相等，振镜振动过程中各脉冲激光于靶材上的光斑大小相同，因而产生羽辉的成份、能量及其角度分布一致，沉积薄膜的均匀性佳。
附图说明
图1是本发明实施例提供的脉冲激光沉积系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的脉冲激光的扫描路径图；
图3是本发明实施例提供的脉冲激光沉积薄膜的对比效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例采用同轴振镜扫描，将振镜倾斜设置于振镜转轴，使投射于振镜的脉冲激光与振镜转轴共线(同轴)，振镜转轴绕其中轴线旋转驱动振镜振动，各脉冲激光于振镜上的入射角相同，反射率不变，经振镜反射后的能量一致；各脉冲激光经振镜反射所形成的轨迹为同一圆锥的母线，于靶材上的作用点至聚焦镜的距离相等，振镜振动过程中各脉冲激光于靶材上的光斑大小相同，因而产生羽辉的成份、能量及其角度分布一致，沉积薄膜的均匀性佳。
本发明实施例提供的脉冲激光沉积系统包括用于产生脉冲激光的激光器、使所述脉冲激光投射于靶材的振镜、将所述脉冲激光聚焦于所述靶材的聚焦镜、驱动所述振镜振动的振镜转轴、驱动所述靶材旋转的靶材转轴以及驱动基片使其相对于所述靶材旋转的基片转轴，所述振镜倾斜设置于所述振镜转轴，所述振镜转轴与投射于所述振镜的脉冲激光束共线，且平行于所述靶材转轴和基片转轴；各转轴均绕其中轴线旋转。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的脉冲激光沉积系统包括用于产生脉冲激光1的激光器(图中未示出)、使该脉冲激光1投射于靶材8的振镜3、将该脉冲激光1聚焦于靶材8的聚焦镜2、驱动该振镜3振动的振镜转轴4、驱动该靶材8旋转的靶材转轴9以及驱动基片6使其相对于靶材8旋转的基片转轴5。该振镜3倾斜设置于振镜转轴4，该振镜转轴4与投射于振镜3的脉冲激光束1共线(同轴)，且平行于靶材转轴9和基片转轴5。
本发明实施例中，脉冲激光1经聚焦镜2投射至振镜3，振镜3振动过程中，其入射光线与振镜法线的夹角不变，即于振镜上的入射角α不变。脉冲激光为自然光偏振或圆偏振光时，入射角不变，反射率不变，即每一脉冲激光经振镜3反射后能量相同。
如图2所示，振镜转轴4绕其中轴线旋转，驱动振镜3旋转一周，脉冲激光经振镜3反射后所形成的曲面为圆锥面。该圆锥面由靶材8所在的平面截取，得到一以脉冲激光1于振镜3上的入射点为顶点，以脉冲激光1于振镜3上的入射点与脉冲激光1于靶材8上的作用点间的连线(如XA、XO、XB)为母线的圆锥，各脉冲激光于振镜3上的入射点与其于靶材8上的作用点间的距离均为该圆锥的母线长度。因此各脉冲激光从聚焦镜2投射至靶材8的行程相等，同时经振镜3反射后于靶材8表面的入射角β为π-2α(固定值)，各脉冲激光作用于靶材8的光斑大小相同，即各脉冲激光作用于靶材8的功率密度相等，使各脉冲激光1与靶材8相互作用中能量一致。最终各脉冲激光从靶材8中轰击出的等离子体羽辉的成份、质量、能量、电离程度以及角度分布相同，从根本上保证了薄膜的均匀性。如图3所示，本沉积薄膜厚度的均匀性较其他沉积镀膜方式的均匀性佳。
应当理解，脉冲激光1于靶材8上作用点的轨迹为上述圆锥的底面圆弧的一部分。脉冲激光1于靶材表面扫描的弧线路径经过靶材8的中心；振镜3振动半个周期，脉冲激光1从靶材8的中心扫描至靶材8的边缘；振镜3接着振动半个周期，脉冲激光1从靶材8的边缘扫描至靶材8的中心。随着靶材转轴9驱动靶材8旋转，脉冲激光1对靶材8进行全面扫描。
振镜转轴4旋转角速度ω0即振镜3振动的频率与多个参数有关，如靶材8与基片6间的距离、基片6的旋转速度等。远离基片6的中心需沉积镀膜的面积越大，所需羽辉7数越多。脉冲激光的重复频率f为恒定值时，羽辉7垂直投影于基片6，其中轴线的投影点靠近基片6的中心时，振镜3的转动速度高，使落于基片6的羽辉较少；其中轴线的投影点远离基片6的中心时，振镜3的转动速度低，使落于基片6的羽辉较多，这样于整个基片6表面沉积镀膜的厚度将更加均匀。
本发明实施例通过调整振镜3的倾斜角度，使振镜3与振镜转轴4的夹角为20～30°。脉冲激光1经振镜3反射于靶材8上的入射角为30～50°，此时羽辉7的中轴线垂直于靶材8，靶材表面不易形成微柱，从而消除了羽辉偏向现象，确保各个羽辉具有相同的分布和方向，沉积薄膜更加均匀。
作为优选，本发明实施例采用离轴方案，即靶材转轴5与基片转轴9不共线，同时使靶材转轴5与振镜转轴4间的距离等于基片转轴9与振镜转轴4间的距离，即可实现大面积均匀薄膜的沉积。靶材8垂直投影于基片6时，基片6的中心位于靶材投影面的边缘，这样羽辉7将由基片6充分接收并沉积。
本发明实施例采用同轴振镜扫描，将振镜倾斜设置于振镜转轴，使投射于振镜的脉冲激光与振镜转轴共线(同轴)，振镜转轴绕其中轴线旋转驱动振镜振动，各脉冲激光于振镜上的入射角相同，反射率不变，经振镜反射后的能量一致；各脉冲激光经振镜反射所形成的轨迹为圆锥母线，于靶材上的作用点至聚焦镜的距离相等，振镜振动过程中各脉冲激光于靶材上的光斑大小相同，因而产生羽辉的成份、能量及其角度分布一致，沉积薄膜的均匀性佳。同时，保持脉冲激光的重复频率恒定，羽辉中轴线垂直于基片，其投影点靠近基片的中心时，振镜的转动速度高；其投影点远离基片的中心时，振镜的转动速度低，于整个基片表面沉积镀膜的厚度将更加均匀。此外，采用离轴方案，使靶材转轴与振镜转轴间的距离等于基片转轴与振镜转轴间的距离，即可实现大面积均匀薄膜的沉积。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种脉冲激光沉积系统，包括用于产生脉冲激光的激光器、使所述脉冲激光投射于靶材的振镜、将所述脉冲激光聚焦于所述靶材的聚焦镜、驱动所述振镜振动的振镜转轴、驱动所述靶材旋转的靶材转轴以及驱动基片使其相对于所述靶材旋转的基片转轴，其特征在于，所述振镜倾斜设置于所述振镜转轴，所述振镜转轴与投射于所述振镜的脉冲激光束共线，且平行于所述靶材转轴和基片转轴；各转轴均绕其中轴线旋转；经所述振镜反射后的脉冲激光与所述靶材表面的夹角为30～50°。
2.如权利要求1所述的脉冲激光沉积系统，其特征在于，所述靶材和基片均垂直于各自转轴，所述基片平行于所述靶材。
3.如权利要求1或2所述的脉冲激光沉积系统，其特征在于，所述振镜与振镜转轴的夹角为20～30°。
4.如权利要求3所述的脉冲激光沉积系统，其特征在于，所述脉冲激光经所述振镜反射所形成的轨迹为同一圆锥的母线。
5.如权利要求1或2所述的脉冲激光沉积系统，其特征在于，所述靶材转轴与基片转轴位于不同直线上，所述靶材转轴与振镜转轴间的距离等于所述基片转轴与振镜转轴间的距离。
6.如权利要求4所述的脉冲激光沉积系统，其特征在于，所述脉冲激光扫描所述靶材的弧线路径经过所述靶材的中心。
7.如权利要求6所述的脉冲激光沉积系统，其特征在于，所述振镜振动半个周期，所述脉冲激光从靶材中溅射出的羽辉由所述基片的中心扫描至所述基片的边缘；所述振镜接着振动半个周期，所述羽辉由所述基片的边缘扫描至所述基片的中心。
8.如权利要求1或2所述的脉冲激光沉积系统，其特征在于，所述脉冲激光的重复频率恒定时，将产生的羽辉垂直投影于所述基片，所述羽辉的中轴线的投影点靠近所述基片的中心时，所述振镜的转动速度高；所述羽辉的中轴线的投影点远离所述基片的中心时，所述振镜的转动速度低；所述羽辉的中轴线垂直于所述靶材。
9.如权利要求8所述的脉冲激光沉积系统，其特征在于，所述靶材溅射出的羽辉的中轴线垂直于所述基片，所述基片的中心位于所述靶材投影面的边缘。
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