CN102985586A - 用于涂覆固体涂层的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过至少一辐射源（2），特别是一激光辐射源在一待涂覆物体（12）上涂覆固体涂层（14）的方法，该方法包括至少一移除步骤：通过该辐射源（2）发射的至少一发射光束（8），将处于固态的一样品（4）的至少多个局部不同的部分（6）移除，以使至少部分该样品（4）转化成气体状态（10）以至少部分沉积于该待涂覆物体（12）上形成一固体涂层（14）；在移除过程中改变该发射光束（8）的一光路的取向，同时移动样品（4）。

Description

用于涂覆固体涂层的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种通过至少一种辐射源，特别是一种激光辐射源在一待涂覆物体上涂覆固体涂层的方法和装置，该方法中包括以下步骤：移除一样品，该样品包括多个不同的材料部分，通过该辐射源发射一光束以将该样品表面的该材料从固体状态转换成气体状态，也称作气相，以在该待涂覆物体上沉积一薄膜。

背景技术

在涂层的制备中，尤其是防腐蚀和防材料磨损的保护层、光学涂层和具有超导或者铁磁性的功能涂层的制备、以及在计量学与自动控制工程中，根据涂层的不同功能，需要涂层薄至几个纳米到几个微米。这些类型的涂层通常是通过激光束气化的方法来制成的。在这种方法中，用于涂覆的材料通常为圆盘状的样品。通过使用高能量脉冲激光，将样品表面的材料从固体状态转换成气体状态并且同时进行定向加速，这样由该样品表面的移除材料转变而成的气态材料云会以薄的固体涂层的形式沉积在邻近的物体上。但是，材料粒子容易在气化的状态下凝聚。倘若这些凝聚物沉积于该待涂覆的物体上，由于形成了一厚度不均匀的固体涂层，所沉积的固体涂层的质量就受到了损害，然而均匀的厚度对于固体涂层的应用是至关重要的，尤其在控制工程和自动控制工程中对电信号的正确传送而言是至关重要的。

通常来说，只有小而薄的、约为几个平方厘米计的表面才通过激光束气化的方法进行涂覆。在这种情况下，在样品旋转时或者样品在x方向或者y方向上移动时移除样品的表面，与此同时发射光束的光路是不变的。如现有技术中已知的，传统的激光束气化方法依赖于大量的工艺参数，比如所发射的光束的能量、脉冲序列、样品材料的移除速度、样品的材料组成又或者待涂覆物体与样品之间的设置关系。

除此之外，在使用多个单独的样品以沉积多个不同材料时，这些多个样品采用一所谓样品转换器以一集成的方式并排设置，样品转换器将独立的各个样品依次引导至光束的位置。由于光束每次只能移除一种材料组成并且沉积一新的涂层，因而这样的涂层工艺非常复杂。

US2005/0067389A1公开了一种两个阶段的激光束气化方法，在这个方法中，激光束一开始先沿着x/y轴方向的一固定路径移动，之后，该样品仅在第二个步骤中旋转过一个固定的角度。周期性重复这样的连续步骤，并使得样品的冲蚀减少。由于进行这样不变的周期性重复的连续步骤，旋转的角度是固定的，因此样品的一个区域会无法移除，由此导致了阴影效果。阴影效果一般理解为，由棱形突起的固体材料所引起移除的样品的气体状态的限制性扩散。另外，形成样品表面的材料破裂碎块，特别是形成突起的棱形的材料破裂碎块的可能性增加了，这些材料破裂碎块会作为整体沉积于待涂覆的物体的表面。这些在样品表面的材料破裂碎块，它们的尺寸范围有可能达到毫米级别，这使得该固体涂层的涂层厚度分布有着很大的波动。但是，在涂覆有固体涂层的物体的应用中，固体涂层的厚度最好在纳米或者毫米级别，并且厚度是均匀的，这就是说，在待涂覆的物体上沉积的固体涂层的厚度在任何位置都应该是一样的。

发明内容

从已知的现有技术出发，本发明的目的是提供一种用于在一待涂覆物体上涂覆固体涂层的方法及装置，该方法及装置能够均匀地、材料独立地移除样品的表面，能够减少任意不良材料破裂碎块在该样品表面的形成，并且通过该方法和装置能够在平方米数量级的大尺寸物体上得到无厚度差异的均匀涂层，其中，该样品表面可以包括各种不同的材料部分。

根据本发明中的权利要求1所述的在移除步骤中该些技术特征，以及权利要求10中的该装置的技术特征，本发明通过在一样品移动的同时，在移除过程中改变发射光束的光路的取向，来实现本发明的目的。

根据一较佳实施例，该发射光束的该光路的该取向的改变运动基于或者是独立于该样品的运动，其中，该样品与该发射光束的该光路相交。在该改变运动基于样品运动的情况下，该发射光束的该光路的该取向取决于该改变运动，并且该改变运动和该样品的运动是相互关联的，例如在速度上。因此，可以想象的是，在使用一圆盘状的样品的情况中，该样品的运动是围绕该样品的一中心轴旋转，旋转速度的增加使得该发射光束的该光路的该改变运动的该速度降低。在这种情况下，垂直于该样品表面并穿过该样品的该表面的中心点的轴被设置为该样品的中心轴。另外，该样品运动速度的增加（降低）同样也可以导致该发射光束的该光路的改变运动的速度的增加（降低）。

此外，例如该改变运动的速度和该样品的该运动的速度相互独立也是可行的，该改变运动决定了该发射光束的该光路的该取向。这样的一个好处就是可以单独控制每个运动，在这样的过程中的工艺参数，例如说发射光束在该样本的该表面照射的位置，或者甚至是该样品的运动速度，都可以在不影响其他工艺参数的情况下单独地进行调整。通过一计算机控制系统可以方便地控制和监测该发射光束的该光路的该取向的该改变运动以及该样品的运动。

根据另一较佳实施例，该光束光路的取向是根据如下方式进行改变的，该光束在样品表面进行一直线运动，该样品表面是与该发射光束的光路互相交叉的。该光束在样品表面的直线运动可以是，比如说水平的、垂直的或者是两者的结合，该发射光束的该光路的取向的改变方向与该原先的无偏移光束有关。如果是这样的话，该光束在一圆盘状样品表面的直线运动，举例来说可以穿过该样品表面的中心点。然而，如果该样品具有一矩形的几何形状，直线运动最好是在该样品的整个表面上进行。此外，通过光束偏转装置进行的该发射光束的该光路的取向的改变运动可以呈现一个圆锥状的结构，这表现为一在该样品表面旋转的光束。

根据另一较佳实施例，该发射光束以一个预定的角度照射在该样品的表面，该样品的表面与该发射光束的该光路相交，同时较佳地，该样品绕着垂直于该样品的表面并穿过该样品的表面的中心点的轴进行旋转。该光束的预定角度即当该发射光束照射至该样品表面时该发射光束与该样品的该表面之间形成的夹角的角度。该预定角度较佳地为使得该光束的该光路的改变运动穿过该表面的中心点。较佳地，该样品的旋转速度相对于该发射光束的取向的改变最好较慢。该样品的旋转速度在0.1-250转每分钟，较佳地为1-50转每分钟。

根据另一较佳实施例，该光束以一预设的角度照射在该样品的该表面上，该样品的该表面与该发射光束的光路相交，同时该样品的位置在一垂直于该光束的该光路的延伸方向上改变。该样品的该位置的变化可以为垂直的运动或者水平的运动或者两者皆有的。较佳地，该样品的位置改变的运动的运动速度慢于该发射光束的该光路的改变运动的运动速度，较佳的该样品的位置改变的速度为在0.01-50微米每秒之间。

根据另一较佳实施例，该样品包括多个不同部分时，较佳地，该些部分由不同材料组成。假如该样品为，例如说盘状的并且包括多个类扇形的样品部分，该些类扇形的样品部分包括了多个不同的材料组成，在该发射光束的该光路的取向改变的同时该样品围绕着其中心轴旋转，就可以在该待涂覆的物体上沉积一具有周期性的材料浓度序列的固体涂层。举一个最简单的例子，所沉积的固体涂层的一单独的涂层的组成对应于该样品的一部分的该组成。在比较复杂的情况中，任何希望得到的涂层组成的变化都可以通过选择该些要移除的材料部分来决定。所有沉积的涂层共同组成了该固体涂层。较佳地，该固体涂层的沉积的涂层的周期性变化，是由该样品的运动速度以及偏转的该发射光束的该光路的运动速度来决定的。此外，在移除过程中，该偏转的光束在该样品的该表面上留下的路径的长度会影响所沉积的固体涂层中的每个单独的涂层的组成以及厚度。举例来说，如果在一盘状样品旋转的情况下，该盘状样品被分为多个具有不同材料组成的类扇形部分，在移除过程中，相比反复偏转该光束但仅仅从该样品表面的该中心点放射状地向外偏转至该样品表面的周缘而言，偏转该发射光束使该光束反复通过该样品表面的该中心点以经过该样品表面的整个直径这样的偏转方式能够将更多材料转化成气体状态。如果该光束偏转经过该样品的整个直径，而不是仅仅是重复地放射性地偏转的话，则该气态材料云会因此获得更高的材料浓度，这同时也能够决定沉积于该待涂覆物体上的该固体涂层的厚度。以该气态云形式呈现的材料越多，那么沉积于该待涂覆物体上的该固体涂层的该些涂层就越厚，反之亦然。此外，可以想到的是，波束功率的变化也会影响到该固体涂层中的该些涂层的厚度，因为较高的波束功率可以移除较多的该样品表面的该材料。

该样品的每个独立的部分的材料组成较佳地可以使用化学上均一的成分，特别是具有金属性质的纯净物例如说钛、银、铝或者铁，和/或具有非金属性质的纯净物，例如说硼、碳或磷；金属组合物，例如说合金；和/或非金属化合物或者非氧化物的化合物，例如说碳化物、卤化物或氮化物。其中，所述的非金属化合物较佳地在工业上作为保护层以对抗表面和界面之间的氧化。此外，可以想到的是，使用陶瓷复合材料作为该样品的该些部分的材料。该陶瓷复合材料中的经额外加工的塑料部分使得该些陶瓷复合材料具有柔韧性。当陶瓷复合材料被用作该样品的该些部分的材料，就能够避免例如在该样品的该表面上形成材料破裂碎块。较佳地，该陶瓷复合材料的有机部分，即该柔韧性塑料部分在该样品的该表面的移除过程中分解，而该陶瓷复合材料的陶瓷部分则在该样品的该表面的移除过程中转化为气相，并且以一固体涂层的形式沉积于该待涂覆的物体上。如果该样品的各个部分中采用了不同的材料，也就是说如果该样品的该些部分的材料包括了不同的组成，例如说金属、硫化物或卤化物，则该发射光束移除该样品的该表面的同时，该样品的该些部分的表面也被移除了，较佳地，从而使得该样品的该些部分中的该些不同的材料组成同时进入气体状态。如果一盘状的样品例如被分割成两个样品部分，每个该样品部分的组成彼此不同，并且每个该样品部分为一个半圆，该样品围绕着其中心轴做旋转运动的同时该发射光束的该光路的取向的水平改变运动覆盖于该样品的整个直径，则两个该部分的该些表面就被相继移除并且转化为了气体状态。因此该气态云包括了该样品的移除部分的两种材料组成。如果该气态材料云中该样品的该些部分的材料组成不会发生化学反应，该样品的两个被移除的该部分的该些材料组成作为一固体涂层沉积于该待涂覆的物体上，也就是说，沉积的固体涂层包括了来自于该样品的两个部分的两种材料组成。如果该气态材料云中该样品的该些部分的材料组成存在化学反应关系，他们彼此之间至少部分能够发生反应并且彼此之间形成新的化学键。由此，除了该样品的两个移除部分的该些材料组成之外，沉积的该固体涂层还可包括由该两种材料组成形成的新的化合物。可以通过覆盖于该样品的该些部分的该表面的该光束的光路来设置或者改变该沉积的固体涂层中该材料的组成，例如通过在一涂层中形成浓度梯度和/或在直接紧邻设置的至少两个涂层之间形成浓度梯度。

根据一较佳实施例，该样品的该些不同部分是多个涂层和/或在该样品的该表面上的多个并排区域。例如该些涂层可以是平行于该样品表面的连续涂层，较佳地，每个涂层具有的材料组成与相邻涂层的材料组成物不同。此外，将拥有不同材料组成的该样品的该些部分直接紧邻设置于该样品的该表面上。该些部分可以设计为各种理想的几何形状，例如扇形的、圆形的或者多角形的。较佳地，该样品的该些部分整体连续地设置在该样品的体积中。因此，例如，一第一部分表面和一第二部分表面可以同时形成该样品的一部分，该第一部分表面与该第二部分表面相对，该第一部分表面为该样品的至少部分表面，该第二部分表面为该样品的至少部分底面。

根据一较佳实施例，在该移除过程中，该样品的该些不同部分从该样品的表面被垂直移除，较佳地，该些不同部分单独地从该样品的表面被垂直移除。基于该波束功率，具有不同理化性质的该些部分的材料组成可以以不同的速度被移除。由此会使得该样品表面粗糙化，这将导致在该样品的两个紧邻部分的界面处形成该样品表面的材料的棱角或台阶，由此造成阴影效应。通过使该样品的该些部分垂直于该样品表面进行选择性的运动，较佳地，该些样品的该些部分单独地垂直于该样品表面，就能够避免形成于该些界面的边缘或台阶，这同时也避免了在该样品表面的移除过程中，可能由该边缘或者该台阶形成的材料碎块。采用至少一控制设备来控制该样品的该些部分的偏转，该控制设备优选地为一线性驱动器。

本发明还包括一用于在一待涂覆物体上涂覆固体涂层的装置，该装置包括一辐射源、一方向变换设备和一真空室，该辐射源特别地为一激光辐射源，该方向变换设备用于改变该发射光束的光路，该真空室中设置有一样品，该样品较佳地包括多个不同部分，该样品在一第一外部驱动设备的驱动下运动，并且该样品的表面被该光束移除，该光路的取向是可移动的，该样品也是可同时移动的。本发明所述的该装置包括用于改变该发射光束的光路的一方向变换设备，该方向变换设备包括至少一镜子和/或至少一光束扩束器和/或至少一聚焦设备，较佳地该镜子为一检流计反射镜，该检流计反射镜为单轴的或双轴的，但是较佳地为双轴的。该扩束器较佳地为一棱镜，用于在移除大尺寸的样品的表面时扩大该发射光束的直径。较佳地，该聚焦设备为一透镜，通过该透镜来改变该光束的横截面的形状。该光束除了圆形的横截面外，还可以为例如一有角的横截面，较佳地为正方形横截面，这样如果该样品的几何形状是为有角的时候，能够保证该样品的该表面能够被均匀地移除。较佳地，可以想到改变一三维激光扫描器的该光束的横截面以使得即使是复杂的样品形状可以实现均匀的移除，并且避免了该样品的移除材料转化为气相时凝聚物的形成以及避免了该样品表面材料碎块的形成。此外，该三维激光扫描器能够在整个该样品表面设置一固定的光束焦点。

根据一较佳实施例，该样本的不同的该些部分以层和/或者区域的形式并排设置，该些不同的部分彼此之间材料组成不同。因此该样品能够同时提供多种材料。如果该样品的该些部分能够以层状的形式、平行于该样品的该表面设置，就能够在移除掉上层的一第一涂层之后，接着就将具有不同的材料组成的、位于下层的一第二涂层转移到该待涂覆的物体上，并且无需采用耗时的方式更换样品。

较佳地，该样品的几何结构是一个三维立体的结构。例如，该样品可以有一圆形的基本形状，比如一圆盘状或者一圆柱状；也可以有一多边形的几何形状，比如正方形、长方形或三角形。较佳地，该直径，即该样品的该表面的尺寸，并不局限于传统实验室中几厘米的规模。该样品可以具有更大的直径，较佳地在1-15厘米之间，该样品可以具有任何理想的几何结构。此外，还可以想到的是，该三维立体结构的样品可以为一条状或一缆线状，该条状样品的横截面是有角的，该缆线状样品具有例如一圆形横截面并且具有连续的结构，由此在给大尺寸的物体的涂覆的过程中不会被定期打断，这样的定期打断举例来说为，在完成一盘状的样品材料移除之后，中断操作程序以更换耗尽的样品，并且再次对该真空室抽真空。

根据一较佳实施例，本发明有一待涂覆的物体，该物体被设置为可以通过一第二驱动设备移动。在该气体状态沉积的期间，该待涂覆的物体的运动相对于该样品的该表面可以是垂直的、水平的或者既垂直又水平的。此外，在该气体状态的沉积过程中，将给待涂覆的物体设置成可以围绕一轴旋转的形式也是可行的，该轴垂直于该气体状态所沉积的表面，并且较佳地穿过该表面的中心点。此外，较佳地，同时可以通过该第二外部驱动设备移动该待涂覆的物体使得该样品的该表面和该待涂覆的物体之间的距离是可变的。在本发明中，较佳地，通过该待涂覆物体的运动来控制该待涂覆物体上沉积的固体涂层的厚度和移除样品材料形成的气体状态的均匀沉积，无需改变该光束的参数，例如光束功率或者光束直径，其中，该待涂覆物体具有较大的表面。较佳地，该被涂覆的物体的运动与该样品的运动以及该发射光束的光路的变化的运动同时进行。这样能够快速地移除该样品的表面，并且涂覆具有几个平方米尺寸的物体。此外，该待涂覆的物体也可以是平板状的，如平板状的三维立体结构的或者甚至是一种平板状的连续条状。

根据又一较佳实施例，该样品和该待涂覆的物体之间设置了一掩膜。该掩膜可以以相对于该待涂覆的物体固定的形式设置于一承载元件上。较佳地，该掩膜被设置为可枢转的，也就是说该掩膜的位置是可以变化的。该枢转较佳地绕着一轴进行，该轴在与该掩膜的水平表面相垂直的方向上延伸，该轴可以具有任意的方向。较佳地，该掩膜具有至少一开口，该开口可以使得该样品的该气体状态能够以该开口的几何形状沉积于该待涂覆的物体上。还可以想到的是，该掩膜具有很多该开口，该些开口具有不同几何形状。此外，还可以想到的是，该掩膜被设置为：可以通过引导系统改变该掩膜相对于该待涂敷的物体的位置，该导引系统比如说轨道的形式。

在本发明中该装置涉及到的一辐射源可以为一激光辐射源、一高能电子辐射源、或一高能中子辐射源或一等离子体源，该激光辐射源较佳地能够产生一脉冲激光光束，更佳地产生一飞秒脉冲激光光束。

此外，还可以想到的是，不止一个光束被用来移除该样本的表面。这可以通过以下方式来实现，例如说，多种辐射源发射可变化光路的射线，或者通过分束器来实现，该分束器将原始的发射光束分散成至少两道次级光束。举例来说，四道横截面形状和尺寸可变化光束都可以被方向变换设备偏转并且该些光束的光路都可被移动，由此可以同时移除一样品的四个部分，该样品的该些部分具有不同的形状和/或材料组成。这样一方面可以节省时间，并且另一方面能够控制所沉积的固体涂层的组成。

下面，本发明将通过一较佳实施例并结合附图进行详细的描述，附图如下。

附图说明

图1为本发明所述装置的截面图。

图2为图1所示的本发明所述的装置的局部示意图。

图3为激光运动的示意图。

图4为本发明中所述的方法中的激光以及样品的另一移动方式的示意图。

图5a为该样品的可移动部分的截面图。

图5b为该样品的可移动部分的另一截面图。

图6a-6d为该样品的几何形状的示意图。

图7a-7c为固体涂层的示意图。

图8a-8b为大尺寸的样品表面的横截面的示意图。

图8c为大尺寸的样品表面的示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明一实施例中的装置23。设置在真空室26外部的一辐射源2，该辐射源2可以为一激光辐射源，该辐射源2较佳地能发射飞秒脉冲激光光束。较佳地，设置在该真空室26外部的一方向变换设备24，并且该方向变换设备24设置在发射光束8的光路的x轴方向上。该方向变换设备24较佳地包括至少一镜子，特别是一个双轴检流计式反射镜，用来使该发射光束8偏转，至少一个用于聚焦和/或散焦的设备以及一个用于分散该光束8的设备（图中未示出）。该光束8在x轴方向上的进一步光路穿过在该真空室26上的至少一个光学窗口40，该真空室26中为低压，较佳地为真空，该真空室26是通过一个气泵设备30来实现真空并且保持真空状态的。此外，在该真空室26中有一样品4，该样品可拆卸地由一样品承载台42承载，该样品4较佳地包括不同的部分6（图中未显示）。该样品承载台42通过一样品承载支架43与一第一外部驱动设备28经由一导向装置相连，由此可以对样品4的空间倾斜角度进行设定。此外，一待涂覆物体12同样被设置在该真空室26中，并且该待涂覆物体12可以通过一第二外部驱动设备32偏转，该待涂覆物体12的运动较佳地为线性的，例如相对于该样品4垂直或者水平移动。此外，该样品4的表面16与待涂覆物体12之间的距离也可以通过该第二外部驱动设备32来设置，以使得该距离在z轴方向上是可变的。该光束8照射在样品4的表面16上，并且将固态样品材料转化为气体状态10，并形成气态材料云。在移除该样品4的表面16时，同时该样品4也在移动，并且同时一个使得该发射光束8的光路取向改变的运动也在进行。在如图1所示的例子的情况下，在移除过程中该样品形成一个圆盘状，并且绕着该圆盘的中心轴旋转，该中心轴垂直于该样品4的表面16，并且穿过该样品4的表面16上的中心点Z。同时，该发射光束的光路的取向从原来的光束光路上以线性水平的方式改变，这就是说该光束8相对于其原来的光束光路从x轴方向偏转进入了xy平面，并且在该样品4的表面16上描绘了该光束8的移动路径X。该移动路径X的长度优选为该样品4的直径，在一旋转的圆盘状样品的情况下该移动路径X的长度较佳地通过该样品4的表面16的中心点Z延伸。该样品4的表面16的移除是以一种高能量的方式实现，也就是说固体颗粒在该样品4被转化成气体状态10的过程中被加速了，并且沉积于待涂覆物体12上从而成为了固体涂层14。该固体涂层14例如为一单原子层、一厚度为几微米的层或一复合层，该复合层包括了多种材料组分不同的涂层。此外，由于该样品4的一部分6在极短的时间内被移除，可以实现气态材料组成10在待涂覆物体12上的一种局部的、有限的沉积，该沉积较佳地为孤立的岛状形式。例如这可以用来生产阶梯状的固体涂层14，该固体涂层14作为一个整体，其厚度方面仍然是均匀地薄。

此外，该样品4的空间取向在该样品4的表面16被该发射光束8移除的过程中改变，较佳地该空间取向的改变以空间倾斜角度的形式改变。该样品4的空间倾斜角度可以理解为，穿过该样品4的该表面16的该中心点Z且与该样品4的表面垂直的轴与坐标系的z轴之间的夹角。这意味着该样品表面16的空间倾斜是同时在xz平面和yz平面上的。在用该发射光束8对该样品4的表面16进行移除时，该样品承载台42用于接受和固定该样品4，例如通过螺接的方式或者通过拉伸弹簧固定该样品4，较佳地以与该样品4的几何形状相适应的方式来固定该样品4。将该样品承载台42与该第一外部驱动设备28分隔开的一样品承载支架43的一第一端设置在该样品承载台42远离该样品的一侧。该样本载体支架43的第二端为一导向装置，例如一种球窝接头，该导向装置可以插入该第一外部设备28中的一形状相应的凹部中。通过该导向装置能够改变该样品的该空间倾斜角度，该导向装置较佳地为电驱动的。该导向装置直接设于该样品承载台42和该样品承载支架43之间也是可行的，只要在该样品承载支架43在其位置保持不动的时候，该样品承载台42和该样品4的该空间倾斜角度可以改变即可。该导向装置还可以通过多种方式进行设计。较佳地，该空间倾斜角度的变化应当与该样品4的旋转运动或者线性运动同时进行。为了能够在该待涂覆物体12上沉积一厚度均匀的固体涂层，通过改变该样品4的空间倾斜角度，该气态材料云10可以对准该待涂覆物体12的不同区域。因此，该样品和该待涂覆物体无需相对彼此采用一预设的固定取向。

该真空室26包括至少一附加的外部入口36，通过该外部入口36，例如气体或者气体混合物可以被引入该真空室26，用来制造在该待涂覆物体12上的该固体涂层14。通过引入反应气体，例如氧气进入该真空室26，也可以让该反应气体与该样品4的该气体状态10发生化学反应，由此可以让新形成的化学组成能够至少部分地沉积在该待涂覆物体12上。为了进一步改善或者加快该反应，该气体可以被单独激活，激活形式例如将该气体原子的分离成等离子体的形式。

如图2所示，还有另外一种方式，即设置至少一个额外的固定的和/或可移动的掩膜34，该掩膜34带有至少一个开口38。该开口38可以为圆形或者是有棱角的，较佳地为狭缝的形式。此外，也可以设置多个开口38，该些开口38较佳地具有不同的几何形状。将该掩膜34设置为可以围绕一轴回转是可行的，该轴在垂直于该掩膜34的该水平表面的方向上延伸，较佳地，该轴穿过该掩膜34的一角，由此可以通过螺钉将该掩膜34以一可替换的形式固定于一框架型系统上和/或一导轨状导向系统上（图中未示出），该导轨状导向系统较佳地为滑轨的形式。这能够使该样品4的该气体状态10能够额外的局部沉积于该待涂覆物体12上。在制造电路时，这对于控制工程和自动控制工程尤其有好处。此外，设置多个掩膜34也是可行的，该掩膜在不同位置设有开口38，较佳地，这些掩膜在该样品4为该气态状态10时被交替引入，由此该沉积的固体涂层14的几何形状就不会被局限于单一的涂层或者具有梯度的涂层，而是具备复杂结构，例如电路的涂层。

图3为在该移除步骤中该光束8相对于一可旋转设置的、圆盘状样品4的光路的改变示意图，该样品4包括类扇形的不同部分6a和6b，部分6a包括一材料A，材料A的组分与部分6b包括的材料B不同。该光束8照射在该样品4的表面16的L1位置，该光路以一线性方式改变至沿着方向L并通过位置L2和L3，与此同时该样品4是在旋转的，较佳地，该样品4围绕一穿过该样品4的表面16的中心点Z并且与该样品4的表面16垂直的轴旋转。在该光束8的该光路的改变速度相对于该样品4的运动速度来说非常快的情况下，这种移动形成了沿着该表面16上的该光束8的该移动路径X。较佳地，该移动路径X延伸至该样品4的整个直径。此外，该移动路径X也可以例如在该样品4的该表面16上放射状取向或者在该样品4的该表面16上沿着一预设距离取向。此外，对于该样品4的旋转来说，该气体状态10的组成是根据在该样品4的该表面16上的该移动路径X的长度和路径来设置的，并且该气体状态10的组成也决定了该沉积的固体涂层14的组成。

图4a示出了一多边形样品4的表面16，该样品例如为一立方体样品，该样品4的该表面16被分成不同的部分6a-6c。每个独立的部分6a、6b以及6c均有不同的材料组成，较佳地为纯净物和/或混合物。在图4a中示意性地显示了该发射光束8的该光路的变化，例如发生在水平方向L上的线性运动，同时伴随着该样品4在该垂直方向P上的线性运动。因此，一开始只有6a和6b两个部分被移除了，随着该光束8以及该样品4同时发生的进一步的线性运动，部分6c也被移除了。该样品4以及该光束8的运动不断重复直到所沉积的厚度和组成达到了目标涂层的厚度和组成。透视图4b中显示了该运动顺序。如果该样品4的线性运动的速度比该光束8的变化速度慢，较佳地，就会发生线状的材料移除。较佳地，该样品4为垂直运动，该光束8的光路的改变运动是水平的。特别优选地，在使用多边形几何形状的样品的情况下，该光束8的横截面不是圆的。举例来说，明显有角的光束横截面是有利的，因为这样该横截面可以通过现有方法进行准确的调整，并均匀地移除样品材料。在有角的样品4的线性移除过程中，圆形的光束横截面会与该移动路径X重叠。该样品4的运动最好与该光束8互相适应，这样在各个部分6的材料界面上不会有偏差。

图5a示出了一包括部分6a以及部分6b的圆盘状样本4的横截面。如果说，假设该辐射源2为一脉冲纳秒激光，部分6a以及部分6b的移除是依赖材料的，例如说在部分6a的材料A的移除速度实际上是比在6b部分的材料B的移除速度要快的。在这种情况下，部分6a的厚度减少得要比部分6b的快。部分6a和部分6b两者间的厚度差将会导致不希望出现的阴影效果，这样在连续的移除步骤中，将会导致在该待涂覆物体12上的气相10的一减少的沉积。因此，本发明的装置23优选地具有至少一个可移动的冲具（Stempel）44，该冲具44可以在移动方向F上移动其初始的位置，在移动方向F上的移动的过程中，该冲具44移动该样品4的至少一部分6。较佳地，冲具44与该样品承载台42的设置关系是这样的：该冲具44可以在移动方向F上移动，该冲具44的运动是垂直于该样品4的该表面16的。较佳地，该样品4的每个部分6都有一个可移动的冲具44，该冲具44以一平坦的方式至少部分覆盖了该样品4的该部分6的底面。此外，为了以一垂直于该样本4的该表面16的方式在该移动方向F上从冲具44的起始位置起提升该样品4的该部分6的该底面，该可移动冲具44仅仅与该样品4的该部分6的该底面点接触也是可行的。所有具有相同材料组成的部分6被同时提升也是可行的。该冲具44的运动较佳地与同时进行的样品4的运动以及发射光束8的光路的改变运动同时进行，并且较佳地，被快速移除的该样品4的该部分6的提升，此处以该6a部分为例，在该样品4的该表面16的移除过程中连续重复进行，如此一来，如图5b所示，通过对被快速移除的部分进行移动，能够确保在任一移除的时间点该样品4的表面性质是一致的。

图6示出了在所示工艺中该样品4的一个例子，该样品4为均匀的固体涂层14提供了一较优的基底。图6示出的该样品4具有一圆形的、盘状结构，该样品4包括有三个不同的部分6a、6b以及6c，部分6a包括材料A，部分6b包括材料B，部分6c包括材料C，这些材料彼此之间在组成上均不相同。部分6a以及部分6b的形状为类扇形，并且部分6a以及部分6b与圆形的部分6c相邻。这样的设置仅是一样品几何形状的一个举例。将该样品4的多个不同部分6并排连续设置在该样品4的该表面16上也是可行的。由于该样品4直径的增加，所移除的材料也增多了，由此在该过程中该气体状态10的体积也增加了，这就使得涂覆大尺寸物体12成为可能。在图6b中所示的示意性的样品4具有一带有角的几何形状，并包括6a、6b以及6c几个部分，同样地，这几个部分在材料组成上不同。此外，该样品4的三维设计可以是，例如被分为不同部分6的圆筒状或者杆状的样品4，各个部分同样包括了各种不同的材料（图6c）。此外，样品的几何形状也可以是有角的，较佳地是立方体或者长方体，该样品4的该些不同的部分6可以较佳地以分层的形式平行地形成在该表面16上，特别优选地以垂直于该样品4的该表面16的区域形成，并且这些区域至少部分穿入该样品4内（图6d）。此外，在内部或者表面14设置螺旋状的部分6也是可行的（图中未示出）。此外，如果使用了大尺寸的样品4，则采用一分束器会比较有利，该分束器用以将该发射光束分离以实现该在样品4的多个位置上同时进行材料移除。因此，本发明能够均匀且快速地将固体涂层14涂覆在大尺寸的物体12上。

图7a示出了在该发射光束8的光路在一水平的移动方向L上改变的情况下在该待涂覆物体12（见中间）上的一示例性沉积的固体涂层14的截面图。如果说，假设，一圆形的、盘状的样品4（左边的视图）以可围绕一轴沿着箭头方向R旋转的方式设置，该样品包括一具有材料组成A的部分6a以及具有有材料组成B的部分6b，例如，这两个部分的形状被设置为完整的同心圆或者半圆，该轴垂直于该样品4的该表面16且穿过该样品4的该表面16的中心点Z，该表面16的移除通过水平偏转的发射光线8实现以同时将部分6a的材料A以及部分6b的材料B转化成该气体状态10，较佳地，该发射光束8的移动方向穿过该样品4的该表面16的该中心点Z。这样，具有A_xB_y组成的固体涂层14的表层7a沉积在该待涂覆物体12上。整个化学式A_xB_y中的下标指数x和y分别代表了材料A以及材料B在分子中的原子数，并且原子数在本发明中是可变的，较佳地是根据涂层的不同来改变。经过持续的移除过程，该固体涂层14的厚度和其他参数就一同被设定了。例如采用一矩形样品4（图7a中右边的视图）也可以形成一类似的固体涂层14，该样品4在垂直方向P上移动并且也包括了具有材料A的一部分6a以及具有材料B的一部分6b，该部分6a以及该部分6b是呈矩形的，每一个部分对应于该整个样品表面16的一半，并且该两个部分彼此相邻的垂直设置。

图7b示出了一个示例性的多层的固体涂层14（见中间）截面图。一圆的、盘状的样品4（左边的视图）的该表面16被等分成四个区域，分别以部分6a、6b以及6c来表示，在该样品4围绕一轴在箭头方向R上旋转的同时，该发射光束8的该光路在水平方向改变，由此首先移除该表面上包括材料A的部分6a以及包括材料B的部分6b，其中，该轴垂直于该样品4的该表面16并且穿过该样品4的该表面16的该中心点Z。这意味着，材料A和材料B被同时转化为气体状态10，并且以A_mB_n的组成沉积于该待涂覆物体12上作为一第一涂层7b，整个化学式A_mB_n的下标指数m和n分别代表了材料A以及材料B在分子中的原子数。材料A和材料B的物质比率可以通过本发明中的方法来设定。在接下来的的旋转中，移除两个相互对置的部分6c并且材料C也因此转化为了气体状态10。该材料C的该气体状态10沉积于该待喷涂物体12上的该第一涂层7b上作为一第二涂层7c。在本方法的进一步过程中，所述的步骤不断的重复，这样一个多层的结构就被制作出来了，这个多层的结构是由可变化的组成A_mB_n以及组成C交替层叠形成的。采用例如一矩形样品4（右边的视图）能够得到一类似的涂层序列，该矩形样品4在该发射光线8水平改变的时候在该垂直的箭头方向P上移动，并且该些部分6a、6b以及6c如图7b所示。该涂层的厚度可以由本发明的方法来设定。

图7c示出了以一复合多层系统作为一固体涂层14的一截面图（见中间）。若以以下方式分隔该圆盘状样品4的该表面16（左边的视图）：该表面16被等分成中心角为90°的四个部分6a和6b且部分6a和部分6b交替设置并且直接与部分6c紧邻，该部分6c为以该样品4的该表面16的该中心点Z为圆心的圆形，则在该发射光束8的该光路水平改变的同时旋转该样品4的情况下，该部分6b和部分6c首先被移除。这意味着，部分6b的材料B以及部分6c的材料C被转化为了气体状态10，并以B_oC_p的组成沉积于该待涂覆物体12上作为一第一涂层7e，在整个化学式B_oC_p中的下标指数o以及p分别代表了分子中材料B以及材料C的原子数，该原子数可以随着涂层的不同而不同。在进一步的旋转中，部分6a的材料A以及部分6c的材料C被移除并且转化为了气体状态10，并以A_rC_s的组成沉积于该待涂覆物体12上的该第一涂层7e上作为一第二涂层7f，整个化学式A_rC_s中的下标指数r以及s分别代表了分子中材料A以及材料C的原子数，该原子可以数随着涂层的不同而变化。在进一步的旋转中，重复上述步骤，直至获得一多层系统，该多层系统具有由组成A_rC_s和组成B_oC_p构成的多个涂层，其中，代表该固体涂层14的组成ArCs中的材料A和材料B的原子数与代表该固体涂层14的组成B_oC_p中的材料B和材料C的原子数可以是不同的。采用一矩形样品4（右边的视图）也能够得到该固体涂层14的一类似的涂层序列，该样品4沿着垂直的运动方向P运动，同时该发射光束8在水平方向上偏转。该矩形的样品4包括三种不同的材料部分6a、6b以及6c，其中，矩形的部分6a以及6b水平取向且彼此相邻地设置，并且均占据样品表面16的六分之一。该部分6c与部分6a和部分6b均直接相邻、垂直取向而且覆盖该矩形样品4的整个宽度B，并且占据了该样品表面16的三分之一。该样本表面16的最后三分之一由两个相同大小的矩形部分6a以及6b组成，矩形部分6a以及6b相对于彼此水平设置。在这种情况下，该部分6a以及6c首先被移除并且转化成气体状态10，并且沉积于该待涂覆物体12上作为一第一涂层7e。在进一步的运动过程中，该部分6b以及6c被移除了，并且沉积在该待涂覆物体12的该第一涂层7e上作为一第二涂层7f。例如，各个单独的涂层7的涂层厚度的设置和整个固体涂层14的涂层序列，可以通过设置该发射光束8的移动速度或者该样品4的移动速度，或者也可以通过该光束所照射的样品区域来设定。此外，可以通过该些部分6的该几何形状或者该发射光束8在该样品4的该表面上的移动路径X的长度和位置来设置所沉积的单层和/或多层固体涂层14中的物质比。

图8a示意性的示出了在样品材料转化为气体状态10的过程中，一样品4沿着图7c所示的一圆形样品的剖面线A—A的截面（左边的视图）或者一样品4沿着图7c所示的一矩形样品的剖面线B-B的截面（右边的视图），该气体状态10较佳地呈锥形散播，并沉积在该待涂覆物体12上作为固体涂层14。在这种情况下，该发射光束8的光路是在水平方向上变化的（未显示）。从图8a和图8b示例性地示出的截面图可以看出该样品4的尺寸决定了该固体涂层14的尺寸，该固体涂层14的尺寸以该固体涂层的长度或者直径来表示，这就是说，该样品4的该表面16越大，该待涂覆物体12的可沉积区域越大。因此该方法可以与该物体12的尺寸相适应。图8b示出了在样品材料转化为气体状态10的过程中，一样品4沿着如图8c中的一圆形样品4的剖面线C-C的截面（左边的视图）或者一样品4沿着如图8c中的一矩形样品4的剖面线D-D的截面（右边的视图），该气体状态10较佳地呈锥形散播，并且沉积在该待涂覆物体12上作为一固体涂层14，其中，该发射光束8的光路是水平变化的。得益于该较大的表面16也可以被分割为不同的材料部分6，使得在较大的物体12上形成材料组成和厚度的均匀分布成为可能。为了图示的简洁，在图8a以及8b中该待涂覆物体与该样品表面16相互正对设置。但是，该样品4以及该待涂覆物体12相对位置也可以任意调整角度进行设置。

此外，需要考虑的是，在移除过程中该样品4的移动速度以及该发射光束8的该光路的变化速度一方面可以是相等的，但也可以是不同的。因此，例如说，使该样品4的旋转速度远大于该光束8的该光路的变化速度是可行的。如果是这种情况的话，在该样品4的该表面16上的该移动路径X可以采用螺旋状的。由于该样品4以及该光束8的运动速度的不同，会使得该样品4的该表面16的该移动路径X受到影响。

在该申请文件中提及的所有特征对于本发明来说均是必要的技术特征，只要各个特征或者各个特征的组合对于现有技术而言是具有新颖性和创造性的。

附图标记清单：

2辐射源

4样品

6样品部分

6a包括材料A的样品部分

6b包括材料B的样品部分

6c包括材料C的样品部分

6d包括材料D的样品部分

7固体涂层的涂层

8光束

10气体状态

12待涂覆物体

14固体涂层

16样品的表面

18b样品的空间倾斜角度

23装置

24方向变换设备

26真空室

28第一外部驱动设备

30泵设备

32第二外部驱动设备

34掩膜

36外部入口

38掩膜的开口

40光学窗口

42样品承载台

43样品承载支架

44冲具

P样品的垂直运动方向

L光束的垂直运动方向

F冲具的运动方向

X光束在样品的表面的移动路径

Z样品的表面的中心点

R样品的旋转运动

B有角的样品的宽度

Claims (15)

1.一种通过至少一辐射源（2），特别是一激光辐射源，将一固体涂层（14）涂覆在一待涂覆物体（12）上的方法，该方法至少包括一移除步骤，该移除步骤通过该辐射源（2）发射的至少一光束（8）将处于固体状态的一样品（4）的多个部分（6）移除以将该样品（4）至少部分地转化为一气体状态（10），由此使得该气体状态（10）至少部分地沉积于该待涂覆物体（12）上以形成一固体涂层（14），其中该些部分（6）至少部分不同，其特征在于，在该移除步骤中，改变该发射光束（8）的一光路的取向，同时移动该样品（4）。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，改变该发射光束（8）的该光路的取向的运动独立于该样品（4）的运动，或者改变该发射光束（8）的该光路的取向的运动基于该样品（4）的运动。

3.如权利要求1和2所述的方法，其特征在于，该光束（8）的该光路的取向以这样的方式改变：该光束（8）在该样品（4）的一表面（16）上产生一线性运动，该样品（4）的表面（16）与该发射光束（8）的该光路相交。

4.如权利要求1-3中所述的方法，其特征在于，该光束（8）以一预设角度照射至该样品（4）的该表面（16）上，该样品（4）的表面（16）与该发射光束（8）的该光路相交，同时该样品（8）较佳地围绕一中心轴旋转。

5.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，光束以一预设定角度照射在该样品（4）的该表面（16）上，该样品的表面（16）与该发射光束（8）的该光路相交，同时该样品（4）的一位置在一方向改变，该方向较佳地为垂直于该光束（8）的光路方向的延伸方向。

6.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，该样本（4）的不同的该些部分（6）是由不同材料组成的。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该样品（4）的该些部分（6）的材料为均一成分，特别是纯净物、金属和/或诸如氧化物、氢化物或卤化物的非金属化合物。

8.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，该样品（4）的不同的该些部分（6）是多个涂层和/或并排设于该表面上的多个区域。

9.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，在该移除步骤中，该样品（4）的不同的该些部分（6）垂直于该样品（4）的该表面（16）运动，该样品（4）的不同的该些部分（6）较佳地单独地垂直于该样品（4）的该表面（16）运动。

10.一种通过至少一辐射源（2），特别是一激光辐射源，将固体涂层（14）涂覆于一待涂覆物体（12）上的装置，该装置包括一方向变换设备（24）、一真空室（26）以及一外部驱动设备（28）；该方向变化装置用于改变该发射光束（8）的该光路；该真空室（26）中设置有一样品（4），该样品（4）包括至少部分不同的多个部分（6）；该样品（4）的该表面（16）能够被该光束（8）移除；该外部驱动设备（28）用于使该样品（4）运动；其特征在于，该光束（8）的该光路的取向是可移动的，同时该样品（4）也是可移动的。

11.如权利要求11所述的装置，其特征在于，用于改变该发射光束（8）的该光路的该方向变换设备（24）包括至少一镜子和/或至少一扩束器和/或至少一聚焦设备，该镜子较佳地是一检流计反射镜，该扩束器较佳地是一棱镜，该聚焦设备较佳地是一透镜。

12.如权利要求10和11所述的装置，其特征在于，该样品（4）的不同的该些部分（6）是多个涂层和/或并排设置的多个区域。

13.如权利要求11-12所述的装置，其特征在于，该样品（4）的几何结构为一三维立体结构。

14.如权利要求11-13所述的装置，其特征在于，该待涂覆物体（12）通过一第二外部驱动设备（32）围绕一中心轴旋转，该待涂覆物体（12）较佳地设置于至少一个位置，由此该待涂覆物体（12）可以垂直于和/或平行于该真空室（26）的一壁运动。

15.如权利要求11-14中所述的装置，其特征在于，该样品（4）和该待涂覆物体（12）之间以一固定方式和/或以一可移动的方式设置至少一个掩膜（34）。

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