CN104975274A - 一种激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备，腔体的上端面开设双层原料混合喷管接口，双层原料混合喷管竖直穿过腔体的上端面，加热台设置在腔体内部，固定在双层原料混合喷管的下方，腔体的上端面还设置开口处并以透明的激光引入窗片密封，连续激光发射器固定在激光引入窗片的上方，连续激光发射器的激光发射方向对准加热台，腔体的侧面设置波导管，导波管外接微波发生器，腔体的左、右两侧分别套接一个环形电磁铁，腔体的下端开设排气口，真空泵通过排气口与腔体内部连通。本发明解决了常规化学气相沉积设备制备薄膜时存在的沉积速率相对偏低及沉积温度相对偏高的问题，进而实现低成本、高速率制备各种功能及结构薄膜。

Description

一种激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备

技术领域

本发明属于薄膜制备技术领域，尤其涉及一种激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备。

背景技术

化学气相沉积法是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术，其应用非常广泛，已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、沉淀各种单晶、多晶及无机薄膜材料。化学气相沉法制备薄膜是利用气态的先驱体反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成薄膜。其制备的薄膜材料具有纯度高，致密性好；可以规模化连续生产，工艺上易于控制，产品质量稳定等优点。

从工业化生产角度来看，虽然常规化学气相沉积已经实现了工业化制备薄膜材料，但是常规化学气相沉积法仍存在沉积速率相对偏低以及沉积温度相对偏高的问题，造成产品及设备生产成本相对偏高。因此，如何提高常规化学气相沉积的沉积速率及降低沉积温度成为了实现低成本化学气相沉积工业化应用的主要考虑因素。

发明内容

本发明提供一种激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备，以解决常规化学气相沉积设备制备薄膜时存在的沉积速率相对偏低及沉积温度相对偏高的问题，进而实现低成本、高速率制备各种功能及结构薄膜。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备，包括腔体、双层原料混合喷管、连续激光发射器、微波发生器、加热台，腔体的上端面开设双层原料混合喷管接口，双层原料混合喷管竖直穿过腔体的上端面，并与腔体密封连接，加热台设置在腔体内部，固定在双层原料混合喷管的下方，腔体的上端面还设置开口处并以透明的激光引入窗片密封，连续激光发射器固定在激光引入窗片的上方，连续激光发射器的激光发射方向对准加热台，激光引入窗片紧密地嵌入腔体上端面的开口中，使腔体保持密封，原料蒸气、反应剂分别通过双层原料混合喷管的内层管、外层管进入腔体内部。腔体的侧面设置波导管，导波管外接微波发生器，腔体的左、右两侧分别套接一个环形电磁铁，腔体的下端开设排气口，真空泵通过排气口与腔体内部连通。

按上述技术方案，连续激光发射器的光斑直径为1-500mm。

按上述技术方案，加热台的表面温度为25-1200℃。

按上述技术方案，微波发生器的功率为100-5000W。微波发生器的微波输出端口与波导管连通，产生的微波经波导管传送至腔体。

按上述技术方案，双层原料混合喷管的下端对准加热台的中部。

按上述技术方案，2个环形电磁铁对称固定于腔体外，产生0.1-10T的磁场，作用于等离子体使其做圆周运动。

按上述技术方案，在双层原料混合喷管的表面固定加热器，双层原料混合喷管的外层管的表面温度为20-500℃。

本发明的工作原理是：通过激光与微波共同作用达到降低沉积温度作用。激光由激光引入窗片照射到加热台表面，激光只是局部加热照射区，使得化学气相沉积腔体内壁的温度比加热台温度较低，因而降低了沉积温度；微波经波导管传送至等离子区域时，由于微波能与原料蒸气和反应剂发生一定的相互作用，加剧分子之间的震动，分子间互相产生摩擦，引起原料和反应剂温度的升高，因而降低了沉积温度。通过引入激光、微波以及磁场三者共同作用，加快薄膜制作过程中的沉积速率。激光能大幅度降低原料分子间的反应活化能，从而使得反应更快进行，沉积速率加快。微波会增加腔体内原料与反应剂分子的能量，引起原料与反应剂分子振荡，加剧了原料蒸气与反应剂之间的反应，使得薄膜沉积速率变快。激光束汇聚于加热台表面，在极短时间内让原料蒸气与反应剂发生多光子吸收效应而电离，电离出的电子在磁场的作用下加速，与其他原子发生碰撞使分子进一步电离，形成等离子体；同时微波会增加腔体内等离子体的能量，引起等离子体振荡，等离子体碰撞反应气体，使反应气体分解产生等离子体，磁场使得等离子体在磁场的作用下形成椭圆等离子球，显著提高了加热台上方等离子体的密度，从而使得薄膜沉积速率大幅度提高。同时减少了产品及设备成本，为低成本工业化制膜提供保障。

本发明产生的有益效果是：解决常规化学气相沉积设备制备薄膜时存在的沉积速率相对偏低及沉积温度相对偏高的问题，进而实现低成本、高速率制备各种功能及结构薄膜。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备的结构示意图；

其中：1. 连续激光发射器；2.激光引入窗片；3. 反应剂；4. 原料蒸气；5.加热台；6.微波发生器；7.波导管；8.环形电磁铁；9.真空泵；10.双层原料混合喷管。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备，如图1所示，包括腔体、双层原料混合喷管、连续激光发射器、微波发生器、加热台，腔体的上端面开设双层原料混合喷管接口，双层原料混合喷管竖直穿过腔体的上端面，并与腔体密封连接，加热台设置在腔体内部，固定在双层原料混合喷管的下方，腔体的上端面还设置开口处并以透明的激光引入窗片密封，连续激光发射器固定在激光引入窗片的上方，连续激光发射器的激光发射方向对准加热台，激光引入窗片紧密地嵌入腔体上端面的开口中，使腔体保持密封，原料蒸气、反应剂分别通过双层原料混合喷管的内层管、外层管进入腔体内部。腔体的侧面设置波导管，导波管外接微波发生器，腔体的左、右两侧分别套接一个环形电磁铁，腔体的下端开设排气口，真空泵通过排气口与腔体内部连通。

进一步地，连续激光发射器的光斑直径为1-500 mm。

进一步地，本发明实施例中，加热台的表面温度为25-1200℃。

本发明实施例中，微波发生器的功率为100-5000W。微波发生器的微波输出端口与波导管连通，产生的微波经波导管传送至腔体。

进一步地，双层原料混合喷管的下端对准加热台的中部。

本发明实施例中，进一步地，2个环形电磁铁对称固定于腔体外，产生0.1-10T的磁场。作用于等离子体使其做圆周运动。

其中，在双层原料混合喷管的表面固定加热器，双层原料混合喷管的外层管的表面温度为20-500℃。

本发明实施例中，激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备的工作流程及原料如下，如图1所示，开启真空泵9，真空泵9一直抽取腔体内的气体，维持腔体内腔体压强在600-800Pa之间，为实验的顺利开展提供必要条件。

从未插入腔体内的双层原料混合喷管10内层管的一端，以一定速率连续、均匀的通入原料蒸气，同时也以一定速率连续、均匀的从外层管通入反应剂。反应剂与原料蒸气共同被喷入到加热台5的表面，在加热台5表面反应，在加热台上方形成等离子体区域。

开启连续激光发射器1开关，连续激光发生器1开始工作产生连续波长的激光束，调节连续激光发射器1输出功率，使激光以一定强度通过激光引入窗片2照射到加热台5的表面，激光引入窗片2能放大激光的照射范围，最后照射到加热台5时的光斑是一个圆圈。当反应剂与原料蒸气喷入时，激光束照射到反应剂3与原料蒸气4，降低反应剂与原料蒸气分子间的反应活化能，促进反应剂与原料蒸气反应，同时促使反应剂与原料蒸气分子发生光电子吸收而电离成等离子体，随后照射到加热台5表面，与加热台5交互作用，使得加热台5表面温度升高至900℃以上。

开启微波发生器6开关，调节微波发生器6，使微波沿着波导管7以一定的频率传送至整个腔体。当反应剂与原料蒸气被喷出时，微波作用反应剂与原料蒸气，使得反应剂与原料蒸气吸收微波的能量产生震荡，加剧反应剂与原料蒸气的反应；同时微波促使等离子体震荡碰撞反应剂与原料蒸气分子，进而促使反应剂与原料蒸气解离产生等离子体。

将环形电磁铁8连接电源，环形电磁铁8通电后，持续产生磁场，两个环形电磁铁8对称放置于腔体外，产生均匀磁场作用于等离子体，如图1所示，腔体内箭头所指方向为磁场作用方向。促使由连续激光发射器1及微波发生器6作用产生的等离子体在磁场的作用下聚集在加热台5上方形成椭圆等离子球。

本发明的较佳实施例中，如图1所示，开启真空泵9，从双层原料混合喷管10内层管的一端，以一定速率连续、均匀的通入原料蒸气4，同时也以一定速率连续、均匀的从外层管通入反应剂3，反应剂与原料蒸气共同被喷射到加热台5的表面上方。与此同时，打开连续激光发射器1、微波发生器6和环形电磁铁8开关。连续激光发生器1产生连续波长的激光束，通过激光引入窗片2被放大照射反应剂与原料蒸气，促使反应剂与原料蒸气发生多光子吸收效应而电离成等离子体，最后照射到加热台5时的光斑是一个圆圈。此时微波发生器6发出一定频率的微波，微波从波导管7传送至整个腔体，作用于反应剂与原料蒸气，使得反应剂与原料蒸气振荡，解离出等离子体。同时环形电磁铁8通电后，产生持续磁场作用于腔体内等离子体，使得等离子体在加热台5上方聚集成椭圆等离子球。

本发明的一种激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备，将激光、微波和磁场共同作用于化学气相沉积中，可以达到降低反应温度，加快沉积速率，减少成本，从而实现工业化制造高质量的薄膜。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备，其特征在于，包括腔体、双层原料混合喷管、连续激光发射器、微波发生器、加热台，腔体的上端面开设双层原料混合喷管接口，双层原料混合喷管竖直穿过腔体的上端面，并与腔体密封连接，加热台设置在腔体内部，固定在双层原料混合喷管的下方，腔体的上端面还设置开口处并以透明的激光引入窗片密封，连续激光发射器固定在激光引入窗片的上方，连续激光发射器的激光发射方向对准加热台，腔体的侧面设置波导管，导波管外接微波发生器，腔体的左、右两侧分别套接一个环形电磁铁，腔体的下端开设排气口，真空泵通过排气口与腔体内部连通。

2.根据权利要求1所述的激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备，其特征在于，连续激光发射器的光斑直径为1-500 mm。

3.根据权利要求1或2所述的激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备，其特征在于，加热台的表面温度为25-1200℃。

4.根据权利要求1或2所述的激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备，其特征在于，微波发生器的功率为100-5000W。

5.根据权利要求1或2所述的激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备，其特征在于，双层原料混合喷管的下端对准加热台的中部。

6.根据权利要求1或2所述的激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备，其特征在于，2个环形电磁铁对称固定于腔体外，产生0.1-10T的磁场。

7.根据权利要求1或2所述的激光微波磁场共同增强的化学气相沉积设备，其特征在于，在双层原料混合喷管的表面固定加热器，双层原料混合喷管的外层管的表面温度为20-500℃。