CN107148494A - 具有旋转镜和圆环目标的灯塔扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适于应用激光烧蚀进行涂覆工艺的扫描装置和方法。该装置适合于长期使用的工业工艺。该装置包括环形形式的目标(15)。激光束方向(12)由沿着环形目标(15)的中心轴设置的旋转镜(13)控制。在镜(13)旋转时，扫描线沿着内部目标表面环形旋转。激光束(12)的焦点可设置为位于内部目标表面上以保证不变的光斑尺寸。可采用环形的、圆柱状或截头圆锥状目标(15)。目标的内表面因此可为锥形的，以便控制烧蚀材料(16)的释放方向，从而朝着要涂覆的基板(17)。

Description

具有旋转镜和圆环目标的灯塔扫描仪

技术领域

本发明涉及激光烧蚀工艺，例如用于以良好的表面质量涂覆各种材料。更具体而言，本发明涉及从目标去除材料以便产生粒子和/或等离子体的新方法。

背景技术

激光烧蚀是用于产生精细粒子和等离子体流的过程，其中具有非常短的时间长度但产生相对高频率的激光束朝着材料的目标件定向。在释放目标材料的小片段和粒子后，释放的材料进而朝着所希望涂覆的材料定向，以便在所希望的物理元件的顶部或表面上产生涂层。涂层可根据需要实现精准的质量要求。该工艺可通过改变激光脉冲的特性(能量、脉冲长度、脉冲频率)、目标材料选择或材料结构或者通过采用可能的几个分开的目标而对不同类型的应用进行变化。此外，该工艺可通过变化目标、光源和涂覆表面之间的距离而变化。再进一步的可能性是通过采用例如对激光脉冲操纵的旋转反射表面(如移动镜)来控制和重新定向激光脉冲。温度、压强和在工艺腔中采用附加有效气体对涂层的产生给出附加控制的可能性。

在现有技术中，参考文献US 5760366(Haruta1)公开了用于薄膜形成的激光烧蚀装置的大量不同配置。Haruta 1应用腔体，并且激光束通过透镜和镜装置定向到腔体内的目标，其中光束行进通过腔体中的孔。Haruta1还在目标附近施加磁场以将释放股流(released plume)朝着基板定向。图39示出了控制激光的两个反射镜的示例，其中透镜设置在第一反射镜之前。再者，几个分开的目标可用在相同的烧蚀腔体中。

另一参考文献US 6033741(Haruta2)公开了与Haruta1相当类似的装置，除了激光束横截面可成型为朝着目标表面的辐射具有均匀的光强度分布。在Haruta1和Haruta2二者中，在图37-38中，示出了目标扫描装置，其中激光脉冲通过聚集透镜提供。有一种反射镜，其相对于入射光束的相对角度可改变，结果，脉冲可指向柱状原材料目标的内圆。应注意的是，激光脉冲与目标的有效角度是锐角，即明显地小于90度。基板可设置在圆柱目标的开启方向，基板可被加热。根据图38，目标具有不同的切锥形式。结果是目标材料的倾斜片段。再者，激光束定向为与目标接触，从而用于激光脉冲的最终方向控制元件(反射镜“8”)设置在烧蚀腔体之外。光束与目标的入射角也明显小于90度。

参考文献Rode的US 6312768又公开了用于产生非晶和晶体膜结构的超速脉冲激光沉积。Rode具有激光源，其激光脉冲经由几个反射镜定向且在脉冲到达腔体中的目标表面前通过透镜。Rode的腔体具有包括活性或非活性缓冲气体的能力。Rode采用在脉冲长度上的皮秒激光脉冲范围，并且脉冲重复率典型地从约10kHz变化到几百MHz。Rode的目的是变化来自目标的释放成分的速度，从而到达基板的成分将形成基本上连续的原子粒子流，由于到达目标的激光脉冲而与材料释放的脉冲类型无关。与目标接触的激光脉冲可通过将激光束引导在固定目标上或通过将目标移动穿过入射激光束的固定方向而定向。

关于条码扫描装置中的激光束方向控制，美国4699447(Howard)公开了一种结合一系列反射面的“篮形”结构。尽管与激光烧蚀工艺相比使用领域不同，但是应注意的是，存在倾斜设置的第一反射镜以及用作激光束的第二反射面的篮子内壁。实际上，第二反射面由六个相互固定的倾斜面部分形成(见图1)。第一反射镜可相对于篮状表面或其它方式关于电动机器件旋转，从而所希望的激光束流图案从装置向外产生以读取条码。

第二种条码扫描仪示出在美国4870274(Hebert)中。该装置主要具有类似于Howard的装置结构类型。在Hebert中，旋转部件设在扫描仪的透明中间元件中，其包括倾斜的镜面。由于来自固定阵列的周边镜面的第二反射，光束可从扫描仪向外定向。装置还收集来自“光点(lit)”表面的反向散射，在光点表面中设置条码，并且在装置的检测部分中，光束流通常在相反方向上传播过上述元件，直至反射的反向散射经由成像透镜到达检测和成像元件为止。

美国专利8828506(Ruuttu等人)公开了一种涡轮扫描仪，其具有多个反射镜，多个反射镜绕相对于镜面法线垂直设置的轴线旋转。涡轮扫描仪的横截面因此形成多边形，在该示例中例如具有所示的八个镜面，但是还可具有更多，例如几十个或几百个镜面是可能的。当前的涡轮扫描仪容许高水平的激光辐射。镜面的数量、各面之间的相应角度以及涡轮扫描仪的旋转速度设定为使达到目标的后续反射激光脉冲光斑部分地重叠在目标上。Ruuttu装置的缺点是复杂和昂贵的光学系统以及80％的工作循环，这意味着80％的可用激光能量或功率的利用率。

从上述现有技术清楚可见，在激光烧蚀方法中当前的解决方案不能提供简单且有效的目标处理方法，其中所产生的等离子体股流以及因此形成的释放材料流是连续的、均质的且稳定的。再者，当前方法中的工作循环不是最佳的，因为扫描线没有以完全平滑和均匀的方式雕刻目标材料。

发明内容

本发明涉及经由激光烧蚀对材料的激光处理，更具体而言涉及脉冲激光沉积(PLD)工艺，其中激光束(优选短激光脉冲)与作为材料源的目标材料相互影响，导致释放该材料，并且在适当的条件下，释放的材料收集且固定到对象或部件(还称为基板)的表面。工业涂覆工艺的要求包括但不限于高产量、可靠性、在大表面面积上产生均匀涂层的能力、坚固性、对更高产率的扩展性和对生产更大表面面积的扩展性。用于脉冲激光沉积工艺的方法和装置包括环形目标、旋转镜和保持且操纵基板的器件，解决上述要求以及采用以高重复率(>100kHz)施加的超短激光脉冲(脉冲长度小于100ps)的超快速脉冲激光沉积工艺的要求。

本发明的目的是提供用于脉冲激光沉积工艺的装置，以通过目标装置的简单扩展能在大规模工业涂覆工艺中利用脉冲激光沉积。这意味着采用其它形状的目标材料与适合于连续扫描目标的装置相结合，而在烧蚀工艺中没有任何的不连续性。

激光束与目标的相互作用是激光性能和目标材料性能的汇集。激光性能包括波长、脉冲长度、脉冲能量和强度、激光光斑尺寸、时空强度分布、光束的偏振和在材料上的入射角。另一方面，目标材料性能包括表面形状、质量(密度、粒子大小、均匀性)、比热、热传导、蒸发热、温度、晶体结构和方位以及材料的热力学状态。

此外，必须注意，该工艺具有动态性和相互作用条件，并且材料性能在单一超短激光脉冲期间不必为恒定的。等离子体的形成是在皮秒时间上发生的，这意味着其脉冲比高重复率处理更长，并且激光脉冲的爆发(以很短的时间间隔)也可涉及激光脉冲与烧蚀工艺中形成的等离子体的相互作用。作为另一个问题，等离子体膨胀是激光/物质和激光/等离子体相互作用的自然结果，并且此外，环境中压强的作用意味着与气体分子相互作用。等离子体具有空间分布，并且它的特性可为所发射物质的离子化程度、尺寸、速度和能量。

激光脉冲可用作同样时间分隔激光脉冲的连续列车或者包含两个或多个脉冲的激光脉冲段，在总重复率上相比其以较高的重复率施加。此外，连续列车激光脉冲或激光脉冲的爆发可控制为跳过一定的脉冲或爆发，以便烧蚀目标的一定区域或片段。这提供在基板上沉积材料分布上的控制。

在某些情况下，优选在连续激光脉冲之间获得适当的空间分隔，以使激光脉冲与固体材料相互影响，而没有激光能量由激光烧蚀工艺中产生的等离子体吸收。在高脉冲重复率的情况下，这意味着激光脉冲的扫描需要以高速度执行。另一方面，生产率和材料去除率是重复率的功能。使扫描速度提高因此能使生产率更高(即，提高了最大沉积率的限制)。考虑到这些情况，根据脉冲激光沉积实现工业涂覆工艺要求可靠且稳定的方法来产生脉冲激光束的高扫描速度。

如参考Rode所述，纳秒脉冲激光沉积中的宏观粒子、液滴和粒子可通过采用激光脉冲的微微和毫微微秒长度和非常低的激光脉冲能量而避免，低激光脉冲能量在ns-范围PLD，结合高脉冲重复率(典型地从kHz:s至MHz:s，而不是几十Hz)。

例如，对于采用外延生长，在导致构成薄膜的生长的基板表面上的连续原子流的生产中，激光脉冲的高重复率可通过选择适当的重复率和目标到基板的距离而实现。

在蒸发工艺期间，在目标的表面上扫描激光脉冲，以便在透明蒸汽的管理中保持激光-目标相互作用。这可通过引导激光束或者通过移动目标来实现。再者，通过阻值激光脉冲撞击在目标表面上的相同光斑上，可在目标表面上避免不利的陨石坑形成。

激光束可通过称为涡轮扫描仪的装置定向。涡轮扫描仪由一起形成过变形的镜表面形成。表面数量可为三个至几十个甚或几百个表面。涡轮扫描仪的旋转轴可与镜表面的表面法线矢量设置成90度。镜也可设置为相对于旋转轴在倾斜位置。多边形形状的镜结构可以以很大的角速度旋转，并且涡轮扫描仪的尺寸可根据应用自由选择。基本原理是控制涡轮扫描仪与脉冲激光源的相互速度，从而反射的激光脉冲在目标表面上形成扫描线或所希望的扫描线图案。涡轮扫描仪也能使扫描宽度大于现有技术解决方案中的可能宽度，并且因此用一个相同的激光设备实现较大表面面积的涂层是可能的。因此，良好的工作速度采用涡轮扫描仪实现，并且所产生的表面也可均匀地实现。

作为本发明的关键特征，目标形成环形，即圆形形状。在本发明的优选实施例中，影响激光束的最终反射元件(镜)设置在环形目标的中心点。传播通过目标的扫描线也因此是大致的圆形。通过增大环形目标的直径，将具有下面的有益效果。对于相同的镜旋转速度，在目标表面上的较高扫描速度是可能的。曲率半径越大，激光光斑和烧蚀材料射流的曲率相关效应越小。进一步的优点是，随着距扫描光学系统距离的增加意味着光学系统上有害材料产生的密度的减小。烧蚀工艺的较大表面面积也意味着相同材料去除率下的总磨损的降低。最终，作为较大的环形目标曲率半径的结果，材料也可沉积在较大的面积上。

具有环形目标的脉冲激光沉积装置可实现为例如安装在单一真空系统法兰上的独立单元，其中这样的具体形成的目标可配合到现有的涂覆装置上作为沉积在所选种类基板上的材料源。这种类型的装置也允许快速更换这些材料源单元以及为了提高材料产出在一个涂覆系统腔体中设置的多个材料源单元。为了保证连续的工艺，环形目标可串联或并联设置。环形目标的串联连接意味着当第一环形目标完全磨损时，具有略大直径的第二环形目标与到达的激光脉冲接触，并且只要需要该工艺可继续。环形目标的并联连接意味着有几个具有相同曲率半径的环形目标，并且目标可一个设置在另一个的顶部上，一起形成圆柱形目标区域上。在几个目标的这种类型的装置中，当第一目标磨损且第二目标进行烧蚀时，扫描镜或目标需要垂直移动。当烧蚀工艺下的目标从第一目标转换到第二目标时，第二光学系统将激光束定向在稍微倾斜的角度上。

与此前应用于脉冲激光沉积方法中的传统扫描技术相比环形扫描装置具有下面的优点。该工艺是连续的，其中没有与包括转换镜的振镜扫描中典型涉及的加速和减速周期相关的转换点。此外，在全部工艺过程中获得不变的扫描速度。此外，由于多边形扫描仪的镜边缘而没有激光能量损耗。这意味着与没有100％效率的多边形扫描仪相比具有适当激光功率的完全、100％的利用。作为再一个优点，聚焦简单光学系统替代更加复杂的扫描透镜和f-θ远心透镜，不存在有关扫描透镜、扫描场平整度、远心误差或翘曲(存在于多边形扫描仪中)的折中。作为简单光学系统的结果，成本降低。最后，因为扫描透镜可吸收制造限制，所以不存在有关光学系统的伸缩限制。然而，随着目标直径的增加，目标制造将更加困难。

附图说明

图1示出了总体上应用脉冲激光沉积(PLD)的涂覆工艺，

图2示出了涡轮扫描仪的示例，该涡轮扫描仪可用于产生所希望种类的激光脉冲或激光脉冲前沿，

图3示出了根据本发明的环形目标的实施例，该目标可用在脉冲激光沉积工艺中，

图4示出了根据本发明实施例的扫描装置的横截面、直接侧视图，以及

图5示出了旋转镜周围保护外壳的示例。

具体实施方式

本发明介绍了包括扫描装置的激光烧蚀和沉积装置和方法以及包括旋转镜和圆形成型目标的薄膜形成设备的方法，从而导致灯塔式扫描装置。圆形目标可为环形或圆柱状的目标，即其在扫描光束(输出光束)的平面上的横截面基本上为圆形。装置因此用物理部件形成，其中激光源是能源，元件控制激光能且与其相互作用，并且作为激光束接触的结果从目标释放的材料最终在基板上形成涂层。至少激光束与目标接触且进入基板中的材料流优选设置在真空腔体内，提供用于激光烧蚀的可控环境。装置和对应的方法允许用源自目标的一个或多个涂覆材料涂覆基板(元件、部件、小的或大的表面或其它薄膜)。

首先，我们参见图1大致讨论脉冲激光沉积，用于在所希望的表面上产生例如良好质量的涂层。在该图中，目标简化为单一的矩形元件，仅用于图示的目的，并且在实际的发明中，以更加详细的方式讨论目标。

用于实现本发明的方法的基本设置方案由激光源11、11’、引导激光束(激光脉冲)的光程12、12’、至少一个聚集透镜14组成，并且烧蚀将发生在真空腔体18中。在真空腔体18内有激光束操纵元件、环形目标15和基板17，激光束操纵元件例如为旋转扫描镜13，环形目标15(为了图示的目的图中简化为矩形的目标块)具有能保持和操纵(例如移动和/或旋转)目标15的机构，基板17与保持器件和机构一起能操纵(例如移动和/或旋转)基板17。烧蚀装置中的其它特征是用于激光脉冲控制(脉冲启动)的控制器件11c、11c’、用于改变激光脉冲特性(例如，偏振、强度分布、光束分成多个光束部分)的光学元件、使旋转扫描镜13免于材料累积的器件(静态掩模和隔膜、动态掩模和隔膜(例如，随着扫描镜旋转)、电场和/或磁场、加热元件、气流设置)、在目标和基板之间空间和时间上选择性操纵烧蚀材料流的静态和动态掩模。在一个实施例中，控制器件11c、11c’可控制激光源11、11’，也可控制光学元件，例如可移动或者聚焦透镜，并且另外控制器件(或控制器)11c、11c’可控制旋转镜13的旋转，用于将激光脉冲朝着环形目标15上的目标接触点15c定向。顺序而言，根据本发明的实施例，装置包括控制器件，以希望的方式控制激光源11、11’、光学器件(透镜和可能的涡轮扫描仪)和镜13的旋转。后者包括用旋转镜13选择方向和角速度以及可能的扫描线图案。

在说明书和权利要求中，至少一个聚集透镜14和可能的涡轮扫描仪21、22(见图2的描述)以及上述的光学元件一起作为权利要求中规定的光学器件。光学器件包括一个或多个这样的用于激光束的操纵元件。聚集透镜14或几个透镜可设置为使透镜或多个透镜在激光束12、12’的方向上，即沿着传播的激光束可移动。在一个实施例中，聚集透镜14与目标15的线性运动同步沿着激光束12、12’移动。

旋转镜13可为简单的矩形二维平面件，提供有面对入射激光脉冲的反射面，并且其中矩形的镜件关于倾斜设置的旋转轴可旋转。另外，旋转镜13可为横截面为具有镜外表面的三角形的元件，其中该元件例如可具有颠倒过来的棱锥形状。在优选实施例中，旋转镜13的旋转轴与输入激光束的方向基本上平行。

聚集透镜14或透镜可沿着激光脉冲光程12、12’设置在任何位置。因此，透镜14也可设置在激光源11(或11’)和镜装置13之间。图2中更加具体地讨论涡轮扫描仪的选择。

在实施例中，光学器件(或如上所述的光学元件)14、21、22还包括配置为操纵输入激光束12的空间强度分布的器件。

激光源11可为脉冲的或连续波的激光，并且可操作激光性能和适合于工艺的参数。在本发明的优选实施例中，激光源11产生激光脉冲。在进一步的实施例中，激光源11能产生包括两个或更多激光脉冲的脉冲段。

在一个实施例中，激光源11及其控制器11c设置在真空腔体18之外。激光脉冲通过设置在真空腔体18的壁中的窗口18W提供在真空腔体18内。在本发明的另一个可能的实施例中，激光源11’和控制器11c’也设置在烧蚀腔体18内。在此选项中，产生激光脉冲的激光源11’、脉冲的操纵元件、材料16在目标15的目标接触点15c的烧蚀以及要涂有释放材料的基板17全部设置在真空腔体18内，并且因此方法步骤在真空腔体18内执行。目标接触点15c将以所希望的图案在目标15的内表面上移动，以便避免在材料释放过程中在目标表面上形成深洞。

设置方案包括至少控制压强和温度以及真空腔体18内存在的可能附加材料(流入和/或流出)的能力。换言之，腔体18提供有在激光烧蚀和沉积期间在控制的压强下的背景气体的控制流。背景气体可为惰性的或活性的。附加材料可为气体形式，但是在某些有用的实施例中为了烧蚀工艺液体淹没也是可能的。

图2示出了涡轮扫描仪的示例，涡轮扫描仪可用作激光源11、11’和旋转镜13(后者在图2中没有示出)之间的光学工具(光学器件的部分)。涡轮扫描仪将输入的激光脉冲操纵成在单一平面上传播的激光脉冲前沿。涡轮扫描仪的结构包括旋转的镜表面21，其可形成为多边形且可关于其轴旋转。镜表面之间的角度可选择为使最终反射的激光脉冲形成扇装的激光束组。反射脉冲定向到远心透镜22，其进而将输入的反射脉冲操纵成基本上平行的激光束组23。操纵的激光脉冲前沿23仍可定向在进一步的透镜或几个透镜(图2中没有示出)中，例如图1中所示的透镜14，或者在镜13前面的某些其它透镜。最后，操纵的激光脉冲前沿与旋转镜13接触。涡轮扫描仪21、22的操作可由相同的控制器11c、11c’控制，它们已经在上面进行了讨论。

图3更加详细地示出了根据本发明优选实施例的目标15。目标成型为环形形式，并且优选地它形成如图3所示从上面看完整的圆形。实际上，目标15可形成圆形、是指圆柱壁结构的薄片。目标15的中心点沿着旋转镜13的旋转轴设置。因此，环形目标15的中心点可为与旋转镜13的反射点相同，但是中心点也可直接设置在镜13之上或之下，如果环形目标平面水平设置，如图3所示。因此，镜13中激光束的反射角α可基本上等于90度，但是在其它实施例中，反射角α可从满足0<α<180°的角度值自由选择。当旋转镜13(是指其对激光束的有效反射点)设置在圆环状目标的中点时，从反射点到目标表面的距离将总是保持不变(在不考虑目标的磨损时)。当烧蚀工艺开始时，反射元件13在其第一实施例中控制为使该反射元件以不变的角速度旋转。结果，激光束12’将以光滑且均匀的方式影响环形目标的内表面。换言之，旋转镜的功能类似于灯塔，并且结果是在环形目标的内表面上的基本上圆形的扫描图案。

图4示出了图3已经示出的相同设置的其它种类的观点。图4是用设置在装置的中间的垂直平面“剖取”的横截面直接侧视图。输入激光束12到达真空腔体18下面的装置。光束12将传播在中空管51或管子中，其中它通过窗口18w，因此进入腔体18中。旋转镜13倾斜地设置在光束12的传播路径上，并且镜13的旋转轴在该图中垂直定向。光束反射到水平方向作为光束12’。在镜13关于一个圆旋转时，各反射光束12’一起形成水平扫描平面。反射光束12’和环形目标15的锥形内表面的接触点是光斑15c。烧蚀的结果是材料股流16，作为目标上倾斜到达角的结果其在向上倾斜的方向上定向。在该方向上还设置基板17，其准备好接收释放的粒子。当材料股流16与基板17接触时，其粘合到基板17上且在其上形成涂层。结果是例如在基板片或部件上由目标材料形成的薄膜，其中涂层可以以工业专业方式和速度生产。

图5示出了用于保护旋转扫描镜13的保护外壳的示例。图5的上部示出了作为横截面图从上面看的设置，并且下部示出了侧视图，且也作为横截面图。这样的设置用于防止目标材料累积在镜13上。输入激光束12可传播通过中空管51朝向镜13，其中输入激光束12的方向平行于中空管51的轴。反射光束12’从镜13朝着目标通过保护外壳结构52中的间隙传播。在该示例中，五个保护壁件52设置在保护外壳中。当然，可有某些其它数量的保护壁，取决于镜13的保护中所需的规定效果。接触点与目标自然设置在最远的保护壁件之外。保护壁52优选形成圆形形状，同心地设置在环形目标内。壁件52可以以相对的方式固定到外壳基座，如图所示，其中第一、之间和最后件固定的顶部基座板53，并且第二和第四件固定的底部基座板54。固定到顶部基座板53的件具有可传播通过反射激光束12’的孔。当镜13和中空管51根据本发明的原理旋转时，顶部基座板53也与第一、第三和第五壁件一起旋转。底部基座板54与第二和第四壁件一起相对于上外壳部分保持静止。此外，可提供气体到保护壁之间的间隙，并且相应地例如从保护壁之间的其它间隙泵出气体。这样的示范性旋转屏蔽结构有效地收集直接定向或几乎直接朝着旋转镜13返回的释放材料。

在目标15上扫描的效果可在与镜13的旋转方向相反的方向上关于其中心轴旋转环形目标15而增强。这由图3中的箭头示出，并且这样的目标旋转将提高在目标15上的有效扫描光斑速度。在一个实施例中，环形目标15的旋转速度从0.01…100 000rpm之间的值选择。

在实施例中，旋转镜13具有多个面。在进一步的实施例中，旋转多面镜13中连接旋转的衍射光学元件，旋转的衍射光学元件具有沿着输入激光束12的旋转轴，从单一输入激光束12产生激光束的旋转批束(细光束)。

在旋转镜13的再一个实施例中，镜13形成棱锥形状。当这样的棱锥式镜倒置设置且例如以输入激光束12的圆形批束定向时，在棱锥关于垂直轴旋转时反射束12’将形成水平束平面。通过选择批束中的激光束量、产生批束的可能旋转以及棱锥的旋转速度，所形成的扫描图案在环形目标15的内表面上更加复杂。如果批束的至少一个激光束与棱锥侧三角形的每一个接触，如果镜13是正方棱锥，则材料股流可同时产生在例如目标周围的4个不同的位置15c，与镜的旋转角无关。这样的实施例使得工艺甚至更快且适合于在较短的时间涂覆较大的片面积。

在产生激光脉冲或束的平行批束中，可使用前面讨论的衍射光学元件。另外的选项是包括在激光源11和旋转镜13之间的涡轮扫描仪。再一个选项是具有几个激光源或其它种类的光学器件，将单一的激光束分成一批光束或细光束。

关于基本上圆形的扫描图案，是指在镜装置已经至少旋转一会儿后在环形目标15周围由所有的接触光斑15c一起产生的形状。如果镜是以倾斜角旋转的简单2维镜平面，则反射束12’将形成连续的圆形。一旦我们使用棱锥型镜13以及激光脉冲包含平行(例如圆形或正方形)激光束的批束，其中批束的中心将指向棱锥的顶点，现在直接向下指向，则所形成的接触点15c将同时烧蚀目标15的内标面的四段中的材料，但是最后结果将是接触点15c的360度覆盖，其与内目标表面一起在水平扫描平面的横截面上形成圆形扫描图案。

当然，根据使用上的应用，整个装置的方向可倾斜到任何其它适当的角度。例如，当环形目标垂直设置且基板在垂直方向上设置时，图4的装置可顺时针旋转90度。在此情况下，材料股流将倾斜流动到右手侧，并且输入的激光束将由设置在装置左手侧的激光源产生(如果没有附加的镜装置用于光束的重新定向)。

当激光脉冲沿着圆形扫描图案与目标内表面15接触时，等离子体或其它材料16从目标脱离，并且去除的材料将形成材料云16或材料股流。羽状物可包括不同尺寸的等离子体、粒子或其它种类的目标材料件。当激光束12’例如如图3中的箭头指向沿着目标的内周接触时，所产生的等离子体云16沿着圆形目标的边界从不同的位置浮现。当等离子体释放到如图3所示的向上方向时，在优选实施例中，达到基板17的材料流将涂覆基板的非常大的面积，而简直不移动基板。如果基板17与所描述种类的目标15一起以所希望的方式移动时，结果是基板的高工业和规模涂覆方法，以比先前更高的速度涂覆表面和元件。

在一个实施例中，烧蚀释放的材料16可受电场或磁场或二者的影响。在另一个实施例中，沉积工艺可受来自离子源的离子轰击的影响。在涉及基板在沉积工艺中涂覆的一个实施例中，基板17可电偏压。

环形目标15的内表面可具有锥形形状，以便控制释放材料股流的方向。因此，目标的整个内表面可具有倾斜角。另一种可能是目标15的内边缘具有Z状粗糙形状，对目标15的内边缘产生非光滑表面。当烧蚀工艺已经发生一会儿时，值得注意的是目标磨损将影响接触表面的光滑度。然而，本发明能使目标上的磨损图案均匀，因为扫描以与灯塔工作类似的方式进行。

通常，关于烧蚀方法和光学元件的旋转，反射激光束12’在环形目标15的内表面上的光斑尺寸可基本上对旋转镜13的所有旋转角是相同的，其中反射激光束12’的焦点可基本上设置在环形目标15的内表面上，并且其中涂覆材料16从目标15沿着圆形扫描图案释放作为材料股流。结果，释放的材料股流16定向到基板17上以获得涂覆的基板。然而，这不总是所希望的情形，并且目标上的光斑尺寸和焦点也可能在扫描过程中变化。

更具体而言，聚集透镜14具有由环形目标15的直径和透镜14与目标表面15c之间的距离限定的焦长。此外，透镜14的焦长和位置由附加的光束操纵光学系统限定，例如光束形状，以改变激光光斑在目标15c上的强度分布以及目标表面15c上的所希望的强度分布和光斑尺寸。

也如上所述，聚集透镜14或几个应用透镜当中的一个透镜可很好地设置在与环形目标15相同的平面上，即在旋转镜13和目标接触点15c之间。在此情况下，透镜14、目标15和镜13基本上全部设置在相同的平面上且反射角α＝90°。

在本发明的优选实施例中，聚集透镜14可沿着激光束12、12’的方向移动以改变光束腰部相对于目标表面的位置。该特征允许在工艺期间随着材料16从目标去除目标15在烧蚀工艺中磨损在目标表面15c上精确地保持光斑尺寸。

在实施例中，光学器件14、21、22包括配置为改变输入激光束12的偏振的旋转光学元件，其中旋转光学元件与镜13的旋转同步。

一旦输入激光束12为静态的具有线性偏振且圆形扫描图案由旋转的倾斜镜13产生，则扫描激光束的偏振在全部旋转上连续改变。偏振影响激光在目标表面上的反射特性。没有光学矫正，这会导致在圆形扫描的不同旋转角上不同的烧蚀条件。在本发明的优选实施例中，输入激光束12的偏振控制为使撞击目标15c表面的激光束为P-偏振，其产生最小的反射，尤其在布儒斯特角。偏振控制可通过旋转半波板与扫描镜13的旋转同步且具有扫描镜13旋转速度的一半速度而实现。在本发明的其它实施例中，撞击激光束的目标的偏振也可为S-偏振、圆形偏振或椭圆形偏振。重要因素是在全部扫描周期上保持激光-目标的相互作用不变。

在本发明的实施例中，激光束12、12’引导通过产生扫描镜13的旋转运动的中空电动机主轴(与“Howard”中描述的类似)。换言之，旋转运动以中空管51连接到镜13，输入激光束12可通过中空管51引导到镜13。该结构能使真空腔体18内的部件紧凑设置，从而扫描平面其它侧面上的空间对基板17的运动没有限制。

通常，关于目标和基板的保持和操纵特征，要涂覆的基板可以以与环形目标选择的距离和角度保持。此外，基板优选设置在与入射激光束相比目标的相对侧。在进一步的实施例中，烧蚀和沉积方法包括在从环形目标的表面释放的材料股流中移动或旋转基板。

在一个实施例中，基板可为相对薄的形式、平面片状的表面，可弯曲且在不损坏片的情况下卷成卷。没有涂覆的基板片可保存在第一辊周围，它从那里释放到沉积区域，其中基板17与到达的释放涂覆材料16接触。当涂层在沉积期间粘附在基板的表面上时。涂覆的平面基板可后处理(例如，如果处理区域已经外部加热，则进行冷却)，并且最后，后处理的基板可收集且卷在第二辊周围用于所形成产品的保存。

在一个实施例中，关于材料股流16朝着要涂覆的基板17传输的量，物理掩模可设置在目标15和基板17之间。这可实现在基板上产生所希望的涂层图案。这甚至能在基板上形成复杂的图案和涂覆材料的精确调谐分布。在物理掩模的进一步实施例中，物理掩模配置为在工艺期间移动。在更进一步的实施例中，物理掩模配置为与镜13的旋转同步旋转。

在本发明装置的实施例中，倾斜一定角度旋转的镜表面与输入激光束12的方向相比以45°角设置，从而扫描平面垂直于输入激光束12的光轴。然而，在其它实施例中，可以以对输入光束方向小于45°角(锐角)或对输入光束方向大于45°角(钝角)设置镜平面。在再一个实施例中，旋转镜13的角度可在扫描期间相对于输入激光束12改变。

扫描镜13所需的旋转速度由下述内容限定：环形目标15的直径(目标上烧蚀表面的圆周，可为动态值)、沿着扫描方向的激光光斑尺寸、入射在目标上的激光束12、12’的脉冲重复率、相继激光脉冲之间所希望的重叠或分开以及沿着扫描的所希望能量分布。旋转速度可具有从每秒转数的分数到几千每分钟转数的宽度范围上的值(0.01rps–100000rpm)。激光脉冲12、12’的能量可与镜13的旋转同步控制。

在有关目标表面上传播的激光光斑的扫描速度的一个实施例中，环形目标15的直径和镜13的旋转速度选择为使扫描激光光斑在目标15上的速度为至少1m/s。在另一个实施例中，对应值选择为使上面的扫描速度为至少10m/s。在再一个实施例中，对应值选择为使上述扫描速度为至少100m/s。

除了在圆形路径上目标表面15上扫描激光束12’外，目标15和扫描光束之间的相对速度可通过旋转环形目标15到相对于扫描光束相反的方向而增加。

由于激光脉冲撞击目标材料15的表面，喷射的烧蚀材料16将实际上从入射点15c在所有方向上释放。尽管喷射16具有一定的方向性和角度分布，但是某些部分的材料将行进到激光束的方向，朝着扫描镜13(这部分在图1-3中没有示出)。为了避免或者至少最小化材料累积在镜13上的量和/或在整个过程中保持激光脉冲能量，在本发明的实施例中，镜13采用下面特征之一或其组合来保护：

·静态机械屏蔽，在目标和镜之间，允许激光束通过而不受阻拦，但是限制烧蚀材料在与激光束传播方向相比相反方向上的传播量；

·在扫描镜周围的外壳，与真空腔体中的其余空间相比具有较高的压强，对于从目标喷射的材料使自由通道较短(即在镜周围的压强控制)；

·在扫描镜周围的外壳具有气流，阻挡从目标喷射材料的自由运动；

·具有通道的外壳(即随着镜旋转的管子、屏蔽或孔)，用于激光束随着镜旋转，在镜暴露到入射的目标材料时使时间缩短。该特定的解决方案尤其通过在环形目标上产生扫描的方法实现，并且在传统的扫描方法中是不合理的应用。设置在旋转镜周围、具有用于激光的孔的同心旋转壁与静态同心壁分隔开足够短而不阻挡光束，一个是能实现具有不同压强和差分抽吸的隔间，以减少释放材料累积在镜表面上；

·牺牲层或几个层，在镜的前面，以在大量材料累积后更换(例如，在目标和镜之间的可更换或可移动窗口)；

·加热镜，减少撞击净表面的材料粘附；

·电和/或磁性器件，产生电场和/或磁场，以改变输入电荷粒子的通道；

·清洗镜，例如用激光束(即激光清洗)或用离子轰击。

采用这些选项的一个或几个将在全部过程中保持镜13的反射性。

在本发明的实施例中，环形目标以其中心点设置在扫描镜的旋转轴上，从而激光束的从透镜行进到目标表面的距离在所有扫描角上是相同的，从而保证了在全部扫描周期上不变的光斑尺寸。

环形目标的内表面是反射激光束撞击的表面，并且在激光烧蚀工艺中材料从那里释放。材料喷射主要定向为垂直于目标表面，但是它也会具有其它方向，取决于目标上的表面形状。因此，目标表面的平面影响烧蚀材料的传播方向。环形目标的表面可设计为在基板上产生的涂层中产生一定种类的材料分布或多孔性。在本发明的实施例中，环形目标的烧蚀表面是锥形的，从而在入射的平面中激光束与目标表面形成角(与图1类似，如果目标部分15看作环形目标的倾斜内表面的部分)。此外，该角决定为使烧蚀材料定向为离开扫描的平面。如果镜的反射角α为90度，扫描的平面是水平平面。一旦旋转角α为0<α<180°，则扫描的平面将为圆锥表面。

在目标表面上的相同圆形轨迹上具有单一扫描线的烧蚀工艺最终会导致形成在目标上的深沟槽。为了使工艺稳定，目标的磨损需要控制且为均匀的。这就是为什么除了激光束在目标上的圆形扫描外扫描线在目标上的位置在工艺期间移动。这使烧蚀轨迹是二维而不是一维轨迹，并且因此可实现目标的均匀磨损。扫描线在目标上的运动可通过如下实现：

·环形目标的线性运动；和/或

·改变扫描镜的角度；和/或

·改变另一个反射光学系统的角度；和/或

·提供折射光学系统以改变入射在目标表面上的激光束的角度。

在上面的第一选项，环形目标15沿着其中心轴可移动。

具有目标线性运动的设置通过保持激光束在目标表面上的入射角而提供稳定的条件，并且此外直线向前以实现高速的与镜或其它光学系统的摆动相反的独立运动。

在环形目标为锥形内表面的情况下，目标的运动或者扫描线在目标上的位置影响烧蚀轨迹的圆周长度。这进而影响目标表面上的扫描速度(空间光斑重叠和分离)、目标周围一个完整扫描周期的持续时间以及最佳强度分布相对于目标表面的位置。在本发明的进一步实施例中，这些影响需要如下的同步控制来补偿：

·对于相继脉冲之间的最佳分隔扫描仪的旋转速度；和/或

·对于目标上相继扫面周期之间的最佳重叠目标的运动速度；和/或

·为了在目标表面上保持最佳的和希望的强度分布聚集透镜或束操纵光学系统(强度分布成型光学系统)的运动。

对于连续烧蚀和涂覆工艺，需要不断供给源材料。在此情况下，环形目标可实现为圆柱(通过垂直扩大图3的环形目标)，在此情况下目标的线性运动的范围随着目标在锥形烧蚀表面上的磨损而改变。圆柱目标可以以控制的方式在垂直方向上缓慢移动，以便影响到达激光脉冲下新的目标表面。其它的选项是例如在反射镜和圆柱目标之间结合可控的折射光学系统，以便稍加重新定向激光束朝着新目标区域的角度。这样的设置提供了使足够量的源材料适合延长烧蚀和涂覆工艺的途径。这样的加长工艺包括用于非常大表面面积的工业涂覆工艺。

总结沿着扫描线具有环形横截面的目标的可能形状，环形形状目标15可具有环形形状、圆柱形状或截锥形形状。具有圆锥内表面的更广泛的环形段是环形形状目标的截锥形的示例。

关于目标15的可能的材料，环形目标15可由金属、金属化合物、玻璃、石头、陶瓷、合成聚合物、半合成聚合物、天然聚合物、复合材料、无机或有机单体或低聚材料制造。在进一步实施例中，环形目标15由至少两个不同材料的环形段组成。对于这样的目标结构，包括至少两个不同涂层的所希望涂层结构是可能的。

关于在根据本发明的沉积后可能的最终产品的某些示例，涂层基板可锂离子电池的部件、传感器或传感器装置的部件或切割工具部件。

当前的方法和装置也可用在纳米粒子的生产方法中。这样的方法可利用如上所述的烧蚀装置，但是另外腔体可为真空的或者包括选择的气压，在此情况下可浸没在液体中。

在本发明中，可结合本发明上述或独立权利要求的特征和/或特点以便实现应用至少两个上述特征或特点的本发明的新变化。

本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (41)

1.一种施加激光烧蚀的薄膜形成设备的扫描装置，其特征在于，该扫描装置包括：

-旋转镜(13)，将输入激光束(12)重新定向为该旋转镜(13)的旋转轴线周围的大致圆形扫描图案，该旋转轴线与该输入激光束(12)的方向基本上平行；

-环状形成的目标(15)，其中该目标(15)的中心点沿着该旋转镜(13)的旋转轴线定位，并且反射的激光束(12’)与环形目标(15)的表面接触(15c)，以便沿着该大致圆形扫描图案释放目标材料(16)；以及

-腔体(18)，具有至少控制该腔体内的压强、温度和可能存在的附加材料的能力，并且其中该旋转镜(13)、该环形目标(15)和基板(17)设置在该腔体(18)内。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

-激光源(11、11’)；以及

-光学器件(14、21、22)，操纵由该激光源(11、11’)产生的激光束(12、12’)。

3.一种薄膜形成设备，包括根据权利要求1或2所述的扫描装置，其特征在于，该设备还包括：

-基板(17)，涂覆有释放的目标材料(16)。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置包括以所希望的方式控制该激光源(11、11’)、该光学器件(14、21、22)和该镜(13)的旋转的控制器件(11c、11c’)。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)的内表面是锥形的。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，旋转运动通过中空管(51)联接到该镜(13)，该输入激光束(12)经由该中空管(51)被引导到该镜(13)。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该旋转镜(13)具有多个分面。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，旋转多分面镜(13)联接到从单个输入激光束(12)产生多个激光束的旋转衍射光学元件，旋转轴线大致平行于该输入激光束(12)的方向。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该光学器件(14、21、22)包括旋转光学元件，其配置为改变该输入激光束(12)的偏振，其中该旋转光学元件与该镜(13)的旋转同步。

10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该光学器件(14、21、22)还包括配置为操纵该输入激光束(12)的空间强度分布的器件。

11.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该激光源(11、11’)输出激光脉冲。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，撞击目标表面(15c)的激光脉冲为P-偏振、S-偏振或椭圆偏振。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)的直径和该镜(13)的旋转速度选择为使得该目标(15)上的扫描激光光斑的速度为至少1m/s。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)的直径和该镜(13)的旋转速度选择为使得该目标(15)上的扫描激光光斑的速度为至少10m/s。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)的直径和该镜(13)的旋转速度选择为使得该目标(15)上的扫描激光光斑的速度为至少100m/s。

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该旋转镜(13)在扫描期间相对于该输入激光束(12)改变角度。

17.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，该激光脉冲(12、12’)的能量以与该镜(13)的旋转同步的方式被控制。

18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)能够沿着其中心轴线移动。

19.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)在与该镜(13)的旋转相反的方向上关于其中心轴线旋转。

20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)的旋转速度在0.01和100000rpm之间。

21.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该光学器件是聚焦透镜(14)。

22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，该聚焦透镜(14)沿着该激光束(12、12’)移动。

23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，该聚焦透镜(14)以与该目标(15)的线性运动同步的方式沿着该激光束(12、12’)移动。

24.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)由金属、金属化合物、玻璃、石材、陶瓷、合成聚合物、半合成聚合物、天然聚合物、复合材料、无机或有机单体或低聚材料制成。

25.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环形目标(15)由至少两种不同材料的环形段构成。

26.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该镜(13)的反射率在整个过程中通过下面的方式得以保持：

·静态机械屏蔽件；和/或

·移动屏蔽件、管或孔径；和/或

·电气器件；和/或

·磁性器件；和/或

·对该镜(13)的加热；和/或

·该镜(13)周围的压强控制；和/或

·气流；和/或

·激光清洗；和/或

·离子轰击；和/或

·该目标(15)和该镜(13)之间的牺牲层。

27.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该环状形成的目标(15)具有环形、柱形或截锥形形状。

28.一种利用一个或多个涂覆材料(16)涂覆基板(17)的激光烧蚀和沉积方法，该方法包括如下步骤：

-在激光源(11、11’)中产生激光束(12)；

-通过光学器件(14、21、22)操纵该激光束(12、12’)，

其特征在于，该方法还包括如下步骤：

-将输入激光束(12)引导到旋转镜(13)，该旋转镜(13)围绕与该输入激光束(12)方向基本上平行的轴线旋转，因此在该镜(13)的旋转轴线周围产生大致圆形扫描图案；

-将反射的激光束(12’)引导到环形目标(15)的表面，其中该目标(15)的中心点沿着该旋转镜(13)的旋转轴线定位，并且其中涂覆材料从该目标(15)沿着该大致圆形扫描图案作为材料股流(16)释放；以及

-将所释放的材料股流(16)引导到该基板(17)以获得涂覆基板，其中

-对释放的目标材料(16)的激光烧蚀和沉积在腔体(18)中执行，其中该旋转镜(13)、该环形目标(15)和该基板(17)设置在该腔体(18)内，并且该腔体(18)具有至少控制该腔体内的压强、温度和可能存在的附加材料的能力。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，该方法包括：

-在与该环形目标(15)相距选择的距离和角度下保持要涂覆的基板，该基板(17)设置在目标(15)的与进来的激光束(12)相对的一侧。

30.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，该方法包括：

-在从该环形目标(15)的表面释放的材料股流(16)中移动和/或旋转该基板(17)。

31.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，该腔体(18)在激光烧蚀和沉积期间在控制压强下被提供有背景气体的控制流，其中该背景气体为惰性或活性的。

32.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，烧蚀的释放材料(16)受电场或磁场或二者的影响。

33.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，沉积工艺受来自离子源的离子轰击的影响。

34.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，该基板(17)被电偏压。

35.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，物理掩模设置在该目标(15)和该基板(17)之间。

36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，该物理掩模配置为在工艺期间移动。

37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，该物理掩模配置为与该镜(13)的旋转同步地旋转。

38.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，该基板(17)形成平面的和可弯曲的片，并且该基板(17)还配置为从第一卷释放到沉积区域且在沉积后收集到第二卷。

39.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，涂覆的基板(16、17)是锂离子电池的部件、传感器或传感器装置的部件或者切割工具的部件。

40.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，输入激光束(12)和反射的激光束(12’)之间的角度为α，其中0＜α＜180°。

41.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，该输入激光束(12)和反射的激光束(12’)之间的角度基本上等于90°。