CN107881489A - 一种激光辅助加热化学气相沉积镀膜装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光辅助加热化学气相沉积镀膜装置及方法，属于镀膜技术领域，其中，激光辅助加热化学气相沉积镀膜装置包括一通风柜，贯穿通风柜一侧且用于搭载玻璃基板的滑动式预热系统、贯穿通风柜另一侧的激光加热系统以及与滑动式预热系统和激光加热系统通讯连接的控制系统，激光加热系统位于滑动式预热系统的上方；激光加热系统包括一红外CO₂激光器和一用于改变激光光束路径的光束整形器。利用红外激光生成线型光斑对其进行局部的二次升温，激光利用其高能量密度的特性作用于基板上进行快速升温并辅助化学气相沉积反应镀膜的进行。易于控制，温度调节精度高，更有利于提高镀膜质量。

Description

一种激光辅助加热化学气相沉积镀膜装置及方法

技术领域

本发明涉及镀膜技术领域，具体地说，涉及一种激光辅助加热化学气相沉积镀膜装置及方法。

背景技术

化学气相沉积(CVD)方法是一种重要的薄膜制备方法，它利用气态的前驱体反应物经原子分子间的化学反应，生成固态薄膜。该方法的优点包括成膜速度快、附着强度大、组分可控易掺杂、结晶完全纯度高、装置简单成本低等。

传统的CVD法镀制薄膜时，需要在基底表面发生化学反应成膜，几乎所有的沉积反应都是吸热反应，故需要用热源将基底加热到一定温度方可实现，但这样就会存在如前期加热温度较高、高温下难以进行选区定域沉积成膜、基底本体整体存在加热效果对环境产生影响等诸多缺点。

玻璃的组成与结构特性决定了其对中远红外光几乎完全吸收，故使用红外激光对其进行加热等处理是较为合适的手段。当然玻璃对于其他波长的激光也具有一定吸收，比如1μm左右的激光，也可以用来对玻璃进行加热，但由于其吸收系数较低，不同种类的玻璃吸收系数会有不同，且激光透过玻璃，形成体吸收，加热效率较低。对于10.6μm的CO₂激光，玻璃会完全吸收，而由于玻璃的高吸收率，其进入玻璃表面的深度不足几十微米，在玻璃表面就被完全吸收。

当激光光束作用在材料表面产生截面光斑时，激光功率密度均匀分布的矩形光斑被认为是一种较为理想的光束，激光器输出多为基模或低阶模高斯光束，聚焦后光斑的能量分布不均匀。

发明内容

本发明的目的为提供一种激光辅助加热化学气相沉积镀膜方法，本发明的另一目的为提供一种激光辅助加热化学气相沉积镀膜装置，利用化学气相沉积方法辅以红外激光高温辅助加热手段在玻璃上沉积薄膜，提升在线镀膜的质量与性能。

为了实现上述目的，本发明提供的激光辅助加热化学气相沉积镀膜方法包括以下步骤：

预热，利用加热装置对玻璃基板进行预热；

局部升温，利用CO₂红外激光生成线性光斑对预热过的玻璃基板进行局部升温，从而辅助化学气相沉积反应镀膜的进行。

上述技术方案中，玻璃基板先通过预热到达一定温度而非直接由激光进行加热，激光辐照到玻璃基板上方辅助化学气相沉积反应的发生包括AACVD、APCVD、MOCVD等，而非对基板进行激光加工。该方法利用红外激光生成线型光斑对其进行局部的二次升温，激光利用其高能量密度的特性作用于基板上进行快速升温并辅助化学气相沉积反应镀膜的进行。该方法易于控制，温度调节精度高，更有利于提高镀膜质量。

具体的方案为在红外激光对玻璃基板进行局部升温的过程中采用振镜来改变激光光束路径。激光束入射到两块反射镜(扫描镜)上分别沿X、Y轴扫描，偏转激光束，得到线型的聚焦光斑。

另一个具体的方案为线性光斑的长度为0.5～110mm，宽度为0.2～0.5mm。

再一个具体的方案为线性光斑的功率密度分布满足

h×A×ρ×C×Δt＝E/η＝P×t

其中，h表示加热深度，A表示加热面积，ρ表示玻璃基体密度，C表示玻璃基体比热，Δt表示温升，E表示激光加热能量，η表示激光加热效率，P表示激光作用功率，t表示激光作用时间。

A＝d·l，ρ＝2520kg/m³，C＝800J/(kg·℃)，若采用360m/h的拉引速度，选择最大光斑面积并升温200℃，则所需要的激光器功率约为45W。

为了实现上述另一个目的，本发明提供的激光辅助加热化学气相沉积镀膜装置包括一通风柜，贯穿通风柜一侧且用于搭载玻璃基板的滑动式预热系统、贯穿通风柜另一侧的激光加热系统以及与滑动式预热系统和激光加热系统通讯连接的控制系统，激光加热系统位于滑动式预热系统的上方；激光加热系统包括一红外CO₂激光器和一用于改变激光光束路径的光束整形器。

上述技术方案中，玻璃基板首先经过预热系统加热到一定温度后送至通风柜内并由激光加热系统对其进行局部加热，激光加热系统发射的的激光通过光束整形改变光束路径，使光斑能量分布均匀。红外CO₂激光器的工作原理为通过高压放电激发高浓度二氧化碳气体产生波长10.6μm的激光。

本发明选用动态光束整形方案，将激光出射辐照到玻璃基板表面的点状/圆状光斑整形为线型光斑

具体的方案为光束整形器包括两块反射镜、分别控制两块反射镜偏转的X轴振镜和Y轴振镜、以及一聚焦镜，激光光束分别通过两块反射镜反射后由聚焦镜聚焦到玻璃基板上。

该光束整形器的基本工作原理如下：将激光束入射到两块反射镜(扫描镜)上，控制系统控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点在玻璃基板上按所需的要求运动，从而得到线型的聚焦的光斑。

振镜是一种特殊的摆动电机，基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，但与旋转机不同，其转子上通过机械扭簧或电子的方法加由复位力矩，大小与转子偏离平衡位置的角度成正比，线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与回复力矩大小相等，故不能像普通电机一样旋转，只能偏转，偏转角与电流成正比。

输入一个位置信号，振镜(摆动电机)就会按一定电压与角度的转换比例摆动一定角度。整个过程采用闭环反馈控制，数字振镜使用数字信号进行运算来控制电机，由位置传感器、误差放大器、功率放大器、位置区分器、电流积分器等五大控制电路共同作用。

优选地，同时采用激光扩束器把窄细的激光光束扩束变成宽阔的准直光束，使激光束的发散角降低，在保证较远距离激光光斑达到需要的尺寸的同时减少损耗。

为了防止玻璃基板本体有加热效果而对环境产生的影响，因此采用局部的激光辅助加热升温，即基板首先通过常规的电炉预热到一定温度，之后继续在基板上进行激光的加载和卸载过程，充分模拟浮法产线上镀膜玻璃加工生产的流程。

另一个具体的方案为滑动式预热系统包括加热区、底架、通过滑轨与底架滑动连接的基板平台以及驱动基板平台相对底架滑动的驱动器；底架贯穿通风柜设置；驱动器的定子与底架固定连接，动子与基板平台固定连接。

进一步具体的方案为加热区设置在底架的前端，且采用电阻丝进行加热。

再一个具体的方案为通风柜的内壁上安装有超声雾化喷嘴。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用本发明的激光辅助加热化学气相沉积镀膜方法和装置可以实现沉积温度低、精细区域加工、不需掩膜沉积、膜层纯度高夹杂少等特点，同时可以拓展膜层及掺杂材料的选择，对基板表面浅层迅速加热，调节输出功率控制加热温度，适合工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例的激光辅助加热化学气相沉积镀膜装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的红外CO₂激光器的结构示意图；

图3为本发明实施例的光束整形器的机构示意图；

图4为本发明实施例的滑动式预热系统的俯视图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

本实施例的激光辅助加热化学气相沉积镀膜方法包括以下步骤：

预热步骤S1，利用加热装置对玻璃基板进行预热；

局部升温步骤S2，利用红外激光生成线性光斑对预热过的玻璃基板进行局部升温，从而辅助化学气相沉积反应镀膜的进行。

其中，红外激光对玻璃基板进行局部升温的过程中采用振镜来改变激光光束路径；线性光斑的长度为0.5～110mm，宽度为0.2～0.5mm；且线性光斑的功率密度分布满足

h×A×ρ×C×Δt＝E/η＝P×t

其中h表示加热深度，A表示加热面积，ρ表示玻璃基体密度，C表示玻璃基体比热，Δt表示温升，E表示激光加热能量，η表示激光加热效率，P表示激光功率，t表示激光作用时间。

A＝d·l，ρ＝2520kg/m³，C＝800J/(kg·℃)，采用360m/h的拉引速度，选择最大光斑面积并升温200℃，所需要的激光器功率约为45W。

参见图1至图4，本实施例的激光辅助加热化学气相沉积镀膜装置包括通风柜1、滑动式预热系统2、激光加热系统3以及控制系统，滑动式预热系统2上搭载有玻璃基板。在通风柜1的两侧分别开有用于安装滑动式预热系统2和激光加热系统3的开孔。激光加热系统3位于滑动式预热系统2的上方。激光加热系统3包括一红外CO₂激光器31和一用于改变激光光束路径的光束整形器32。在通风柜1的内侧安装有超声雾化喷头，可采用超声雾化辅助化学气相沉积方法沉积薄膜。

参见图2，红外CO₂激光器31由硬质玻璃、谐振腔体以及电极三部分组成。硬质玻璃部分由特殊原料烧制而成，分为放电管311、水冷管层312、储气管层313和回气管314。回气管314与放电管311和储气管层313相通，其功能是在放电过程中激发气体流动。封离式二氧化碳激光管为三层套管结构，中心层是放电管，第二层是水循环管层，最外层是储气管层。

谐振腔体部分由全反射镜314和输出反射镜315组成，全反射镜314以光学晶体为基底，表面镀金膜，全反射镜314在10.6μm附近的反射率可达98％以上；输出反射镜315采用能透射10.6μm辐射的红外线材料(如Ge、SiZn等)为基底，并在其表面镀上介质膜。

二氧化碳激光管的电极部分采用冷阴极，形状为筒状，阴极材料选用要求为溅射率低，气体吸收率小的特殊材料，其对激光器寿命影响极大。

本激光器激光介质为Nd：CO2，光束质量M2小于2，冷却系统为水冷。

参见图3，光束整形器32包括反射镜321、反射镜322、控制反射镜321偏转的X轴振镜323、控制反射镜322偏转的Y轴振镜324、以及一聚焦镜325。激光光束分别通过两块反射镜反射后由聚焦镜325聚焦到玻璃基板上。反射镜在马达的带动下高速来回延轴旋转，从而达到改变激光光束路径的目的其最高偏转角镜是+12.5°，入射角不偏于45°。X轴振镜323的宽度是由光束的直径所决定的，Y轴振镜324的宽度等于X轴振镜323的长度，Y轴振镜324的长度就是光束打在反射镜322上时两镜片中心间的距离。

光斑尺寸下限d(1/e²亮度直径)相对于激光光束直径“D”(1/e²)是d＝13.5QF/Dmm。例如一束TEM00(Q＝1)的直径是13.5mm(1/e²)，用一个焦距100mm的理想聚焦镜片，焦距出来的点的直径是100mm(带入一个实际数值Q＝1.5，焦斑尺寸为150μm)，光的速度和光学畸变可导致聚焦点大小都大于最低衍射值。大尺寸范围需要使用长焦距镜头。相反的，这会导致更大的聚焦点，除非把光束直径大小、振镜大小和镜头直径全部加大。

激光器输出的激光束通过三维调焦镜片组，照射在振镜扫描系统的一组反射镜片上，这两块可以偏转的镜片分别夹持在两个精密检流电机(振镜)上，当振镜受到计算机控制信号的驱动发生动作时，带动两反射镜片转动，从而实现激光束的偏转，偏转后的激光束照射在被加工物件上的不同位置，在物体表面形成不同的热物理反应，三维调焦系统通过控制系统控制，达到和振镜电机三维差的补运动，精确的进行光斑的矫正，使激光的焦平面始终保持在物体表面，达到三维的加工效果。

参见图4，滑动式预热系统2包括加热区、底架21、通过滑轨22与底架21滑动连接的基板平台23以及驱动基板平台23相对底架21滑动的驱动器。本实施例的驱动器为固定在底架21上的步进电机24，步进电机24与基板平台23间通过丝杆25实现传动连接，滑轨包括平行设置的两根。在基板平台23的一侧还设有坦克链26，适用于往复运动，起到牵引和保护的作用。

玻璃基板加热采用滑动式平台加热的方式，其主要通过电阻丝进行加热，温区为单温区，功率为3000W，电压为AC220V，控制精度在1℃以内，仪表型号为AI708P；由步进电机24连续控制基板平台23的运动，滑动模式为电动滑动，速度为100nm/s，由控制系统控制。

Claims (9)

1.一种激光辅助加热化学气相沉积镀膜方法，其特征在于，包括以下步骤：

预热，利用加热装置对玻璃基板进行预热；

局部升温，利用CO₂红外激光生成线性光斑对预热过的玻璃基板进行局部升温，从而辅助化学气相沉积反应镀膜的进行。

2.根据权利要求1所述的激光辅助加热化学气相沉积镀膜方法，其特征在于：

在所述红外激光对所述玻璃基板进行局部升温的过程中采用振镜来改变激光光束路径。

3.根据权利要求1所述的激光辅助加热化学气相沉积镀膜方法，其特征在于：

所述的线性光斑的长度为0.5～110mm，宽度为0.2～0.5mm。

4.根据权利要求1所述的激光辅助加热化学气相沉积镀膜方法，其特征在于：

所述的线性光斑的功率密度分布满足

h×A×ρ×C×Δt＝E/η＝P×t

其中，h表示加热深度，A表示加热面积，ρ表示玻璃基体密度，C表示玻璃基体比热，Δt表示温升，E表示激光加热能量，η表示激光加热效率，P表示激光作用功率，t表示激光作用时间。

5.一种采用权利要求1～4任一权利要求所述的激光辅助加热化学气相沉积镀膜方法进行激光辅助加热化学气相沉积镀膜的装置，其特征在于：

包括一通风柜，贯穿所述通风柜一侧且用于搭载玻璃基板的滑动式预热系统、贯穿所述通风柜另一侧的激光加热系统以及与所述滑动式预热系统和激光加热系统通讯连接的控制系统，所述激光加热系统位于所述滑动式预热系统的上方；

所述激光加热系统包括一红外CO₂激光器和一用于改变激光光束路径的光束整形器。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述的光束整形器包括两块反射镜、分别控制两块反射镜偏转的X轴振镜和Y轴振镜、以及一聚焦镜，激光光束分别通过两块反射镜反射后由聚焦镜聚焦到玻璃基板上。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述的滑动式预热系统包括加热区、底架、通过滑轨与所述底架滑动连接的基板平台以及驱动所述基板平台相对底架滑动的驱动器；

所述底架贯穿所述通风柜设置；

所述驱动器的定子与所述底架固定连接，动子与所述基板平台固定连接。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：

所述加热区设置在所述底架的前端，且采用电阻丝进行加热。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述的通风柜的内壁上安装有超声雾化喷嘴。