CN113957406A

CN113957406A - 一种用于制备氧化物薄膜的加热装置

Info

Publication number: CN113957406A
Application number: CN202111231934.2A
Authority: CN
Inventors: 艾金虎; 殷立峰
Original assignee: Aipin Shanghai Instrument Technology Co ltd; Fudan University
Current assignee: Aipin Shanghai Instrument Technology Co ltd; Fudan University
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2022-01-21

Abstract

本发明公开一种用于制备氧化物薄膜的加热装置，其采用连续光纤激光器作为光源，包括真空腔体以及激光调节模块。其中，真空腔体至少包括设置于其内部的样品架、放置于样品架上的样品托、以及设置于真空腔体表面的视窗。样品托上设置有碳化硅吸收片，其用于放置样品。激光调节模块包括光纤准直镜以及扩束透镜。光纤准直镜、扩束透镜、视窗以及样品托沿激光光路依次设置，且光纤准直镜设置于扩束透镜的焦点处。

Description

一种用于制备氧化物薄膜的加热装置

技术领域

本发明涉及真空薄膜制备技术，特别涉及一种用于制备氧化物薄膜的加热装置。

背景技术

利用磁控溅射和脉冲激光分子束制备复杂氧化物薄膜样品，例如钇钡铜氧(YBCO)高温超导薄膜、钇铁石榴石(YIG)铁氧体薄膜、镧锶锰氧(LSMO)庞磁阻薄膜等的时候，通常需要1Pa左右的氧气氛围，同时样品还需要加热到800℃左右，这就对加热器的耐氧性能提出了较高的要求。

目前，制备复杂氧化物薄膜时多采用碳化硅加热器或者是红外激光加热器。

其中，碳化硅(SiC)是半导体材料，掺杂后具备较低的电阻率，因此碳化硅加热器采用电阻加热原理，即通过电流的焦耳效应把电能转变成热能，然后通过热辐射的形式来加热样品。碳化硅在氧气中加热时表面会生成一层非常薄的、致密的、与基体结合牢固的二氧化硅(SiO2)薄膜，这层二氧化硅薄膜能阻碍氧向碳化硅内部扩散，限制碳化硅的氧化，使得碳化硅有较好的抗氧化性。碳化硅的早期氧化物为玻璃态的二氧化硅薄膜，但是随着温度升高到约800～1140℃时候，玻璃态的二氧化硅薄膜开始发生晶化，这个相变过程将使二氧化硅体积发生变化，使得二氧化硅保护膜结构变得疏松而与碳化硅基体结合变得不牢固，使得氧化保护作用减弱，因此，碳化硅加热器在氧气环境下，通过热辐射方式把样品加热到800℃已经是其上限。此外，由于二氧化硅在500℃以下热膨胀系数变化较大，而碳化硅基材热膨胀系数变化不大，因此二氧化硅保护膜与碳化硅基材间的热应力变化较大，一旦升降温速率过大，二氧化硅保护膜极易破裂。因此，碳化硅加热器在氧气氛围下寿命一般只有一千小时左右。

而红外激光加热器的原理则是将大功率红外激光经透镜扩束后直接照射到样品或者样品托上，使得样品或者样品托吸收红外激光，进而温度升高。其中，所述红外激光是指波长范围从0.75微米至300微米的激光,其可进一步地细分为近红外(0.75微米至2.5微米)、中红外(2.5微米至25微米)、远红外光(25微米至300微米)三个区域。相较于碳化硅加热器，红外激光加热器的寿命特别长，可达2万小时以上。同时，采用红外激光加热器可以使得样品升降温的速度非常快，且只要激光功率足够高，或者把激光聚焦后使用，样品的加热温度没有上限，甚至可以把样品融化。此外，激光器是在真空腔外，通过光纤、扩束透镜、熔融石英视窗再引入真空腔，因此维护方便。

但是，红外半导体激光加热器在800℃、1Pa氧气的生长条件下，加热所需要的激光功率密度大概为100W/cm²。而出于吸收率的考虑，目前多采用的0.808微米的半导体激光器。光纤耦合的0.808微米的半导体激光器的最大功率只能到400W，且价格昂贵，这就使得单台0.808微米激光器所能加热的最大样品只有2厘米左右，这就限制了红外激光加热器的使用场景，若需要加热2厘米以上样品通常需要采用多台激光组成阵列来提高功率，一是增加了光路的复杂程度，二是温度的均匀性无法保证，此外还大幅增加了生产成本。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种用于制备氧化物薄膜的加热装置，其采用连续光纤激光器作为光源，包括：

真空腔体，其至少包括：

样品架，设置于所述真空腔体的内部；

样品托，其放置于所述样品架上，且其包括碳化硅吸收片，样品放置于所述碳化硅吸收片上；以及

视窗，其设置于所述真空腔体表面，且被配置为能够使红外激光照射至所述样品托；以及

激光调节模块，包括光纤准直镜以及扩束透镜，所述光纤准直镜、扩束透镜及视窗沿激光光路依次设置，且所述光纤准直镜设置于所述扩束透镜的焦点处。

进一步地，所述碳化硅吸收片的表面积小于经所述扩束透镜扩束后的光斑直径，但大于所述样品的表面积。

进一步地，所述碳化硅吸收片的材料为P型掺杂的无压烧结碳化硅。

进一步地，所述光斑直径根据所述扩束透镜的焦距以及光纤的孔径角计算得到。

进一步地，所述扩束透镜及光纤准直镜通过支架固定于所述真空腔体上，且所述扩束透镜的位置沿激光光路可调。

进一步地，所述样品托还包括支撑框，所述碳化硅吸收片固定于所述支撑框上。

进一步地，所述碳化硅吸收片通过螺丝及第一压片固定于所述支撑框上，和/或所述样品通过螺丝及第二压片固定于所述碳化硅吸收片上。

进一步地，所述支撑框和/或螺丝和/或第一压片和/或第二压片为镍基合金材料。

进一步地，所述真空腔体还包括气体入口，用于向所述真空腔体内输送氧气或臭氧。

进一步地，所述真空腔体还包括测温口，用于设置温度检测装置。

本发明提供的一种用于制备氧化物薄膜的加热装置，其使用碳化硅作为红外吸收材料，有效提高了红外激光的吸收率。其仅需采用一台1.08微米的连续光纤激光器作为光源，就能够实现4英寸及以上的大面积氧化物薄膜样品的制备，而不需要多台红外激光组成阵列，大大简化了光路设计，降低了成本。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出多种金属在室温下的光谱吸收率；

图2示出P型掺杂的无压烧结碳化硅在室温下的光谱吸收率；

图3示出本发明一个实施例的一种用于制备氧化物薄膜的加热装置的结构示意图；

图4示出本发明一个实施例的一种用于制备氧化物薄膜的加热装置的光路示意图；以及

图5a示出本发明一个实施例的样品托的结构示意图；以及

图5b示出本发明一个实施例的样品托的零件分解示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

本发明基于发明人的如下洞察：现有的红外激光加热器所能加热的样品尺寸较小的原因在于，短波段激光器的功率较低，难以满足加热所需的激光功率密度。具体而言，由于红外激光扩束后的光照度并不均匀，直接照射样品会引起温差，因此，在采用红外激光加热器时，通常会采用样品托来吸收红外激光，使得样品温度均匀。不同材质的样品托对于红外激光的吸收率各不相同，其中半导体的吸收率较高，金属的吸收率较低，而绝缘体则几乎不吸收，因此，优选采用例如耐高温、高氧的镍基合金(如Inconel合金)等金属材料来制作样品托。图1示出多种金属在室温下的光谱吸收率，可以看出，金属材料在长波段的吸收率非常低，而随着波长的减小，吸收率逐步增大。金属对近红外激光的吸收率远高于中、远红外激光，这是由于金属中的自由电子反射了绝大部分激光。在长波段下，光子能量较低，主要对金属中的自由电子起作用，因此几乎是全反射的。而对于短波段的激光，在大部分激光被自由电子反射的同时还有一小部分激光被金属内的束缚电子-激子-晶格振动等振子吸收，从而转化为热能。基于此，就加热而言，波长越小的激光加热效果越好。在现有常见的红外激光器中，0.808微米半导体激光器的加热效果要好于1.08微米的光纤激光器，且远好于10.6微米的二氧化碳激光器，两者之间的吸收率相差10倍以上。因此，目前行业内通常采用0.808微米的半导体激光器来制作红外激光加热装置的光源。在800℃、1Pa氧气的生长条件下，加热所需要的激光功率密度大概为100W/cm²,则，根据计算，由于光纤耦合的0.808微米的半导体激光器的最大功率只能到400W，因此单台0.808微米激光器所能加热的最大样品只有2厘米左右。

基于上述洞察，发明人发现，若要改善红外激光加热器适用的样品尺寸，就需要提升激光器的功率。而目前，在金属切割、焊接及熔覆等工业加工领域所使用得劲激光器，功率已经能够达到千瓦量级甚至万瓦量级，例如，0.915微米的光纤输出半导体激光器的最大功率能到8000W，而1.08微米连续光纤激光器的最大功率已经可以做到35000W。然而，若直接采用这类激光器代替现有红外激光加热器中的激光器，则受限于金属对于相应波段激光的吸收率，加热效果较差。基于此，发明人进一步发现，若要在保证加热效果的前提下，使用这类波长略大于0.808微米的大功率激光器，则需要选取对该波段激光吸收率较好的材料替代金属样品托，来吸收红外激光。

经过研究，发明人发现，碳化硅作为第三代半导体材料，具有禁带宽、击穿电场强度高、饱和电子迁移率高、热导率大、介电常数小等优点，可以进行P型掺杂和n型掺杂，且其红外吸收效率很高。图2示出P型掺杂的无压烧结碳化硅在室温下的光谱吸收率。如图2所示，P型掺杂的无压烧结碳化硅对于近红外的吸收率数倍于金属。经过实验对比测试，在800℃、1Pa氧气的生长条件下，0.808微米红外激光在镍基合金样品托上需要功率密度大概为100W/cm²,而碳化硅样品托上的需要的功率密度仅为50W/cm²，碳化硅在800℃的吸收率提高了1倍。此外，如图2所示，碳化硅在1.08微米的吸收率要高于0.808微米，这就为采用1.08微米连续光纤激光器替代0.808微米的半导体激光器提供了物理基础。虽然碳化硅作为电加热器使用时，有诸多不足。但若将其作为红外激光的吸收材料使用，虽然不能阻碍二氧化硅保护膜在在800℃以上的氧气氛围中产生缺陷，但是因为其本身并不发热，所以缺陷处并不会出现加速升温的现象。碳化硅作为红外吸收材料使用时的最高温度可以参照碳化硅作为耐火材料使用时的最高温度，即1627℃，此时将发生如下化学反应：2SiO₂+SiC→3SiO+CO,进而产生大量气体，同时这个温度下的二氧化硅也开始大量挥发。因此碳化硅做为红外吸收材料，在800℃使用环境下，可以具备无限长的寿命。此外，由于室温下碳化硅单晶的热导率高达490W/mK，多晶的碳化硅陶瓷热导率也有270W/mK，比Inconel合金高了一个数量级，这也将有助于进一步提高样品的温度均匀性。

基于此，本发明提供一种用于制备氧化物薄膜的加热装置，其优选采用1.08微米的高功率连续光纤激光器作为光源，同时将样品放置于碳化硅吸收片上，进而能够将4英寸或更大尺寸的样品在1Pa氧气环境下加热到800℃的生长条件。例如，在800℃、1Pa氧气的生长条件下，加热的功率密度约为50W/cm²，则加热4英寸的样品，可选用功率约为4000瓦的1.08微米红外激光器，而加热12英寸的样品，则可选用功率约为35000瓦的1.08微米红外激光器。下面结合实施例附图，对本发明的方案做进一步描述。

图3示出本发明一个实施例的一种用于制备氧化物薄膜的加热装置的结构示意图。如图3所示，一种用于制备氧化物薄膜的加热装置，包括真空腔体301以及激光调节模块302。

所述激光调节模块302固定于所述真空腔体301的表面，其用于调节激光器发射的激光，使其转换为适合于加热的激光束，包括光纤准直镜321以及扩束透镜322。在本发明的一个实施例中，所述光纤准直镜321以及扩束透镜322通过支架323固定于所述真空腔体301的表面。所述光纤准直镜321与所述激光器的光纤的端面接触，以将光纤中的传输光转换为平行光，所述扩束透镜322设置于所述平行光光路上，将所述平行光进一步扩束，形成光斑。为实现扩束，所述光纤的端面应设置于所述扩束透镜322的焦点位置处，也就是说，所述光纤准直镜321的入射面位于所述扩束透镜322的焦点位置处。图4示出本发明一个实施例的一种用于制备氧化物薄膜的加热装置的光路示意图。如图4所示，所述激光器的光纤002的端面设置于所述扩束透镜322的焦点位置F处，其发射的激光经由所述扩束透镜322扩束后形成光斑，照射至样品托311上。如图所示，所述光斑的直径D满足：

D＝2f tanθ,。

其中，f为所述扩束透镜322的焦距，θ为光纤孔径角。根据所述光纤孔径角可以确定光纤的数值孔径NA，以反映光纤出射光的角度范围，

其中，n为介质的折射率，由于是在空气中，其取值为1。则根据上述关系，可根据需要的光斑大小选取合适焦距的扩束透镜。例如，按照典型值，所述光纤的数值孔径NA通常取值为0.2，则当需要4英寸直径大小的光斑时，所述扩束透镜的焦距至少应为24.9厘米。为了在同一装置中，能够使用不同焦距的扩束透镜，在本发明的一个实施例中，所述扩束透镜322可移动地安装于所述支架323上，具体而言，其可沿激光管路调节自身位置，以保证所述光纤准直镜321位于所述扩束透镜322的焦点位置处。

所述真空腔体301用于放置样品。所述样品放置于样品托311上被送入所述真空腔体301内，并放置于样品架312上。所述样品架312固定于所述真空腔体301的内部。

图5a及5b分别示出本发明一个实施例的样品托的结构及零件分解示意图。如图5a及5b所示，所述样品托311包括支撑框3111以及碳化硅吸收片3112。其中，所述支撑框3111的中心设置有适配于所述碳化硅吸收片3112的凹槽，所述碳化硅吸收片3112放置于所述凹槽内，优选与所述支撑框3111的表面平齐。在本发明的一个实施例中，如图5b所示，也可采用台阶状通孔3116替代所述凹槽，以支撑所述碳化硅吸收片3112。在本发明的一个实施例中，所述碳化硅吸收片3112进一步地通过螺丝3113及第一压片3114固定于所述支撑框上。所述样品001则放置于所述碳化硅吸收片3112上，并可进一步地通过例如螺丝3113及第二压片3115固定。为了保证温度的均匀性，所述碳化硅吸收片3112的尺寸应当不小于所述样品001，同时，所述碳化硅吸收片3112的尺寸还应当不大于所述光斑的直径D。在本发明的一个实施例中，所述支撑框3111和/或螺丝3113和/或第一压片3114和/或第二压片3115为镍基合金材料制成，和/或所述碳化硅吸收片采用P型掺杂的无压烧结碳化硅制成。

为了使得激光能够进入所述真空腔体301照射至所述样品托311上，所述真空腔体301表面还设置有视窗313。所述视窗313设置于经扩束后的激光光路上。为提高激光利用率，所述视窗313的尺寸优选不小于经扩束后的光斑直径D。同时，所述光纤准直镜321、扩束透镜322以及视窗313优选与所述碳化硅吸收片3112共轴。在本发明的一个实施例中，所述视窗313通过法兰固定于所述真空腔体301上，且例如可为熔融石英视窗。

为满足生长条件，在本发明的一个实施例中，所述真空腔体301还包括气体入口314，其用于向所述真空腔体301内输送氧气或臭氧.

为了实时监控加热温度，在发明的一个实施例中，所述真空腔体301还包括测温口315，其用于设置温度检测装置003，所述温度监测装置例如可为红外测温仪等。

为了便于观察薄膜生长情况，在发明的一个实施例中，所述真空腔体301还包括观测观测窗口316。

采用如前所述的加热装置，激光器发射的激光经由所述光纤准直镜321进入所述扩束透镜322,实现扩束，然后照射在所述碳化硅吸收片3112上，由于碳化硅的近红外吸收率和热导率都要高于镍基金属支撑框，使得加热主要集中在碳化硅吸收片上，同时，所述样品001与所述碳化硅吸收片3112之间通过热传导进行热量传递，经测试，样品温度均匀性能够保持在1％左右。

本发明提供的一种用于制备氧化物薄膜的加热装置，其使用碳化硅作为红外吸收材料，同时可与各种功率和/或波段的激光器连接，以加热到样品所需的生长条件。其中，所述激光器包括但不限于0.808微米半导体激光器、0.915微米的光纤输出半导体激光器、1.08微米连续光纤激光器、1.06微米的YAG激光以及10.6微米的CO₂激光等。采用所述装置，能够满足各种尺寸样品的加热需求，而不需要多台红外激光组成阵列，大大简化了光路设计，降低了成本。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims

1.一种用于制备氧化物薄膜的加热装置，其采用连续光纤激光器作为光源，其特征在于，包括：

真空腔体，其包括：

样品架，设置于所述真空腔体的内部；

样品托，放置于所述样品架上，且包括碳化硅吸收片，所述碳化硅吸收片被配置为能够放置样品；以及

视窗，设置于所述真空腔体表面，且被配置为能够使红外激光照射至所述样品托上；以及

2.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述碳化硅吸收片的表面积小于经所述扩束透镜扩束后的光斑直径D，但大于所述样品的表面积。

3.如权利要求2所述的加热装置，其特征在于，所述光斑直径D根据所述扩束透镜的焦距f以及光纤的孔径角θ计算得到：

D＝2f tanθ。

4.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述扩束透镜及光纤准直镜通过支架固定于所述真空腔体上，且所述扩束透镜被配置为能够沿激光光路在所述支架上移动。

5.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述样品托还包括支撑框，所述碳化硅吸收片固定于所述支撑框上。

6.如权利要求5所述的加热装置，其特征在于，所述碳化硅吸收片通过螺丝及第一压片固定于所述支撑框上，和/或所述样品通过螺丝及第二压片固定于所述碳化硅吸收片上。

7.如权利要求6所述的加热装置，其特征在于，所述支撑框和/或螺丝和/或第一压片和/或第二压片为镍基合金材料。

8.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述真空腔体还包括气体入口，所述气体入口被配置为能够向所述真空腔体内输送氧气或臭氧。

9.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述真空腔体还包括测温口，所述测温口被配置为能够设置温度检测装置。

10.如权利要求9所述的加热装置，其特征在于，所述温度检测装置为红外测温装置。