CN114214594A

CN114214594A - 一种激光注入窗口的保护防污装置

Info

Publication number: CN114214594A
Application number: CN202111547758.3A
Authority: CN
Inventors: 何建国; 代守军; 王辉; 轩新想; 刘洋; 赵冠雷; 谭羽; 凡炼文; 李琳
Original assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Current assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-03-22

Abstract

本发明公开了一种激光注入窗口的保护防污装置，包括两个滚动支架和高透过率薄膜，利用两个滚动支架使所述高透过率薄膜连续滚动，并覆盖在激光注入窗的玻璃窗口内侧；利用所述高透过率薄膜遮挡脉冲激光诱导的粒子，防止窗口污染，保证到靶激光的质量；在两个滚动支架轴向的两侧布置两个导向板，利用所述导向板对卷动的薄膜进行导向卷出与卷入，防止在卷平滚动的过程中发生卷曲、褶皱；在滚动支架上还未使用、未受等离子体污染的薄膜卷方向一侧布置有用于阻隔污染的保护挡板，防止薄膜还未使用即发生污染。该装置能保证注入激光在沉积过程中不受逐渐被污染的窗口片所影响，保证高质量的薄膜沉积效果。

Description

一种激光注入窗口的保护防污装置

技术领域

本发明涉及真空沉积系统技术领域，尤其涉及一种激光注入窗口的保护防污装置。

背景技术

脉冲激光沉积技术(PLD)属于镀膜－物理气相沉积技术(PVD)，即利用高能激光光束通过聚焦透镜聚焦到靶材诱导产生高温高压等离子体，在真空下等离子体择优垂直于靶材方向极速膨胀，遇到基片冷凝沉积，最终实现靶材物质的转移，在基片表面沉积一层薄膜。随着现代科技的发展，尤其是微电子技术的发展，人们对高性能芯片的需求越来越大，用于制造这种电子器件的材料也趋于复杂化，而高性能的新型镀膜技术对各种芯片制造具有重要意义。一般来说，对镀膜性能的要求集中于镀膜幅面、薄膜结合力、镀膜均匀性、元素组份控制、沉积效率、膜层光滑程度等，PLD技术由于其自身技术的特点，相比其他PVD技术，如真空蒸发镀、分子束外延、磁控溅射、辉光放电溅射等具有较大的优势，然而结合强度与沉积效率的优势，像一把“双刃剑”一样，也为脉冲沉积过程带来一定阻碍。

真空沉积系统是脉冲激光沉积系统的重要组件之一，其主体为封闭的真空腔，是薄膜材料生长的关键装置，高的真空度有益于提高粒子溅射的速率，高能激光脉冲经过光学透镜聚焦与调节，通过镀有增透膜的玻璃窗口进入真空腔体后轰击在靶材表面，与靶材表面发生强烈的作用，产生大量的溅射粒子，由于PLD技术的高能粒子特性与高通量的激发粒子，这些溅射粒子在高真空中同样会以很强的能量冲击并附着在激光入射的玻璃窗口上，从而在玻璃窗口内侧产生污染物，这些污染物的存在会导致玻璃窗口的透光率降低，使得激光在穿过玻璃窗口时出现能量降低、光斑的均匀度变差等一系列问题，导致薄膜材料制备过程中出现生长不均匀、结晶性差、沉积效率降低等严重的问题，最终会影响到薄膜材料的性能以及后续的应用。一般来说，设备为实现高效沉积而采用高能量与功率的激光器作为激发源，则非常容易引起这一污染过程，这严重影响了设备效率的进一步提升；同时真空腔体处于一个高度真空密封的状态，要清洗玻璃窗口就必须要让真空腔体破除真空状态并使其暴露于大气之中，再拆下玻璃窗口利用酸性溶液进行清洗，但这种做法无疑会极大的影响设备镀膜的连续性，降低工作效率，同时由于污染物的高结合力，反而造成其清洗极为困难，些许的残留也将影响薄膜制备时的沉积条件，进而会降低薄膜样品的重复性。在PLD技术中，激光注入窗口的污染治理问题严重影响了设备的沉积性能，制约技术的迭代发展，成为急需解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光注入窗口的保护防污装置，该装置能保证注入激光在沉积过程中不受逐渐被污染的窗口片所影响，保证高质量的薄膜沉积效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种激光注入窗口的保护防污装置，所述装置包括两个滚动支架和高透过率薄膜，利用两个滚动支架使所述高透过率薄膜连续滚动，并覆盖在激光注入窗的玻璃窗口内侧；

利用所述高透过率薄膜遮挡脉冲激光诱导的粒子，防止窗口污染，保证到靶激光的质量；

在两个滚动支架轴向的两侧布置两个导向板，利用所述导向板对卷动的薄膜进行导向卷出与卷入，防止在卷平滚动的过程中发生卷曲、褶皱；

在滚动支架上还未使用、未受等离子体污染的薄膜卷方向一侧布置有用于阻隔污染的保护挡板，防止薄膜还未使用即发生污染；

在所述高透过率薄膜运转过程中，利用滚动支架卷出卷入的方案连续刷新保护薄膜，保护窗口玻璃不受污染，也降低薄膜对入射激光的影响。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置能保证注入激光在沉积过程中不受逐渐被污染的窗口片所影响，保证高质量的薄膜沉积效果；同时避免因频繁更换窗口片而造成的沉积过程不连续，薄膜一致性差等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的激光注入窗口的保护防污装置整体结构示意图；

图2为本发明实施例所述薄膜远端布局的方案示意图；

图3为本发明实施例所述薄膜近端布局的方案示意图；

图4为本发明实施例所述薄膜幅宽的示意图；

图5为本发明实施例所述装置的一种典型安装示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明实施例提供的激光注入窗口的保护防污装置整体结构示意图，所述装置包括两个滚动支架和高透过率薄膜，利用两个滚动支架使所述高透过率薄膜连续滚动，并覆盖在激光注入窗的玻璃窗口内侧；

另外，在所述高透过率薄膜运转过程中，两个滚动支架的滚动速率与当前薄膜卷动展平的线速度相关，以保证在污染防护区域的薄膜匀速运动为定量；

其中，两个滚动支架中未使用的卷筒一侧的主轴转动速度应逐渐变大(随半径变小)，角加速度与薄膜卷筒半径变化对时间的导数相关；具体实现中，此导数在固定沉积工艺下应为常数，即主轴转速为线性增加；当然针对不同的沉积参数要求，如注入激光能量与功率不同，转速应以一定的规律进行匹配，这一原则在全部情况下都应遵循，即单位时间真空室内激光诱导的颗粒物对薄膜的污染量保持固定。换句话说，不会出现因转速过慢，而导致薄膜污染过分，而导致到靶激光的指标下降。

具体实现中，所选的高分子薄膜的透过率较高，一般来说，其对激光的吸收就较低，但在大能量、大功率脉冲激光的作用下仍有部分热量在薄膜中产生，另一方面腔内激光诱导的粒子也会对薄膜进行加热，因而薄膜的激光损伤阈值与热扩散能力尤为重要，这两个参数分别主导着薄膜被激光照射时不容易发生因激光烧蚀而破损，同时保证材料在两种热源(一内热源、一外热源)的作用下，不会因被加热发生褶皱而影响到靶激光的形状，影响设备的沉积质量。这一方面对材料本身提出要求(如激光损伤阈值、热扩散系数、线膨胀系数)，另一方面对到膜的激光也提出要求，如光斑直径不可过小，过小了容易增大能量密度，对薄膜造成能量损伤，同时对薄膜的卷平滚动的线速度同样提出要求，若滚动速度较低，则极易出现热积累，产生褶皱，影响激光，故高透过率薄膜卷平滚动的线速度需满足如下约束条件：

薄膜的单位时间污染量固定、卷平区域的线速度固定、卷平区域的热积累量不得超过设定的褶皱阈值。

另外，通过对所述高透过率薄膜进行布局，优化薄膜的光斑直径，保护薄膜不受激光损伤，有效减小薄膜幅宽，将薄膜贴近窗口玻璃一侧布置，能有效阻隔游离的污染粒子通过薄膜与窗口之间的间隙附着在窗口玻璃上。

如图2所示为本发明实施例所述薄膜远端布局的方案示意图，所述高透过率薄膜位于相对激光入射方向的远端，由于激光在入射过程中逐渐聚焦，这种布局容易面临被小光斑灼烧的风险，但由于PLD技术中心的激发光源在靶材表面呈往复周期性的扫描运动，在面对大面积沉积、大面积靶材、高功率光源的设备时，激发光源需要更大幅面的扫描，远端布局薄膜上的光斑呈大范围扫描状态。

如图3所示为本发明实施例所述薄膜近端布局的方案示意图，所述高透过率薄膜位于相对激光入射方向的近端，若采用近端布局，则面临着大光斑大范围扫描的工况，在薄膜幅面一定的情况下，易出现扫描出边缘的风险，但相对的热致应变的风险较低，有利于薄膜的保护。

这里可以根据实际情况选择布局，近端布局是为了避免由于聚焦光斑所带来的的薄膜损伤(近段时，膜上光斑较大)；远端布局是为了满足大面积沉积、大面积靶材、高功率光源的设备需求而考虑的，两种布局具有不同的适应条件。

另外，所述高透过率薄膜的幅宽应以所需保护激光注入窗口的直径为参考，大于激光入射时所照射范围的一定倍数。例如2～3倍，即幅宽的上限与下限，如图4所示为本发明实施例所述薄膜幅宽的示意图，图中薄膜幅宽W>2*R₀，R₀为注入激光工作范围。

另外，还可以增加滚动支架上未使用的薄膜卷筒的直径，从而增加薄膜的总体长度，延长薄膜使用时间，减少薄膜卷筒更换的次数。

具体实现中，如图5所示为本发明实施例所述装置的一种典型安装示意图，所述装置直接嵌入玻璃窗口内侧真空腔体管状结构件的中间，采用易拆卸设计，可整体简易取出，方便检修、更换耗材。

另外，所述高透过率薄膜可采用对激光波长高透过率的高分子薄膜，兼顾高损伤阈值、较高的韧性、耐辐照性、较薄厚度、较强的热扩散能力、较低的线膨胀系数等性能，同时成本较低，具体包括PET、PI、PE等。

上述所有运动尽量采用无油、不易磨损的固体润滑，特殊区域应选择超低挥发的润滑脂进行润滑。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述装置能够有效保护激光注入窗口玻璃不被高能量、高功率脉冲激光诱导的微粒所污染，保证打靶激光的参数不会随玻璃窗口污染而发生改变，降低沉积质量、影响沉积速率、破坏镀膜一致性、保证沉积工艺的连续性、减少真空环境的更迭次数，为PLD技术中应用更高能量、更高功率激光光源打好坚实的基础，促进PLD技术长远发展。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims

1.一种激光注入窗口的保护防污装置，其特征在于，所述装置包括两个滚动支架和高透过率薄膜，利用两个滚动支架使所述高透过率薄膜连续滚动，并覆盖在激光注入窗的玻璃窗口内侧；

2.根据权利要求1所述激光注入窗口的保护防污装置，其特征在于，在所述高透过率薄膜运转过程中，两个滚动支架的滚动速率与当前薄膜卷动展平的线速度相关，以保证在污染防护区域的薄膜匀速运动为定量；

其中，两个滚动支架中未使用的卷筒一侧的主轴转动速度应逐渐变大，角加速度与薄膜卷筒半径变化对时间的导数相关。

3.根据权利要求1所述激光注入窗口的保护防污装置，其特征在于，所述高透过率薄膜卷平滚动的线速度需满足如下约束条件：

4.根据权利要求1所述激光注入窗口的保护防污装置，其特征在于，

通过对所述高透过率薄膜进行布局，优化薄膜的光斑直径，保护薄膜不受激光损伤，有效减小薄膜幅宽，将薄膜贴近窗口玻璃一侧布置，能有效阻隔游离的污染粒子通过薄膜与窗口之间的间隙附着在窗口玻璃上。

5.根据权利要求1所述激光注入窗口的保护防污装置，其特征在于，

所述高透过率薄膜的幅宽应以所需保护激光注入窗口的直径为参考，大于激光入射时所照射范围的一定倍数。

6.根据权利要求1所述激光注入窗口的保护防污装置，其特征在于，

增加滚动支架上未使用的薄膜卷筒的直径，从而增加薄膜的总体长度，延长薄膜使用时间，减少薄膜卷筒更换的次数。

7.根据权利要求1所述激光注入窗口的保护防污装置，其特征在于，

所述装置直接嵌入玻璃窗口内侧真空腔体管状结构件的中间，采用易拆卸设计，可整体简易取出，方便检修、更换耗材。