CN116848286A - 提供反应室的方法、反应室和激光蒸发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种为激光蒸发系统(100)提供反应室(10)的方法，所述反应室(10)包括至少一个壁部(20)，所述壁部具有面向所述激光蒸发系统(100)的反应体积(12)的内表面(22)。另外，本发明涉及一种用于激光蒸发系统(100)的反应室(10)，所述反应室(10)包括至少一个壁部(20)，所述壁部具有包围反应体积(12)的内表面(22)。此外，本发明涉及一种包括反应室(10)的激光蒸发系统(100)。
Description
技术领域
本发明涉及一种为激光蒸发系统提供反应室的方法，所述反应室包括至少一个壁部，所述壁部具有面向所述激光蒸发系统的反应体积的内表面。另外，本发明涉及一种用于激光蒸发系统的反应室，所述反应室包括至少一个壁部，所述壁部具有包围反应体积的内表面。此外，本发明涉及一种包括反应室的激光蒸发系统。
背景技术
在诸如用于例如热激光外延(TLE)或类似应用的激光蒸发系统中，高强度激光束被引导到反应室中。在这些系统中，激光束被反应室内的反射表面(特别是金属部件)散射和反射，通常沿不可预测的方向反射。由于这些反应室通常由金属(特别是例如不锈钢)组成，并且包括光滑的、通常甚至抛光的表面，因此通常会发生所述反射。反射的激光束保持相当好的准直并保持其高强度。因此，真空室内的敏感部件有被这些反射激光束损坏的危险，特别是因为弯曲表面上的反射也可能导致反射激光束的聚焦。
上述在不可预测方向上的反射特别地发生在TLE中，当激光束熔化源表面时，源表面上的不均匀蒸发或动态不稳定性会将激光束在不希望和不可预见的方向上反射。
图1示意性地示出了在壁部20的内表面22上反射成反射激光束62的激光束60。壁部20形成激光蒸发系统100的反应室10的一部分，并且包围反应体积12。如在大多数情况下，用于壁部20的材料是金属，例如不锈钢，并且进一步地，内表面即使没有抛光也通常至少是光滑的，反射激光束62的强度至少几乎与入射激光束60的强度相同。在图1中，这种行为由表示相应激光束60、62的基本相同宽度的箭头来指示。仅一小部分入射激光束60被壁部20的材料作为吸收辐射70吸收。此外，由于壁部20和由此的内表面22通常包括弯曲形状，反射激光束62的这种高强度甚至可以额外地在某个点或区域处聚焦到反应室10内的聚焦体积中，从而导致上述严重问题。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种提供反应室的改进方法、一种改进的反应室和一种改进的激光蒸发系统，其不具有现有技术的上述缺点。具体地，本发明的目的是提供一种提供反应室的方法、一种反应室和一种激光蒸发系统，其提供激光束的减少的内反射。
上述目的通过各个独立专利权利要求来实现。具体地，所述目的通过根据权利要求1所述的提供反应室的方法、通过根据权利要求27所述的反应室、根据权利要求29所述的反应室以及通过根据权利要求30所述的激光蒸发系统来实现。从属权利要求描述本发明的优选实施例。关于根据本发明的第一方面的提供反应室的方法描述的细节和优点还涉及根据本发明的第二和第三方面的反应室以及根据本发明的第四方面的激光蒸发系统，反之亦然。
根据本发明的第一方面，所述目的通过为激光蒸发系统提供反应室的方法来实现，所述反应室包括至少一个壁部，所述壁部具有面向所述激光蒸发系统的反应体积的内表面，所述方法包括以下步骤：
a)使用所述至少一个壁部组装所述反应室，以及
b)处理得到至少一个壁部以增强所述内表面的色散反射率和/或增强所述内表面的吸收能力。
在所述激光蒸发系统中，激光束被引导到目标的表面上，特别地用于蒸发、升华和/或溅射目标的材料。为了为所述反应提供受控的反应气氛，将目标布置在反应室内，其中反应室在其反应体积中保持特定的反应气氛或者其中反应室被抽空。根据本发明的方法可以用于为激光蒸发系统提供这种反应室。
具体地，由根据本发明的方法提供的所述反应室包括具有内表面的至少一个壁部，所述内表面面向所述激光蒸发系统的反应体积。在所述激光蒸发系统的操作期间，该内表面可以被激光束击中并且可以发生激光束的反射。
在根据本发明的方法的步骤a)中，组装所述反应室。在该组装过程中使用所述至少一个壁部。根据本发明组装反应室包括例如使用包括所述至少一个壁部的多组件来安装反应室，而且还包括从固体铣削反应室并在铣削的同时形成所述至少一个壁部。
向反应室添加凸缘、保持结构等也可以在根据本发明的方法的所述第一步骤a)期间完成，但不是必须包括的。
总之，在根据本发明的方法的步骤a)之后，在反应体积方面完成所述反应室。换言之，在根据本发明的方法的步骤a)之后，反应体积基本上由腔室壁限定，其中所述至少一个壁部形成所述腔室壁的一部分。
在根据本发明的方法的步骤b)中，对所述至少一个壁部进行特定处理。所述处理提供了所述内表面的色散反射率和/或所述内表面的吸收能力的增强。如下文所指出的，这两种措施单独地或以组合的方式降低了在经处理的内表面上反射的激光束的强度。
如上所述，在所述内表面上反射的激光可能损害布置在所述反应体积内的敏感元件，例如传感器元件、保持结构和/或致动器元件。甚至可能损坏反应室本身和/或如腔室窗口和凸缘等部件。这些危险尤其是由于激光蒸发系统中使用的激光束的高强度以及另外可能无意地聚焦反射的激光束而引起的。
通过提高色散反射率，扩大了反射激光束的角展度。换句话说，反射的激光束不太准直，并且反射分布在较大的立体角上。从而降低了反射激光束的空间强度，并且因此减少了损害反应室内的结构和/或反应室本身的危险。
替代地或附加地，还可以增强内表面的吸收能力。通过增强内表面的这一特性，撞击到内表面上的激光束的被至少一个壁部的材料吸收的部分增大。换句话说，反射激光束的强度减弱了至少一个壁部的材料吸收的能量的量。由于反射激光束的强度较小，因此损害反应室内的结构和/或反应室本身的危险也降低。
优选地，根据本发明的方法可以包括：步骤b)至少部分地在步骤a)之前和/或与步骤a)同时进行。换句话说，至少一个壁部的处理可以在反应室的实际组装之前和/或期间进行。如果在组装反应室之后难以到达所述至少一个壁部而进行特定处理，则这可以是特别有利的。此外，可以容易地提供具有不同处理的多个壁部，并且因此可以提供在激光蒸发系统的操作期间针对假定的应力来定制反应室。
另外，根据本发明的方法的独特之处可以在于，在步骤b)中对至少一个壁部的处理包括增强内表面的粗糙度。如上所述，在未经处理的情况下，所述至少一个壁部的内表面即使没有抛光也常常是光滑的。通过提高内表面的粗糙度，可以容易地提供色散反射率的提高。粗糙的内表面以更加漫射的方式反射入射激光束，并且特别地可以避免反射激光的附加聚焦效应。
具体地，根据本发明的方法可以通过经由内表面的至少喷砂和/或至少喷珠来增强内表面的粗糙度来改进。在喷砂过程中，小颗粒，例如砂粒，优选地金刚砂(Al2O3)，或玻璃颗粒，以高速冲击到喷砂表面上。受到冲击时，会发生磨损，并且此外表面也会变得粗糙。使用沙子或金刚砂进行喷砂处理会比使用玻璃产生更强的磨损。因此，可以针对至少一个壁部的材料和/或通过喷砂处理实现的粗糙度来选择用于喷砂处理的最合适的颗粒。
在进一步的改进中，根据本发明的方法可以包括使用尺寸在90μm与150μm之间的珠粒，特别是玻璃珠粒和/或金刚砂珠粒(Al2O3)来进行喷珠。在用于处理所述至少一个壁部的内表面的喷砂工艺中使用的尺寸在90μm与150μm之间的珠粒，特别是玻璃珠粒或金刚砂珠粒，特别适用于产生足够的内表面粗糙度，以便确保入射激光的色散反射。应注意，金刚砂颗粒也是本发明范围内的金刚砂珠粒。
附加地或替代地，根据本发明的方法的独特之处可以在于，步骤b)中对所述至少一个壁部的处理包括用吸收层涂覆所述内表面。所述吸收层包括提供吸收来自入射激光束的能量的能力的材料，所述能力比所述至少一个壁部的基体(bulk)的普通材料更高。因此，总之，可以增强所述内表面的吸收能力，所述内表面包括被吸收层涂覆并因此覆盖的所述至少一个壁部的基体材料。撞击在内表面上的激光束的能量被吸收层吸收并连续地传递到所述至少一个壁部的基体材料中。总之，可以减弱反射激光束的强度。
优选地，可以通过吸收层形成为所述至少一个壁部的材料与反应流体的材料的反应产物来改进根据本发明的方法。在该优选实施例中，所述至少一个壁部的材料提供用于形成吸收层的基本材料。对于实际的涂覆，使所述至少一个壁部的内表面与反应流体接触。所述至少一个壁部和反应流体的相应材料彼此反应并形成吸收层。由于所述至少一个壁部在整个内表面上提供其各自的材料，因此内表面的完全浸浴或暴露同样确保以特别可行且容易的方式用吸收层完全涂覆内表面。此外，由于吸收层形成为来自所述至少一个壁部的材料的反应产物，因此吸收层到所述至少一个壁部的剩余基体材料上之间的固定非常强。
根据依据本发明的方法的进一步改进，反应流体包含氧并且吸收层是所述至少一个壁部的材料的氧化物。与纯材料相比，相应材料的氧化物通常具有比纯材料更高的吸收值。对于金属来说尤其如此，而金属通常用作构建反应室的材料。通过使用含氧的反应流体，可以容易地提供氧化物的形成作为内表面的涂层并因此作为吸收层。
优选地，可以通过反应流体包含分子氧(O2)和/或氧等离子体和/或臭氧(O3)来进一步改进根据本发明的方法。分子氧(O2)和/或氧等离子体和/或臭氧(O3)在与其他材料(特别是金属)形成氧化物方面都非常具有反应性。通过提供分子氧(O2)和/或氧等离子体和/或臭氧(O3)作为反应流体的一部分，可以增强作为吸收层的氧化物的形成，特别是与其中提供结合在任何类型的分子中的氧的其他反应流体相比。
在根据本发明的方法的特别优选的改进中，反应流体由分子氧(O2)和/或氧等离子体和/或臭氧(O3)组成。如上所述，分子氧(O2)和/或氧等离子体和/或臭氧(O3)在与其他材料(特别是金属)形成氧化物方面都非常具有反应性。由分子氧(O2)和/或氧等离子体和/或臭氧(O3)组成的反应流体不包含其他组分。因此，可以进一步增强作为吸收层的氧化物的形成，特别是当所述至少一个壁部的材料与反应流体的其他组分的任何其他反应变得不可能时。
根据本发明方法的进一步改进的实施例，反应流体包含体积比为9:1的分子氧(O2)和臭氧(O3)。对于在基底上生长的特殊层，在激光蒸发系统中使用氧化反应气氛，特别是在待生长的层是由入射激光束蒸发、升华和/或溅射的材料的氧化物的情况下。对于所述反应气氛，可以使用强氧化反应气氛，特别是包含关于成分各自的体积以9:1的比例的分子氧(O2)和臭氧(O3)或由该比例的分子氧(O2)和臭氧(O3)组成的气态流体。通过在根据本发明的方法的过程中还使用比例为9:1的分子氧(O2)和臭氧(O3)作为反应流体，该混合物的强氧化特征也可以用于确保形成作为吸收层的氧化物涂覆在所述至少一个壁部的内表面上。此外，使用纯分子氧(O2)作为主要材料，可以通过标准臭氧发生器、特别是辉光放电臭氧发生器容易地产生所述9:1的体积比。
优选地，根据本发明的方法可以包括在步骤a)之后进行内表面的涂覆并且包括用反应流体填满反应体积。在步骤a)完成后，反应室完全组装。换句话说，反应体积被壁包围并且可以针对周围环境进行密闭和密封。这允许将反应流体填充到反应体积中，由此，由于反应室的密闭和密封，反应流体保持包含在反应体积内。一方面，这确保了反应流体到达待涂覆的内表面并保持与所述内表面接触。另一方面，可以防止反应流体泄漏和/或排放到周围环境中，并且因此防止反应流体对周围环境的所有伴随的有害影响。
特别地，可以通过反应流体、特别是气态反应流体完全填充反应体积来进一步改进根据本发明的方法。通过用反应流体完全填充反应体积，可以容易地确保浸浴待涂覆的所述至少一个壁部的内表面。所述完全填充特别适合于气态反应流体。例如，可以首先将反应室抽空，然后用反应流体填充反应室。由此可以确保仅用纯反应流体填充反应室。
替代地，根据本发明的方法的独特之处可以在于，反应体积用反应流体、特别是液体反应流体部分地填充，特别是填充小于50％、优选地填充小于10％，并且优选地其中，内表面的涂覆包括移动反应室以用反应流体浸浴整个内表面。用反应流体仅部分地、特别是以小于50％、优选地以小于10％填充反应体积减少了内表面涂覆所需的反应流体的量。这特别适用于作为反应流体的液体，因为液体通过重力保持在反应室的底部部分。
如上所述，液体反应流体由于重力而倾向于停留在反应体积的底部。如果在将反应流体填充到反应室中之后待涂覆的内表面已经用液体反应流体浸浴，则这不会造成问题。然而，移动反应室可以确保内表面的其他部分、特别是反应室的完整的内表面也用反应流体浸浴。因此，可以为待涂覆的内表面的所有区域提供用于形成作为吸收层的氧化物的反应流体与所述至少一个壁部的基体材料的反应。总之，利用根据本发明的方法的该特定实施例，可以分别仅部分地和完全地涂覆反应体积的壁。
另外，根据本发明的方法可以包括通过激光、特别是通过激光蒸发系统的激光加热目标材料，同时用反应流体填满反应体积。除了以至少一个壁部的材料和反应流体的纯氧化物形成涂层之外，通过激光蒸发、升华和/或溅射的相应加热目标的材料也可以被实施到吸收层中。由此，可以选择性地操纵吸收层的性质，并且因此可以特定定制内表面上的涂层作为吸收层。
根据本发明的方法的另一个优选实施例，在步骤a)中提供反应室包括选择用于反应壁的材料，其包括热导率>50Wm-1K-1、优选地>200Wm-1K-1。换句话说，选择具有良好甚至高的热导率的材料，特别是与不锈钢相比，不锈钢的热导率约为15至40Wm-1K-1。具体地，铝和铝合金(热导率为约75至237Wm-1K-1)和/或铜和铜合金(热导率为约50至401Wm-1K-1)是用作根据本发明的方法的该实施例中的所述反应室的所述至少一个壁部的材料的示例性材料。具有高热导率的材料可以有效地传播从入射激光束吸收的能量。由此可以避免或至少显著降低激光束撞击在内表面上的区域处的高温以及伴随的损坏内表面的危险。
具体地，可以通过在步骤a)中选择铝或铝合金、特别是铝合金60826或6082T6或ENAW-5083作为用于所述至少一个壁部的材料来改进根据本发明的方法。如上所述，铝或上述铝合金具有从75到237Wm-1K-1的热导率。因此，使用铝或铝合金确保了有效地传播入射激光束的吸收能量的上述优点。
在本文中，使用铝或铝合金作为所述至少一个壁部的材料具有额外的优点，即为了使内表面粗糙化，金刚砂珠粒是喷砂介质的最优选选择，并且因为金刚砂是铝的氧化物。因此，通过使用高纯度金刚砂，喷砂过程将不会将额外的元素引入反应室的内表面。这允许经处理的反应室产生高纯度真空，并且最大限度地减少来自反应室壁的可能的污染物被引入到反应室中沉积的层中，因为内表面处仅存在铝和氧。通过将反应室的内表面暴露于氧和/或氧等离子体和/或臭氧而形成的氧化铝具有与喷砂介质相同的化学成分，并且非常坚硬，具有非常高的熔点、非常低的蒸气压以及对可能扩散出金属室主体的其他分子的低渗透性。
此外，根据本发明的方法可以包括：选择所述至少一个壁部使得其至少部分地包括>1cm的厚度、优选地>4cm的厚度。除了由用于所述至少一个壁部材的料提供的高导热性之外，>1cm、优选地>4cm的厚度确保能量可以在大体积上传播。因此，所述壁厚度优选地设置在激光束的假定撞击位置处。由此可以更容易地避免在激光束撞击到内表面上的位置区域处的高温以及伴随的损坏内表面的危险。另外，这种厚壁部可以例如通过使用铝或铝合金来提供，因为铝及其合金的密度明显低于例如不锈钢的密度。因此，通过使用铝或铝合金作为所述至少一个壁部的材料，尽管壁厚度增大，但反应室的重量仍然是可控的。
优选地，通过所述至少一个壁部选择成具有>1cm的连续厚度、优选地>4cm的连续厚度来进一步改进根据本发明的方法。换句话说，所述至少一个壁部在其整个范围内包括所述扩大的厚度。由此用于吸收的能量扩散的体积可以扩大，并且因此使由吸收的能量引起的总体温度升高最小化。
根据本发明的方法的另一实施例可以包括，反应室设置有用于主动冷却所述至少一个壁部的冷却装置。如上所述，由所述至少一个壁部吸收的能量可导致温度升高，特别是在激光束撞击到所述至少一个壁部的内表面上的实际位置处。由冷却装置提供的主动冷却可以用于将该能量传输走，例如传输至距离反应室任意远的散热器。因此，可以降低内表面的温度，并且可以避免由吸收的能量引起的任何伤害。优选地，主动冷却装置包括用于监测冷却的传感器元件，例如用于由冷却装置提供的主动冷却的闭环控制。由此可以提供所述至少一个壁部和/或其内表面的受控的、特别是恒定的温度。
在上述根据本发明的方法的实施例的第一改进方案中，所述方法可以包括在反应室的组装期间在步骤a)之前和/或在步骤a)中提供冷却装置。换句话说，冷却装置可以独立于反应室作为整体的实际组件来组装和/或制造。特别地，所述至少一个壁部可以已经设置有冷却装置。例如，可以提供分别设置有包括单独冷却能力的不同冷却装置的所述至少一个壁部的不同方案，并且相应地针对实际反应室和/或激光蒸发系统的具体要求进行选择。
在替代性或额外的改进方案中，根据本发明的方法的独特之处可以在于，在步骤b)中提供冷却装置作为所述至少一个壁部的处理，以用于增强内表面的吸收能力。换句话说，在此实施例中，冷却装置是在反应室作为整体组装之后组装和/或制造的。特别地，甚至可以首先识别激光束撞击到所述至少一个壁部的内表面上的位置，并且将冷却装置顺序地布置在所述识别的位置处。这种方法允许在最需要的位置处专门地提供冷却装置。由此可以提供所述至少一个壁部的特别良好的冷却。
此外，可以通过冷却装置包括用于液体和/或气体冷却剂的冷却管道来改进根据本发明的方法。冷却管道例如可以由布置在所述至少一个壁部的外表面处和/或内部的管路提供。冷却剂在冷却管道内流动，热能从所述至少一个壁部的材料传递到冷却剂中并由此被传送离开所述至少一个壁部。由此可以提供所述至少一个壁部的特别容易的冷却。
优选地，根据本发明的方法还可以包括：冷却管道适用水作为冷却剂。水是众所周知的冷却剂，由于其高热容和高导热性，具有优秀的吸收能量的能力。因此，通过使用水作为冷却剂可以进一步改善对所述至少一个壁部的冷却。
根据本发明的方法的优选实施例，冷却管道布置在反应室的所述至少一个壁部内。在此实施例中，所述至少一个壁部的壁厚度足够大以便将冷却管道直接布置在所述至少一个壁部内。由此可以提供在内表面附近并且因此在激光束的撞击位置附近的冷却管道的布置。因此，可以进一步改善由流过冷却管道的冷却剂提供的冷却。
应注意，设置有特别连续的>1cm、优选地>4cm厚度的壁部的前述实施例足以将冷却管道布置在所述至少一个壁部内。具有所述厚度和可控重量的壁部可以例如通过使用铝或铝合金作为用于所述至少一个壁部的材料来提供。
另外，根据本发明的方法可以通过如下方式进一步改进：将冷却装置布置在所述至少一个壁部处、在激光蒸发系统的操作期间预期激光辐射撞击在壁部的内表面上的位置处。换句话说，冷却装置被精确地布置在反应室的、在激光蒸发系统的操作期间施加能量的可能性最高的位置处。由此对抗在到所述至少一个壁部的内表面上的激光束的这些预期撞击位置处沉积的能量可以以最合适的方式提供。
根据本发明的第二方面，所述目的通过用于激光蒸发系统的反应室来实现，所述反应室包括至少一个壁部，所述至少一个壁部具有包围反应体积的内表面。根据本发明的第二方面的反应室的独特之处在于，所述反应室是通过应用根据本发明的第一方面的方法而提供的。
根据本发明第二方面的反应室可以用于激光蒸发系统的操作。由于通过应用根据本发明的第一方面的方法来提供根据本发明的第二方面的反应室，因此，通过应用根据本发明的第一方面的方法所提供的根据本发明的第二方面的反应室也可以提供上述关于根据本发明的第一方面的方法的所有特征和优点。
具体地，根据本发明的第二方面的反应室包括至少一个壁部，所述至少一个壁部具有面向反应室的反应体积的内表面。在应用根据本发明的第一方面的方法来提供所述反应室的过程中，所述至少一个壁部被处理以便增强内表面的色散反射率和/或增强内表面的吸收能力。所述处理提供了内表面的色散反射率和/或内表面的吸收能力的增强。如上文关于根据本发明的第一方面的方法所指出的，这两种措施单独地或组合地减少在经处理内表面上反射的激光束的强度。
根据依据本发明的第二方面的反应室的优选实施例，反应室包括在根据本发明的第一方面的方法的步骤b)中处理的两个或更多个壁部，特别地其中，反应室至少基本上由根据本发明的第一方面的方法的步骤b)中处理的壁部组成。换句话说，对由两个或更多个壁部提供的、包围反应体积的反应室的表面的扩大区域进行处理，以便增强内表面的色散反射率和/或增强内表面的吸收能力。优选地，所述扩大区域至少基本上形成包围反应体积的反应室的完整表面，仅排除附加元件，例如腔室窗口。由此，可以改进并且特别是最大化反射激光束的强度的降低。因此，可以进一步减少损害反应室内的结构和/或反应室本身的危险。
根据本发明的第三方面，所述目的通过用于激光蒸发系统的反应室来实现，其任选地可使用根据本发明的第一方面的方法获得，所述反应室包括具有包围反应体积的内表面的至少一个壁部，所述至少一个壁部由铝、铝合金、铝合金60826、铝合金6082T6和铝合金ENAW-5083中的一者形成，所述内表面具有在1μm至500μm的范围内选择的平均表面粗糙度和/或内表面涂覆有氧化物层，特别地包含Al2O3、优选地由Al2O3组成，其中氧化物层的厚度在10nm至10μm的范围内选择。
根据本发明的第三方面的反应室旨在用在激光蒸发系统中。如上所述，在这种激光蒸发系统中，激光束可以撞击包围反应体积的表面并在该表面上反射，由此反射的激光束可能损害布置在反应体积内的敏感元件，例如传感器元件、保持结构和/或致动器元件。甚至可能损坏反应室本身和/或如腔室窗口和凸缘等部件。所述伤害危险是由于反射激光束的强度仍然较高，其甚至可能通过聚焦效应来增强。
为了避免上述危害危险，根据本发明的第三方面的反应室可以包括以下具体结构特征中的一者或两者。
具体地，根据本发明的第三方面的反应室的至少一个壁部的内表面可以包括在1μm至500μm的范围内选择的平均表面粗糙度。通过将内表面的粗糙度设置在1μm至500μm的范围内，能够容易地实现色散反射率的增强。
如果平均表面粗糙度变低，所产生的色散反射率就会变得不太明显，并且在平均表面粗糙度小于1μm时，这种影响可以忽略不计。对于红外激光器尤其如此，因为所使用的激光束的波长也落入这个长度范围内。
另一方面，如果平均表面粗糙度与激光束的光束直径相当，则光束将不会被分成多个小光束，而是在每个单独的小平面上作为整体进行反射。研究发现，平均表面粗糙度大于500μm时，这种效应占主导地位。
总之，粗糙的内表面以更漫射的方式反射入射激光束。因此，反射激光束的强度被分散到更大的体积中。此外，可以避免反射激光的额外聚焦效应。
使用金刚砂珠粒的喷砂工艺来制备所述至少一个壁部的粗糙表面，金刚砂是高纯度Al2O3，可以最小化或避免内表面与除了铝和氧之外的元素的交叉污染。这导致内腔室表面具有最小的排气率，因此具有出色的真空性能。
另外或作为替代，根据本发明的第三方面的反应室的至少一个壁部的内表面可以涂覆有氧化物层，特别地包含Al2O3，优选地由Al2O3组成，其中氧化物层的厚度在10nm至10μm的范围内选择。
氧化物层提供了与至少一个壁部的普通材料相比更高的吸收来自入射激光束的能量的能力，特别是对于超过数μm波长的长波长辐射。由于如下所述的普通材料包含铝或铝合金、优选地由铝或铝合金组成，因此氧化物层至少包含Al2O3或由其组成。
可以通过涂覆所述至少一个壁部的普通材料来增强内表面的吸收能力，其因此被形成涂层的氧化物层所覆盖。10nm的氧化层的厚度值的低端点确保了上述吸收的增强，10μm的高端点防止了对上述增强的内表面的粗糙度的不利影响。
总之，撞击在内表面上的激光束的能量被氧化物层吸收并连续地转移到所述至少一个壁部的基体材料中。因此，可以减弱反射激光束的强度。
通常，所述至少一个壁部由铝、铝合金、铝合金60826、铝合金6082T6和铝合金ENAW-5083中的一者形成。铝或上述铝合金具有从75至237Wm-1K-1的热导率。具有高热导率的材料允许以快速、高效且有效的方式将从入射激光束吸收的能量传播到所述至少一个壁部的大体积上。由此可以避免或至少显著降低激光束撞击到内表面上的位置区域处的高温以及伴随的损坏内表面的危险。
另外，使用铝或铝合金来形成所述至少一个壁部允许提供>1cm、特别是>4cm的壁厚度。这种厚壁例如为从入射激光吸收的能量提供了更大的体积。另外，冷却装置的冷却管道可以布置在厚壁内，优选地布置在所述内表面附近并且因此布置在激光束的撞击位置附近。由此可以提供特别好的冷却。
根据本发明的第四方面，所述目的通过包括根据本发明的第二或第三方面构造的反应室的激光蒸发系统来实现。由于反应室根据本发明的第二或第三方面构造，所以上文关于根据本发明的第二或第三方面的所述反应室描述的所有特征和优点也可以由根据本发明的第四方面的激光蒸发系统来提供。
附图说明
下文参考附图中所示的实施例进一步描述本发明。附图中示出：
图1示出根据现有技术的激光蒸发系统，
图2示出根据本发明的激光蒸发系统的具有增强的表面粗糙度的壁部，
图3示出根据本发明的激光蒸发系统的具有吸收层的壁部，
图4示出根据本发明的激光蒸发系统的具有不同热导率的两个壁部，
图5示出根据本发明的激光蒸发系统的具有冷却装置的壁部，以及
图6示出根据本发明的激光蒸发系统。
具体实施方式
图2示意性地示出了在壁部20的内表面22上反射成多个反射激光束62的激光束60。壁部20形成根据本发明的激光蒸发系统100的根据本发明的反应室10的一部分，并且包围反应体积12。与图1所示的情况相反，内表面22在根据本发明的方法的过程中被处理。具体地，在根据本发明的所述方法的步骤b)中，内表面22的粗糙度30增加。
内表面22的所述处理可以例如包括对内表面22进行喷砂和/或喷珠，特别是使用尺寸在90μm与150μm之间的珠粒，例如金刚砂珠粒和/或玻璃珠粒。由此，能够提供在1μm至500μm的范围内选择的平均表面粗糙度30。
如图2中清楚可见，通过提供内表面22的放大的粗糙度30，可以增强由代表反射激光束62并在任意方向上出现的多个较小箭头描绘的入射激光束60的色散反射。仅一小部分入射激光束60被壁部20作为吸收辐射70吸收。
通过提高色散反射率，反射激光束62的角展度变大。换句话说，反射激光束62不太准直，并且反射在反应体积12内分布在较大的立体角上。由此，反射激光束62的空间强度下降，并且因此可以减少损害反应室10内的激光蒸发系统100的结构和/或反应室10本身的危险。
在图3中，描绘了在根据本发明的方法的步骤b)的过程中对至少一个壁部20的内表面22进行替代或附加处理的结果。再次，壁部形成根据本发明的激光蒸发系统100的根据本发明的反应室10的一部分。
这里，内表面22被涂覆有吸收层40。由此，入射激光束60的能量的较大部分被壁部20作为吸收辐射70吸收，并且因此反射激光束62的强度被减弱，如图3中示出反射激光束62的较小箭头所示。
优选地，吸收层40被形成为反应流体与壁部20的基体材料的反应产物。优选地，反应流体含有氧并且反应产物是氧化物。这可以通过使用包含分子氧(O2)和/或臭氧(O3)(优选地体积比为9:1)、特别是由其组成的反应流体来容易地确保。
为了形成吸收层，可以用反应流体填充预组装的反应室10。取决于反应流体(液态或气态)的状态，填充可以是完全的或仅部分地，例如小于50％或小于10％，由此仅部分地填充反应室10通常需要额外移动反应室10，以便确保用反应流体完全浸浴壁部20的内表面22。吸收层40的进一步定制可以通过在反应室10填充有反应流体的同时用激光束另外加热虚拟目标来提供。
吸收的辐射70扩散到壁部20的基体材料中，由吸收层40和壁部20内的摆动箭头70所示。为了以最有效的方式传播吸收的辐射70，可以为壁部选择具有高热导率的材料，也参见图4。这种材料例如是铝或铝合金。在这种情况下，吸收层40是铝的氧化物，特别是Al2O3。作为氧化物层的厚度，已经发现10nm至10μm的范围是有利的。
用于壁部20的材料的热导率的影响在图4中描绘。在左图中，示出了具有较小热导率的壁部20，在右图中示出了具有较大热导率的壁部。清楚可见的是，在较小的热导率的情况下，吸收的辐射70的能量局部地停留在激光束60的撞击位置处，并且因此可能局部地导致严重的温度升高。这甚至可能损坏壁部20本身。另一方面，例如由热导率高达>200Wm-1K-1的铝或铝合金构成的高热导率有助于将吸收的辐射70的能量散布在壁部20内的较大体积上，并且因此减少了损害反应室10和/或其部件的危险。
图5中示出了用于降低壁部20的块体中由吸收入射激光束60的部分引起的热应力的另一种可能性，即提供冷却装置50。这些冷却装置50优选地包括液体和/或气体冷却剂54，特别是水，其在冷却管道52中流动。吸收的辐射70在壁部20的块体中传播并且再次被吸收并且随后被冷却管道52中的冷却剂54带走。这些冷却装置50可以在组装反应室10之前已经布置在相应的壁部20中，而且也可以在组装期间或者甚至在组装之后布置在相应的壁部中。
如果壁部20的壁厚度足够大，则冷却管道52可以布置在壁部20内，特别是在激光蒸发系统100的操作期间预计将有入射激光束60的位置附近。具体地，通过使用铝或铝合金作为壁部20的材料，可以容易地提供>1cm或甚至>4cm的足够壁厚度，同时仍然保持反应室10的可控制的重量。
优选地，代替图5所示的U形，冷却管道52可形成V形，其由彼此成一定角度且与至少一个壁部20的表面成一定角度的两个直孔组成。这种构造特别容易制造，因为只需要钻两个短的直孔，并在它们的底端相交。另外，冷却剂54在所述V形冷却管道52的尖端处的大角度反射在所述区域中产生紊流，在冷却剂-金属界面附近具有对应的薄层流层，从而增强了热传递。V形冷却管道52还允许在靠近反应室10的至少一个壁部20的具有高入射激光功率密度的区域的所述V形的尖端处特别容易地应用局部冷却。
图6示意性地示出了根据本发明的激光蒸发系统100，特别是其根据本发明的反应室10，以及馈送到反应室10中的激光束60。反应室10由多个壁部20组成，其中描绘了两个壁部20。壁部20由铝组成并且包括>4cm的壁厚度。
两个壁部20的内表面22涂覆有吸收层40，特别是氧化物Al2O3，其中吸收层40的厚度在10nm至10μm之间。此外，内表面22具有增强的平均表面粗糙度30，特别是在1μm至500μm之间。
在壁部20之一中，描绘了示例性冷却装置50，特别是包括用于液体和/或气体冷却剂54流动的冷却管道52。然而，这种冷却装置50也可以布置在整个反应室10的其他位置处。
作为上述措施的结果，入射激光束60仅被漫反射成多个反射激光束62，每个反射激光束具有较低强度。此外，入射激光束60的放大部分也被吸收，特别是被吸收层40吸收由于铝的高导热性，吸收的辐射70在壁部20的块体内传播，并且最终被冷却装置50的冷却剂54带走。
总之，在根据本发明的包括通过根据本发明的方法提供的根据本发明的反应室10的激光蒸发系统100中，由于高强度激光束60的冲击而损害反应室10内的结构和/或反应室10本身的危险被减小。
附图标记
10反应室
12反应体积
20壁部
22内表面
30粗糙度
40吸收层
50冷却装置
52冷却管道
54冷却剂
60激光束
62反射激光束
70吸收辐射
100激光蒸发系统。
Claims (30)
1.一种为激光蒸发系统(100)提供反应室(10)的方法，所述反应室(10)包括至少一个壁部(20)，所述壁部具有面向所述激光蒸发系统(100)的反应体积(12)的内表面(22)，所述方法包括以下步骤：
a)使用所述至少一个壁部(20)来组装所述反应室(10)，以及
b)处理所述至少一个壁部(20)以增强所述内表面(22)的色散反射率和/或增强所述内表面(22)的吸收能力。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中步骤b)至少部分地在步骤a)之前和/或相对于所述步骤a)同时进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中在步骤b)中对所述至少一个壁部(20)的所述处理包括增强所述内表面(22)的粗糙度(30)。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中所述内表面(22)的粗糙度(30)的增强包括所述内表面(22)的喷砂和/或喷珠。
5.根据权利要求4所述的方法，
其中尺寸在90μm与150μm之间的珠粒、特别是玻璃珠粒和/或金刚砂(Al2O3)珠粒用于所述喷砂。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其中在步骤b)中对所述至少一个壁部(20)的所述处理包括用吸收层(40)涂覆所述内表面(22)。
7.根据权利要求6所述的方法，
其中所述吸收层(40)形成为所述至少一个壁部(20)的材料与反应流体的材料的反应产物。
8.根据权利要求7所述的方法，
其中所述反应流体含有氧并且所述吸收层(40)是所述至少一个壁部(20)的材料的氧化物。
9.根据权利要求8所述的方法，
其中所述反应流体包括分子氧(O2)和/或氧等离子体和/或臭氧(O3)。
10.根据权利要求9所述的方法，
其中所述反应流体由分子氧(O2)和/或氧等离子体和/或臭氧(O3)组成。
11.根据权利要求9或10所述的方法，
其中所述反应流体包含体积比为9:1的分子氧(O2)和臭氧(O3)。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，
其中所述内表面(22)的涂覆在步骤a)之后进行并且包括用所述反应流体填充所述反应体积(12)。
13.根据权利要求12所述的方法，
其中所述反应体积(12)用所述反应流体、特别是气态反应流体完全填充。
14.根据权利要求12所述的方法，
其中所述反应体积(12)用所述反应流体、特别是液体反应流体部分地填充，特别是填充小于50％、优选地填充小于10％，并且优选地其中所述内表面(22)的涂覆包括移动所述反应室(10)以用所述反应流体浸浴整个所述内表面(22)。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，
其中通过激光、特别是通过所述激光蒸发系统(100)的激光加热目标材料，同时用所述反应流体填满所述反应体积(12)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其中在步骤a)中提供所述反应室(10)包括选择用于所述反应壁的材料，所述材料包括>50Wm-1K-1、优选地>200Wm-1K-1的热导率。
17.根据权利要求16所述的方法，
其中在步骤a)中选择铝或铝合金、特别是铝合金60826或6082T6或ENAW-5083作为用于所述至少一个壁部(20)的材料。
18.根据权利要求16或17所述的方法，
其中选择所述至少一个壁部(20)，使得其至少部分地包括>1cm的厚度、优选地>4cm的厚度。
19.根据权利要求18所述的方法，
其中选择所述至少一个壁部(20)以具有>1cm的连续厚度、优选地>4cm的连续厚度。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其中所述反应室(10)设置有用于主动冷却所述至少一个壁部(20)的冷却装置(50)。
21.根据权利要求20所述的方法，
其中在所述反应室(10)的组装期间在步骤a)之前和/或在步骤a)中提供所述冷却装置(50)。
22.根据权利要求20或21所述的方法，
其中在步骤b)中提供所述冷却装置(50)作为对所述至少一个壁部(20)的处理以增强所述内表面(22)的吸收能力
23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，
其中所述冷却装置(50)包括用于液体和/或气体冷却剂(54)的冷却管道(52)。
24.根据权利要求23所述的方法，
其中所述冷却管道(52)适合用水作为冷却剂(54)。
25.根据权利要求23或24所述的方法，
其中所述冷却管道(52)被布置在所述反应室(10)的所述至少一个壁部(20)内。
26.根据权利要求20至24中任一项所述的方法，
其中所述冷却装置(50)被布置在所述至少一个壁部(20)处、在所述激光蒸发系统(100)的操作期间预期激光辐射撞击在所述壁部(20)的内表面(22)上的位置处。
27.一种用于激光蒸发系统(100)的反应室(10)，所述反应室(10)包括至少一个壁部(20)，所述壁部具有包围反应体积(12)的内表面(22)，
其中通过应用根据前述权利要求中任一项所述的方法来提供所述反应室(10)。
28.根据权利要求27所述的反应室(10)，
其中所述反应室(10)包括在根据前述权利要求1至26中任一项所述的方法的步骤b)中处理的两个或更多个壁部(20)，特别地，其中所述反应室(10)至少基本上由在根据前述权利要求1至26中任一项所述的方法的步骤b)中处理的壁部(20)组成。
29.一种用于激光蒸发系统(100)的反应室(10)，其可选地可使用根据权利要求1至26中任一项所述的方法获得，所述反应室(10)包括具有包围反应体积(12)的内表面(22)的至少一个壁部(20)，所述至少一个壁部(20)由铝、铝合金、铝合金60826、铝合金6082T6和铝合金ENAW-5083中的一者形成，所述内表面(22)具有在1μm至500μm的范围内选择的平均表面粗糙度(30)和/或所述内表面(22)涂覆有氧化物层，所述氧化物层特别地包含Al2O3，优选地由Al2O3组成，其中所述氧化物层的厚度在10nm至10μm的范围内选择。
30.一种激光蒸发系统(100)，其包括根据权利要求27至29中任一项构造的反应室(10)。
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