CN2408126Y - 沉积类金刚石薄膜的镀膜机 - Google Patents

Abstract

一种沉积类金刚石薄膜的镀膜机,包括壁上带有两个透光窗口的真空室,真空室内置有靶材和待沉积薄膜基底。置于真空室外有用激光器作为光源发射光束经过分束镜分成两束光,一束为消融沉积光束经第一聚焦透镜过第一透光窗口会聚到真空室内的靶材上。一束为扫描光束经反射镜,第二聚焦透镜,旋转反射镜透过第二透光窗口会聚到真空室内的基底上。具有结构简单,易于操作,获得的薄膜质量优良,均匀而牢固。

Description

沉积类金刚石薄膜的镀膜机

本实用新型是一种沉积类金刚石薄膜的镀膜机。适用于在各种基底材料上制备大面积均匀的类金刚石薄膜，在工业加工和电子半导体工业中有广泛的应用，在激光沉积制备薄膜科学研究方面也有很大的意义。

已有技术：

类金刚石薄膜因具有极高的硬度、耐磨性好、抗压强度高、耐温高、高热导等优异的物理化学特性而倍受人们的青睐。人们已用各种方法制备出类金刚石薄膜，已经初步应用在机械电子等领域。自从有利用原子态氢去除石墨的提出，以低压化学气相沉积(CVD)制备类金刚石薄膜成为可能，由此为基础发展了多种制备装置，如用热丝化学气相沉积(HFCVD-hot filament chemical vapor deposition)蒸发靶材，微波等离子体化学气相沉积(MWCVD-microwave plasma chemical vapordeposition)、以及采用电子辅助化学气相沉积(electron assistant CVD)镀膜机等。另外利用等离子体制备薄膜的镀膜机也成为一种具有很大应用前景，如激光消融沉积、直流等离子体喷射(DC arc plasma jet)在快速制备大面积的类金刚石薄膜方面已取得进展。

上述的化学气相沉积制备类金刚石薄膜需要的机器庞大，控制复杂，而已有的激光沉积制备类金刚石薄膜需要给基底材料加热，使其温度控制在300度到500度，这样才有利于类金刚石薄膜的形成，通常采用的加热装置为电阻丝加热，通过可控硅控制温度，由于制备薄膜在真空室中进行，这样就对机器的操作带来一定的困难。

本实用新型的目的为克服上述已有技术中的难题，提供一种沉积类金刚石薄膜镀膜机，解决沉积薄膜同时对基底材料进行加热的问题，比已有技术中的激光沉积制备类金刚石薄膜将具有结构简单，易于控制等特点。

本实用新型的沉积类金刚石薄膜的镀膜机包括：真空室4，真空室4壁上带有第一透光窗口401，观察窗口402，接真空系统的排气口403和第二透光窗口404。在真空室4内有置于旋转支架7上的靶材6和待沉积薄膜基底5。置于真空室4外有光轴对准真空室4壁上第一透光窗口401中心的光源1，由光源1发射的光束G经置于光源1与第一透光窗口401之间的分束镜2将光束G分成消融沉积光束G₁和扫描光束G₂两束光。由分束镜2透过的光束为消融沉积光束G₁，经置于分束镜2与第一透光窗口401之间的第一聚焦透镜3透过真空室4壁上的第一透光窗口401会聚到置于真空室4内的靶材6上。由分束镜2反射的光束为扫描光束G₂经反射镜11，第二聚焦透镜10和置于旋转镜架8上的旋转反射镜9透过真空室4壁上的第二透光窗口404会聚到置于真空室4内的待沉积薄膜基底5上。

所说的光源1是准分子激光器，或者是半导体激光器，或者是其它固体激光器，或者是其它气体激光器。

所说的置于真空室4内旋转支架6上的靶材6是由石墨构成的，或者是由超导材料构成的，或者由其它金属材料构成的。

所说的基底5是单晶硅片，或者是超导薄膜，或者是晶体石英片或者是玻璃片。

本实用新型的沉积类金刚石薄膜的镀膜机如图1所示，光源1发射的光束G通过分束镜2分成两束光，一束为扫描光束G₂，另一束为消融沉积光束G₁。消融沉积光束G₁通过聚焦透镜3会聚到旋转的靶材6上，形成片状等离子体羽，飞向待沉积薄膜基底5，在基底5上沉积，形成类金刚石薄膜。同时扫描光束G₂通过反射镜11，第二聚焦透镜10和旋转反射镜9会聚到基底5上，对基底5进行同步加热，有利于类金刚石薄膜的形成。由于旋转反射镜9是置于有电机控制的旋转镜架8上，进行摇摆转动，使扫描光束G₂在基底5上扫描，有利于大面积的类金刚石薄膜的制备，激光加热基底5所形成的温度可以有公式计算： $T(z,t)=\frac{2(1-R)P}{{\mathrm{\πa}}^2}\•\frac{\sqrt{\mathrm{kt}}}{K}\•\mathrm{erfc}[\frac{z}{2\sqrt{\mathrm{kt}}}-\mathrm{ierfc}\frac{\sqrt{z^2+a^2}}{2\sqrt{\mathrm{kt}}}]$

其中T(z，t)是半径为a的表面沿辐射中心z轴上的温度，P为光源1的辐射功率，k为热扩散率，K为热导率，t为光源1的脉冲宽度。基底5表面的温度为： $T_o=\frac{2(1-R)P}{{\mathrm{\πa}}^2}\•\frac{\mathrm{kt}}{K},$ 一般的估算表面温度在10⁴K以上，另一方面，光源1光束产生的光压也在kPa以上，这就形成了靶材6向类金刚石转变的高温和压力条件。

本实用新型的优点：

本实用新型的镀膜机采用双光束沉积类金刚石薄膜，一束用来消融沉积薄膜，一束用来沉积薄膜的同时加热基底5，获得的薄膜质量优良，均匀而牢固。其机器具有结构简单，易于控制。并由于光源1的热效应和短脉冲，对基底5材料不造成破坏。例如可以在不破坏超导薄膜的情况下，在超导薄膜表面上能够镀上一层类金刚石薄膜保护层。

附图说明：

图1是本实用新型的沉积类金刚石薄膜镀膜机的示意图

实施例：

沉积类金刚石薄膜的镀膜机如图1，光源1为308nm的XeCl准分子激光器，激光脉冲能量为210mJ，脉冲宽度为30ns，分束镜2使扫描光束G₂和消融沉积光束G₁的能量比为G₂∶G₁＝4∶6，会聚扫描光束G₂的第二聚焦透镜10焦距为50cm，而会聚消融沉积光束G₁的第一聚焦透镜焦距为20cm。扫描光束G₂照射到基底5上的光斑大小为10mm×19mm，消融沉积光束G₁照射到高纯度石墨构成的靶材6上的光斑大小为1.9mm×1.2mm。待沉积薄膜基底5和石墨靶材6的距离为3.4cm，真空室4的真空度为0.8×10^-3Pa，基底5材料为单晶硅，其表面经过激光预清洗过。当激光重复率为5次/分，当输入12000个脉冲时，沉积出了2cm×2cm厚度均匀的类金刚石薄膜，牢固而且不易被破坏。

Claims (3)

1.一种沉积类金刚石薄膜的镀膜机，包括

<1>壁上带有第一透光窗口(401)，观察窗口(402)，排气口(403)，和第二透光窗口(404)的真空室(4)；

<2>真空室(4)内有置于旋转支架(7)上的靶材(6)和待沉积薄膜基底(5)；

其特征在于：

<3>置于真空室(4)外有光轴对准真空室(4)壁上第一透光窗口(401)中心的光源(1)，由光源(1)发射的光束(G)经置于光源(1)与第一透光窗口(401)之间的分束镜(2)将光束(G)分成消融沉积光束(G₁)和扫描光束(G₂)；

<4>由分束镜(2)透过的光束为消融沉积光束(G₁)经过置于分束镜(2)与第一透光窗口(401)之间的第一聚焦透镜(3)透过第一透光窗口(401)会聚到置于真空室(1)内的靶材(6)上；

<5>由分束镜(2)反射的光束为扫描光束(G₂)，经过反射镜(11)，第二会聚透镜(10)和置于旋转镜架(8)上的旋转反射镜(9)透过第二透光窗口(404)会聚到置于真空室(4)内的待沉积薄膜基底(5)上。

2.根据权利要求1所述的沉积类金刚石薄膜的镀膜机，其特征在于所说的光源(1)是准分子激光器，或者是半导体激光器，或者是其它固体激光器，或者是其它气体激光器。

3.根据权利要求1所述的沉积类金刚石薄膜的镀膜机，其特征在于所说的靶材(6)是由石墨构成的，或者是由超导材料构成的，或者是由其它金属材料构成的。

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