[发明专利]激光沉积薄膜制备装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工，尤其涉及一种激光沉积薄膜制备装置。

背景技术

脉冲激光沉积(PLD)由于激光的能量密度高以及良好的可控性，是制备高质量薄膜的方法之一，但其最大的缺点是激光轰击靶材时，斑点处射出的羽辉不仅含有离子和原子，还有导致薄膜质量劣化的液滴、碎片等大颗粒，从而容易在薄膜制备的过程中嵌设有这些大颗粒，大大降低制备后薄膜的质量。

为改善上述薄膜质量，目前具有以下几种解决方案：(a)采用超短脉冲激光，其属于冷加工范畴，可减少羽辉中的大颗粒，但这种激光器的价格非常昂贵，薄膜制备成本较高；(b)使用高密度的靶材，每个脉冲轰击下靶材飞溅出的靶材物质少，可以比较充分电离，但这个方案对靶材的制作工艺要求很高，有些材料难以制成高密度的靶材；(c)通过改变环境气压改善薄膜的质量，可以增大离子原子的碰撞几率，增强扩散作用，但羽辉中的大颗粒由于质量大，速度快，难以通过碰撞而改变方向，仍然会撞击薄膜或嵌入在薄膜中形成了薄膜的组成部分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光沉积薄膜制备装置，旨在用于解决现有的激光薄膜制备装置中薄膜内容易嵌设有大颗粒碎片，造成薄膜质量不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种激光沉积薄膜制备装置，包括用于发射脉冲激光束的激光发射器以及可充入气体以维持压强恒定的腔室，于所述腔室内设置有供所述激光发射器发出的激光束轰击的靶材以及用于接收所述靶材激光轰击后产生的等离子体羽辉以沉积形成薄膜的基底，于所述靶材与所述基底之间沿所述靶材至所述基底的方向依次间隔设置有用于阻挡所述羽辉内的大颗粒的至少两层栅栏结构，每一所述栅栏结构均包括用于阻挡所述羽辉大颗粒的挡板以及开设于所述挡板上且间隔设置用于供所述羽辉中离子以及原子通过的若干栅栏口，且相邻两所述栅栏结构的各所述栅栏口均错开设置。

进一步地，所述激光发射器与所述靶材之间设置有用于将所述激光束整形为长条形激光斑的整形器，每一所述栅栏结构的各所述栅栏口均呈长条形且其长度延伸方向与所述靶材上的所述长条形激光斑的长度延伸方向相同。

具体地，每一所述栅栏结构的所述挡板均为圆板状，且每一所述栅栏结构的各所述栅栏口均为绕同一圆心环绕的圆环。

进一步地，各所述挡板均连接有用于加热每一所述栅栏的加热机构。

具体地，各所述挡板的加热温度为25-500℃。

具体地，各所述挡板均为加热电阻材料，所述加热机构包括与各所述挡板电连接以加热各所述挡板的可控电源。

进一步地，相邻两所述栅栏结构之间的距离大于所述羽辉中等离子体之间相邻两次碰撞的平均自由程λ，其中d为分子的直径，P为腔室内的气体压强，k_B＝1.38×10^(-23)J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。

进一步地，所述基底正对所述靶材方向的投影全部位于所述栅栏结构上。

具体地，所述栅栏结构为两层，两所述栅栏相互平行，且沿所述靶材至所述基底的方向前一所述栅栏的所述挡板正对后一所述栅栏上的各所述栅栏口，后一所述栅栏的所述挡板正对前一所述栅栏的各所述栅栏口。

具体地，所述腔室内填充气体为惰性气体或反应气体。

本发明具有下列技术效果：

本发明的薄膜制备装置中，激光发射器发出脉冲激光束并射至腔室内轰击靶材，靶材在激光束的轰击下发出等离子体羽辉，羽辉因其内的等离子体高速运动而迅速膨胀并向基底传输，在传输的过程中羽辉内的各等离子体会发生相互碰撞，由于离子和原子的尺寸与质量均比较小，在碰撞的过程中很容易改变原有运动路径，而在羽辉中的大颗粒由于速度快，质量大，在碰撞过程中其还是以原有轨迹直线运动，对此当羽辉中的离子与原子在移动至栅栏结构处时，由于相邻两栅栏结构之间具有一定间隙，同时离子与原子的移动轨迹不为直线，其可以通过扩散作用依次穿过各栅栏结构中的栅栏口后沉积于基底上形成薄膜，而大颗粒为直线移动，其均可以被挡设于各栅栏结构的挡板上，即大颗粒难以依次穿过各栅栏结构，从而使得基底上沉积的薄膜内不会嵌设有大颗粒，所制备薄膜不会被大颗粒轰击破坏，所制备薄膜表面光滑，粗糙度较低，薄膜质量非常高。

附图说明

图1为本发明实施例的激光沉积薄膜制备装置的结构示意图；

图2为图1的激光沉积薄膜制备装置激光束为圆形光斑时的栅栏结构示意图；