[发明专利]聚焦扫描式脉冲激光薄膜沉积装置以及沉积方法

说明书

本发明涉及一种聚焦扫描式脉冲激光薄膜沉积装置以及沉积方法，利用汇聚透镜将准直激光汇聚到0.01mm量级，焦点落在靶材上，达到10⁶W/cm²以上的平均功率密度和10⁹W/cm²以上的峰值功率密度，使固态靶材表面原子气化从而实现样品处薄膜沉积。该设备通过X、Y方向的振镜，使光斑在靶材表面进行面扫描；再通过Z方向的实时调节以使靶面的光斑始终处于焦点位置。靶材位置也可放置多种材料，通过激光开合、输出功率与两组振镜及Z方向调节机构的联动，以实现多组分薄膜的沉积。激光器不使用有毒有害气体、沉积过程在时间上均匀性好，可以在不换靶的情况下自由调节所沉积样品的化学组分，提高了薄膜沉积的可控性与便捷性。

技术领域

本发明涉及一种薄膜材料制备技术，特别涉及一种基于光纤激光器的聚焦扫描式脉冲激光薄膜沉积装置以及沉积方法。

背景技术

光纤激光器(Fiber Laser)是指用掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的激光器，它是在光纤放大器的基础上开发出来。在泵浦光的作用下，工作光纤内获得高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，适当加入正反馈回路构成谐振腔后，形成激光振荡输出。

光纤激光器分为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器两类。其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器(脉冲宽度为纳秒量级)和锁模光纤激光器(脉冲宽度为皮秒或飞秒量级)。脉冲光纤激光器比相同功率的连续光纤激光器具有更高的峰值功率，常见的脉冲发生频率为20-60kHz这个量级。

传统的脉冲激光沉积(PLD)设备通常选用准分子激光器(Excimer Laser)。这类激光器使用氟化氪(KrF，248nm)、氯化氙(XeCl，308nm)、氟化氩(ArF，193nm)等气体作为激光介质。这类用于沉积薄膜的激光器的脉冲发生频率一般低于100Hz，脉冲宽度约为10-20ns，样品处的光斑尺寸为毫米量级。为了达到靶材挥发阈值，其单脉冲所需要能量一般在100mJ以上。这类激光器的主要优势在于能够较为容易地激发宽带隙(3eV以上)靶材；但对于金属和窄带隙靶材，与光纤激光器相比并无突出优点。其劣势则是结构复杂、使用高成本高毒性的气体且需要定期补充。由于频率低且脉冲短，造成占空比小于2×10^-6，意味着大量的靶料在极短的瞬间内落到样品基片上，之后则是一大段空窗期；因此其沉积过程在时间上是极不均匀的。另外，传统的脉冲激光沉积过程中，对于样品成分的调节主要是靠更换靶材以及调节腔体气压来实现；但对于不受气氛调控(如金属样品)或是组成元素较多的样品，则难以便捷地对成分进行自由组合、连续调节。

发明内容

针对当前基于准分子激光器的脉冲激光沉积(PLD)设备结构复杂、需要定期补充有毒有害的工作气体、沉积过程在时间上均匀性差、薄膜成分调控自由度小的问题，提出了一种聚焦扫描式脉冲激光薄膜沉积装置以及沉积方法，提高了激光器的安全性和易维护性，提高了沉积过程在时间上的均匀性，提高了薄膜成分控制的自由度、实现在不换靶的条件下薄膜样品成分的自由连续调控。

本发明的技术方案为：聚焦扫描式脉冲激光薄膜沉积装置，包括脉冲光纤激光器、准直镜、X方向振镜、Y方向振镜、汇聚透镜、视窗、靶材、Z方向调节机构、控制器以及真空腔体；脉冲光纤激光器所发出的激光经过准直镜后输出准直光，准直光入射到X方向振镜上，经X方向振镜反射入Y方向振镜，再经Y方向振镜反射至汇聚透镜，通过汇聚透镜后成为汇聚光束，汇聚光束通过真空腔体上的视窗导入真空腔体内，通过Z方向调节机构调节靶材与汇聚透镜在光轴方向上的相对位置，待薄膜沉积样品正对靶材表面，控制器与脉冲光纤激光器通信，控制器输出控制信号至X方向振镜、Y方向振镜和Z方向调节机构，使汇聚光束焦点刚好落在靶材的表面，焦点处的光斑峰值功率密度超过靶材的气化阈值，从而使靶材上的靶料挥发，对样品进行薄膜沉积。

所述靶材、样品均位于真空腔体内，靶材与汇聚光束呈倾斜放置，即汇聚光束斜射入靶材表面。

所述聚焦扫描式脉冲激光薄膜沉积装置的沉积方法，具体包括如下步骤：