CN108342697A - 一种脉冲激光沉积装置及其方法 - Google Patents

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彭明娣
卢维尔
夏洋
赵丽莉
李楠
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation

Abstract

本申请实施例提供了一种脉冲激光沉积装置，所述装置包括：腔室，所述腔室设有两个石英窗口，所述腔室包括；可旋转靶材，所述可旋转靶材设置于所述腔室内部；衬底，所述衬底设置于所述腔室内部，所述衬底与所述可旋转靶材相对设置；第一激光，所述第一激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面；第二激光，所述第二激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面；解决现有脉冲激光沉积***成膜过程中，等离子体组分波动大，易于出现大颗粒，导致薄膜中容易出现杂质颗粒影响结晶性能的问题，达到了提高薄膜的结晶性能和均匀性，减少薄膜中的杂质颗粒，制备出高质量的薄膜的技术效果。

Description

一种脉冲激光沉积装置及其方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种脉冲激光沉积装置及其方法。
背景技术
激光脉冲沉积应用于制备各种薄膜材料，并保持靶材的化学计量组分。
但本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
现有脉冲激光沉积***成膜过程中，等离子体组分波动大，易于出现大颗粒，导致薄膜中容易出现杂质颗粒影响结晶性能。
发明内容
本申请实施例通过提供一种脉冲激光沉积装置及其方法，解决现有脉冲激光沉积***成膜过程中，等离子体组分波动大，易于出现大颗粒，导致薄膜中容易出现杂质颗粒影响结晶性能的问题，达到了提高等离子体组分的可控性，来减少液滴的产生，进而提高薄膜的结晶性能和均匀性，减少薄膜中的杂质颗粒，制备出高质量的薄膜的技术效果。
鉴于上述问题，本申请实施例提供一种脉冲激光沉积装置及其方法。
第一方面，本申请实施例提供了一种脉冲激光沉积装置，所述装置包括：腔室，所述腔室设有两个石英窗口，所述腔室包括；可旋转靶材，所述可旋转靶材设置于所述腔室内部；衬底，所述衬底设置于所述腔室内部，所述衬底与所述可旋转靶材相对设置；第一激光，所述第一激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面；第二激光，所述第二激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面；其中，所述第一激光和所述第二激光通过同一个所述石英窗口入射至所述可旋转靶材的上表面，或者所述第一激光和所述第二激光分别通过两个所述石英窗口入射至所述可旋转靶材的上表面。
优选的，所述第一激光为预热长波长激光，所述第一激光的波长为355-1064nm,输出功率为1-500W。
优选的，所述第二激光为等离子体短波长激光，所述第二激光的波长为248-1064nm,能量为50-800mJ。
优选的，所述第一激光入射至所述可旋转靶材的入射角为10°-80°。
优选的，所述第二激光入射至所述可旋转靶材的入射角为10°-80°。
第二方面，本申请还提供了一种脉冲激光沉积方法，所述方法包括：将衬底依次放入丙酮、异丙醇、超纯水中分别进行5分钟超声清洗，并进行氮气吹干；将所述衬底放入所述脉冲激光沉积装置的腔室内，将所述腔室抽成真空状态，旋转所述衬底，开始加热，所述可旋转靶材采用挡板隔离，通工艺气体；旋转所述可旋转靶材，靶材挡板打开，先采用所述第一激光预热所述可旋转靶材，再采用所述第二激光激发产生等离子体沉积薄膜。
优选的，所述第一激光预热所述可旋转靶材的预热时间为0-1h。
优选的，所述工艺气体流量为0-100sccm。
优选的，所述衬底和所述可旋转靶材的转速为5-100r/min
优选的，所述腔室内的工艺压强为10-4-10-8Pa。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1.本申请实施例提供的一种脉冲激光沉积装置，所述装置包括：腔室，所述腔室设有两个石英窗口，所述腔室包括；可旋转靶材，所述可旋转靶材设置于所述腔室内部；衬底，所述衬底设置于所述腔室内部，所述衬底与所述可旋转靶材相对设置；第一激光，所述第一激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面；第二激光，所述第二激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面；其中，所述第一激光和所述第二激光通过同一个所述石英窗口入射至所述可旋转靶材的上表面，或者所述第一激光和所述第二激光分别通过两个所述石英窗口入射至所述可旋转靶材的上表面。解决现有脉冲激光沉积***成膜过程中，等离子体组分波动大，易于出现大颗粒，导致薄膜中容易出现杂质颗粒影响结晶性能的问题，达到了提高等离子体组分的可控性，来减少液滴的产生，进而提高薄膜的结晶性能和均匀性，减少薄膜中的杂质颗粒，制备出高质量的薄膜的技术效果。
2.本申请实施例通过所述第一激光为预热长波长激光，所述第一激光的波长为355-1064nm,输出功率为1-500W。解决现有脉冲激光沉积***成膜过程中，等离子体组分波动大，易于出现大颗粒，导致薄膜中容易出现杂质颗粒影响结晶性能的问题，达到使靶材在其等离子化之前，快速吸收激光能量增加靶材的分子热运动或者使得靶材局部熔化的技术效果。
3、本申请实施例通过所述第二激光为等离子体短波长激光，所述第二激光的波长为248-1064nm,能量为50-800mJ。解决现有脉冲激光沉积***成膜过程中，等离子体组分波动大，易于出现大颗粒，导致薄膜中容易出现杂质颗粒影响结晶性能的问题，达到激发靶材产生等离子体羽辉的技术效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种脉冲激光沉积装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种脉冲激光沉积方法的流程示意图；
附图标号说明：腔室1，石英窗口2a，石英窗口2b，第一激光3，第二激光4，可旋转靶材5，衬底6.
具体实施方式
本申请实施例提供的一种脉冲激光沉积装置，所述装置包括：腔室，所述腔室设有两个石英窗口，所述腔室包括；可旋转靶材，所述可旋转靶材设置于所述腔室内部；衬底，所述衬底设置于所述腔室内部，所述衬底与所述可旋转靶材相对设置；第一激光，所述第一激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面；第二激光，所述第二激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面；其中，所述第一激光和所述第二激光通过同一个所述石英窗口入射至所述可旋转靶材的上表面，或者所述第一激光和所述第二激光分别通过两个所述石英窗口入射至所述可旋转靶材的上表面。解决现有脉冲激光沉积***成膜过程中，等离子体组分波动大，易于出现大颗粒，导致薄膜中容易出现杂质颗粒影响结晶性能的问题，达到了提高等离子体组分的可控性，来减少液滴的产生，进而提高薄膜的结晶性能和均匀性，减少薄膜中的杂质颗粒，制备出高质量的薄膜的技术效果。
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
图1为本申请实施例提供的一种脉冲激光沉积装置的结构，脉冲激光沉积(PulsedLaser Deposition，PLD)，也被称为脉冲激光烧蚀(pulsed laser ablation，PLA)，是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。也就是将高功率脉冲激光聚焦于靶材表面，使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀并择优沿着靶的法线方向传输，形成羽辉，最后烧蚀物沉积到前方的衬底上形成一层薄膜。由于激光的能量高，可以沉积难熔薄膜，使其几乎能够沉积现有的各种薄膜材料并保持靶材的化学计量组分。如图1所示，所述结构包括：
腔室1，所述腔室1设有两个石英窗口2，所述腔室1包括；可旋转靶材5，所述可旋转靶材5设置于所述腔室1内部；衬底6，所述衬底6设置于所述腔室1内部，所述衬底6与所述可旋转靶材5相对设置；
具体而言，所述腔室1为一个密封的容置空间，所述腔室可以是球形，方形，或者圆柱形等，应理解，本申请针对所述腔室1的形状进行举例说明，但本申请并不限于此。所述腔体1设有两个石英窗口，石英窗口2a和石英窗口2b，所述两个石英窗口2设置于所述腔体1表面，使得激光能够通过所述石英窗口2射入所述腔体1内部，所述可旋转靶材5位于所述腔体1的内部，所述可旋转靶材5具有旋转装置，使其能够转动，所述衬底6与所述可旋转靶材5相对设置，位于所述腔体1内部。
第一激光3，所述第一激光3从所述腔室1外部通过所述石英窗口2，入射至所述可旋转靶材5的上表面，所述第一激光3为预热长波长激光，所述第一激光3的波长为355-1064nm,输出功率为1-500W；所述第一激光3入射至所述可旋转靶材5的入射角为10°-80°。
具体而言，所述第一激光3为长波长激光，所述第一激光3的波长为355-1064nm，输出功率为1-500W，本申请在传统的的脉冲激光沉积***中先引入一束长波长激光，所述第一激光3从所述腔室1外部通过所述石英窗口2，入射至所述可旋转靶材5的上表面，能够使可旋转靶材5吸收所述长波长激光的能量，使所述可旋转靶材5的分子热运动加速，从而达到增加靶材的离化率，减少大颗粒物的形成的技术效果。
第二激光，所述第二激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面，所述第二激光为等离子体短波长激光，所述第二激光的波长为248-1064nm,能量为50-800mJ；所述第二激光入射至所述可旋转靶材的入射角为10°-80°。
具体而言，所述第二激光4为短波长激光，所述第二激光的波长为248-1064nm,能量为50-800mJ，本申请在所述可旋转靶材5吸收所述第一激光3的能量使其分子热运动加速后，进而继续吸收所述第二激光4也就是短波长激光激发产生等离子体，通过双光束激光在时间和空间上的调控和匹配，提高等离子体组分的可控性，减少液滴的产生，进而提高薄膜的结晶性能和均匀性，制备出高质量的薄膜。用于克服现有脉冲激光沉积***成膜过程中，等离子体组分波动大，易于出现大颗粒，导致薄膜杂质颗粒多表面粗糙度大的问题。
其中，所述第一激光和所述第二激光通过同一个所述石英窗口入射至所述可旋转靶材的上表面，或者所述第一激光和所述第二激光分别通过两个所述石英窗口入射至所述可旋转靶材的上表面。
实施例二
本申请实施例还提供了一种脉冲激光沉积方法，如图2所示，图2为本申请实施例提供的一种脉冲激光沉积方法的流程示意图，所述方法包括：
步骤110：将衬底6依次放入丙酮、异丙醇、超纯水中分别进行5分钟超声清洗，并进行氮气吹干；
步骤120：将所述衬底6放入所述脉冲激光沉积装置的腔室1内，将所述腔室1抽成真空状态，旋转所述衬底6，开始加热，所述可旋转靶材5采用挡板隔离，通工艺气体，所述工艺气体流量为0-100sccm，所述腔室内的工艺压强为10-4-10-8Pa；
步骤130：旋转所述可旋转靶材5，靶材挡板打开，先采用所述第一激光3预热所述可旋转靶材，再采用所述第二激光4激发产生等离子体沉积薄膜，所述第一激光3预热所述可旋转靶材5的预热时间为0-1h，所述衬底6和所述可旋转靶材5的转速为5-100r/min.
实施例三
本申请实施例还提供了一种脉冲激光沉积方法，所述第一激光3和所述第二激光4通过同一石英窗口2入射至所述可旋转靶材5的上表面，所述方法包括：
步骤110：将衬底6依次放入丙酮、异丙醇、超纯水中分别进行5分钟超声清洗，并进行氮气吹干；
步骤120：将所述衬底6放入所述脉冲激光沉积装置的腔室1内，将所述腔室1抽成真空状态，旋转所述衬底6，开始加热，所述可旋转靶材5采用挡板隔离，通工艺气体，所述工艺气体流量为0-100sccm，所述腔室内的工艺压强为10-4-10-8Pa；
步骤130：旋转所述可旋转靶材5，靶材挡板打开，先采用所述第一激光3通过所述石英窗口2a入射至所述可旋转靶材5的上表面，预热所述可旋转靶材，再采用所述第二激光4通过所述石英窗口2a入射至所述可旋转靶材5的上表面，激发产生等离子体沉积薄膜，所述第一激光3预热所述可旋转靶材5的预热时间为0-1h，所述衬底6和所述可旋转靶材5的转速为5-100r/min.
实施例四
本申请实施例还提供了一种脉冲激光沉积方法，所述第一激光3和所述第二激光4分别通过所述石英窗口2a和所述石英窗口2b入射至所述可旋转靶材的上表面，所述方法包括：
步骤110：将衬底6依次放入丙酮、异丙醇、超纯水中分别进行5分钟超声清洗，并进行氮气吹干；
步骤120：将所述衬底6放入所述脉冲激光沉积装置的腔室1内，将所述腔室1抽成真空状态，旋转所述衬底6，开始加热，所述可旋转靶材5采用挡板隔离，通工艺气体，所述工艺气体流量为0-100sccm，所述腔室内的工艺压强为10-4-10-8Pa；
步骤130：旋转所述可旋转靶材5，靶材挡板打开，先采用所述第一激光3通过所述石英窗口2a入射至所述可旋转靶材5的上表面，预热所述可旋转靶材，再采用所述第二激光4通过所述石英窗口2b入射至所述可旋转靶材的上表面，激发产生等离子体沉积薄膜，所述第一激光3预热所述可旋转靶材5的预热时间为0-1h，所述衬底6和所述可旋转靶材5的转速为5-100r/min.
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1.本申请实施例提供的一种脉冲激光沉积装置，所述装置包括：腔室，所述腔室设有两个石英窗口，所述腔室包括；可旋转靶材，所述可旋转靶材设置于所述腔室内部；衬底，所述衬底设置于所述腔室内部，所述衬底与所述可旋转靶材相对设置；第一激光，所述第一激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面；第二激光，所述第二激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面；其中，所述第一激光和所述第二激光通过同一个所述石英窗口入射至所述可旋转靶材的上表面，或者所述第一激光和所述第二激光分别通过两个所述石英窗口入射至所述可旋转靶材的上表面。解决现有脉冲激光沉积***成膜过程中，等离子体组分波动大，易于出现大颗粒，导致薄膜中容易出现杂质颗粒影响结晶性能的问题，达到了提高等离子体组分的可控性，来减少液滴的产生，进而提高薄膜的结晶性能和均匀性，减少薄膜中的杂质颗粒，制备出高质量的薄膜的技术效果。
2.本申请实施例通过所述第一激光为预热长波长激光，所述第一激光的波长为355-1064nm,输出功率为1-500W。解决现有脉冲激光沉积***成膜过程中，等离子体组分波动大，易于出现大颗粒，导致薄膜中容易出现杂质颗粒影响结晶性能的问题，达到使靶材在其等离子化之前，快速吸收激光能量增加靶材的分子热运动或者使得靶材局部熔化的技术效果。
3、本申请实施例通过所述第二激光为等离子体短波长激光，所述第二激光的波长为248-1064nm,能量为50-800mJ。解决现有脉冲激光沉积***成膜过程中，等离子体组分波动大，易于出现大颗粒，导致薄膜中容易出现杂质颗粒影响结晶性能的问题，达到激发靶材产生等离子体羽辉的技术效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述装置包括：
腔室，所述腔室设有两个石英窗口，所述腔室包括；
可旋转靶材，所述可旋转靶材设置于所述腔室内部；
衬底，所述衬底设置于所述腔室内部，所述衬底与所述可旋转靶材相对设置；
第一激光，所述第一激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面；
第二激光，所述第二激光从所述腔室外部通过所述石英窗口，入射至所述可旋转靶材的上表面；
其中，所述第一激光和所述第二激光通过同一个所述石英窗口入射至所述可旋转靶材的上表面，或者所述第一激光和所述第二激光分别通过两个所述石英窗口入射至所述可旋转靶材的上表面。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一激光为预热长波长激光，所述第一激光的波长为355-1064nm,输出功率为1-500W。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二激光为等离子体短波长激光，所述第二激光的波长为248-1064nm,能量为50-800mJ。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一激光入射至所述可旋转靶材的入射角为10°-80°。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二激光入射至所述可旋转靶材的入射角为10°-80°。
6.一种脉冲激光沉积方法，其特征在于，所述方法包括：
将衬底依次放入丙酮、异丙醇、超纯水中分别进行5分钟超声清洗，并进行氮气吹干；
将所述衬底放入所述脉冲激光沉积装置的腔室内，将所述腔室抽成真空状态，旋转所述衬底，开始加热，所述可旋转靶材采用挡板隔离，通工艺气体；
旋转所述可旋转靶材，靶材挡板打开，先采用所述第一激光预热所述可旋转靶材，再采用所述第二激光激发产生等离子体沉积薄膜。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一激光预热所述可旋转靶材的预热时间为0-1h。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述工艺气体流量为0-100sccm。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述衬底和所述可旋转靶材的转速为5-100r/min。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述腔室内的工艺压强为10-4-10-8Pa。
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