CN116988015A - 一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄膜沉积技术领域，具体涉及一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置及方法，包括激光发生装置、反应腔、第一固定装置、第二固定装置和降温装置。激光发生装置包括两个，用于发射激光束；反应腔，开设有第一窗口两个，第二窗口和第三窗口，第三串口连接有气体转换输送装置，用于向反应腔内部输送多种反应气体；第一固定装置，设置于反应腔内部用于固定并旋转基体；第二固定装置，包括两个，设置于第一固定装置的两侧，第二固定装置用于固定并旋转靶材。本发明通过激光发生装置发射激光束并调整激光束的入射方向，通过第二固定装置对靶材进行固定并旋转，使得靶材的两侧均接受激光束的扫描，提高靶材的利用率和工作效率。

Description

一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置及方法

技术领域

本发明涉及薄膜沉积技术领域，具体而言，涉及一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置及方法。

背景技术

在众多的薄膜制备方法中，脉冲激光沉积技术的应用广泛，可用来制备金属、半导体、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物、硫化物及氟化物等各种物质薄膜，甚至还用来制备一些难以合成的材料膜，如金刚石、立方氮化物膜等。

现有脉冲激光沉积技术中制备的薄膜面积小，且对靶材的利用率低，调整更换靶材操作复杂，进而降低了薄膜沉积的工作效率，提升了生产成本，因此，急需一种脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置已解决上述问题。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置及方法，旨在解决如何增加脉冲激光沉积制备薄膜的面积，提升靶材的利用效率以及薄膜制备效率的问题。

本发明提供了一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置，包括激光发生装置、反应腔、第一固定装置、第二固定装置和降温装置。

激光发生装置包括两个，用于发射激光束；

反应腔，开设有两个第一窗口，第一窗口用于激光束的入射；

第二窗口，其连接有真空泵，真空泵用于将反应腔内部抽真空；

第三窗口，其连接有气体转换输送装置，气体转换输送装置用于向反应腔内部输送多种反应气体；

第一固定装置，设置于反应腔内部用于固定并旋转基体；

第二固定装置，包括两个，设置于第一固定装置的两侧，第二固定装置用于固定并旋转靶材。

在本申请的一些实施例中，所护激光发生装置包括：激光发生器、聚焦透镜和反射镜。

所述聚焦透镜设置于所述激光发生器和反射镜之间；

所述反射镜设置于所述第一窗口的上方，使得所述激光束能够进入所述反应腔内。

在本申请的一些实施例中，所述激光发生装置还包括有步进电机，所述步进电机与所述反射镜固定连接，所述步进电机用于调整激光束的入射方向。

在本申请的一些实施例中，所述第一固定装置包括第一旋转电机和集热器。

第一旋转电机，设置于所述反应腔的外侧壁上，所述第一旋转电机的驱动端伸入所述反应腔内；加热器，与所述旋转电机的驱动端相连接。

在本申请的一些实施例中，所述基体设置于所述加热器上，所述加热器用于对所述基体进行加热。

在本申请的一些实施例中，所述第二固定装置包括第二旋转电机和靶台。

第二旋转电机，设置于所述反应腔的外侧壁上，所述第二旋转电机的驱动端伸入所述反应腔内；靶台，与所述第二旋转电机的驱动端相连接。

在本申请的一些实施例中，两所述靶台平行设置于所述第一固定装置的两侧，两所述靶台的上侧面设置有不同的靶材。

在本申请的一些实施例中，所述气体转换输送装置包括：三个气体存储仓；

三个所述气体存储仓内分别填充不同反应气体；

三个所述气体存储仓与所述第三窗口通过管道连接，靠近三个所述气体存储仓的入口均甚至有电动阀，所述电动阀用于控制气体输送。

在本申请的一些实施例中，所述反应腔还开设有第四窗口，其连接有测温仪，所述测温仪用于测量温度。

另一个方面，本发明还提出了一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的方法，应用于基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置中，包括以下步骤：

将所述反应腔内抽真空；

向所述反应腔内冲入反应气体；

通过所述加热器对所述基体进行加热到预设温度；

利用两侧的所述激光发生装置向所述反应腔内发射激光束并控制激光束的入射方向，通过所述第二旋转电机控制所述靶材进行旋转，使得激光束对所述靶材的两侧多角度进行扫描；

当激光束打到两侧不同的所述靶材上形成等离子体羽辉，通过所述第一旋转电机控制所述基体进行旋转，等离子体羽辉到达所述基体表面后沉积成膜，在基体表面沉积多层复杂成分的连续薄膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于通过激光发生装置发射激光束并调整激光束的入射方向，进而使得激光束能够多角度扫描一侧靶材表面，通过第二固定装置对靶材进行固定并旋转，当激光束完成靶材一侧面的扫描后，有第二固定装置进行旋转使得靶材的另一侧面接受激光束的扫描，进而提高了靶材的利用率，减少了更换靶材的次数，提升了工作效率。

进一步地，通过第一固定装置对基体进行固定并旋转，使得基体两侧接受等离子体羽辉进行沉积成膜，同时第一固定装置两侧的第二固定装置上设置不同的靶材，使得基体两侧在旋转过程中接受两侧不同成分的等离子体羽辉的沉积作用，进而扩大薄膜沉积面积的同时，可以在同一基体表面形成不同成分的连续薄膜。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的气体转换输送装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的方法的流程图。

其中：11、激光发生器；12、聚焦透镜；13、反射镜；14、步进电机；2、反应腔；21、第一窗口；22、第二窗口；221、真空泵；23、第三窗口；231、气体转换输送装置；232、气体存储仓；233、电动阀；24、第四窗口；241、测温仪；31、第一旋转电机；32、加热器；33、基体；41、第二旋转电机；42、靶台；43、靶材；5、等离子体羽辉。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

脉冲激光沉积技术的主体是物理过程，但有时也会引入活性气体含化学反应过程。其溅射过程使用的激光是多维脉冲激光，多是用来制备纳米薄膜。脉冲激光沉积镀膜技术是将准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材表面，使靶材表面产生高温熔蚀物，并进一步产生高温高压等离子体,这种等离子体能够产生定向局域膨胀发射并在衬底上沉积成膜。脉冲激光作为一种新颖的加热源，其特点之一就是能量在空间和时间上高度集中。从靶材经过激光束作用产生等离子体到粒子最后在基片表面凝结沉积成膜，整个镀膜过程通常分为三个阶段，(1)激光与靶材相互作用产生等离子体，(2)等离子在空间运输(包括激光作用时的等温膨胀和激光结束后的绝热膨胀)，(3)等离子体在基片上成核、长大形成薄膜。

结合图1-2所示，在本实施例提供了一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置，包括激光发生装置、反应腔2、第一固定装置、第二固定装置和降温装置。

激光发生装置包括两个，用于发射激光束；

反应腔2，开设有两个第一窗口21，第一窗口21用于激光束的入射；

第二窗口22，其连接有真空泵221，真空泵221用于将反应腔2内部抽真空；

第三窗口23，其连接有气体转换输送装置231，气体转换输送装置231用于向反应腔2内部输送多种反应气体；

第一固定装置，设置于反应腔2内部用于固定并旋转基体33；

第二固定装置，包括两个，设置于第一固定装置的两侧，第二固定装置用于固定并旋转靶材43。

可以理解的是，本实施例中通过激光发生装置产生激光束对反应腔2内第二固定装置上的靶材43进行扫描，通过激光束与靶材43相互作用产生等离子体羽辉5，两侧的等离子体羽辉5达到基体33，在基体33两侧表面沉积成膜，扩大了薄膜沉积面积，提升了超导薄膜制备的工作效率。同时，通过气体转换输送装置231可以根据反应需求向反应腔2内输送不同反应气体，以保证激光沉积薄膜的正常运行。

在本申请的一种具体实施例中，所护激光发生装置包括：激光发生器11、聚焦透镜12和反射镜13。

所述聚焦透镜12设置于所述激光发生器11和反射镜13之间；

所述反射镜13设置于所述第一窗口21的上方，使得所述激光束能够进入所述反应腔2内。

可以理解的是，本实施例中通过激光发生器11产生激光束，通过聚焦透镜12对激光束进行聚焦以提高激光束的功率密度，然后通过反射镜13改变激光束的前进方向使激光束通过反应腔2的第一窗口21进入反应腔2。

在本申请的一种具体实施例中，所述激光发生装置还包括有步进电机14，所述步进电机14与所述反射镜13固定连接，所述步进电机14用于调整激光束的入射方向。

可以理解的是，本实施例中通过设置步进电机14与反射镜13固定连接，进而通过步进电机14调整激光束的入射角度，使得激光束在进入反应腔2后能够实现多角度扫描靶材43的作用，进而提高了靶材43的利用效率。

在本申请的一种具体实施例中，所述第一固定装置包括第一旋转电机31和集热器。

第一旋转电机31，设置于所述反应腔2的外侧壁上，所述第一旋转电机31的驱动端伸入所述反应腔2内；加热器32，与所述旋转电机的驱动端相连接。

在本申请的一种具体实施例中，所述基体33设置于所述加热器32上，所述加热器32用于对所述基体33进行加热。

可以理解的是，本实施例中通过设置第一旋转电机31与加热器32连接，并将基体33设置于加热器32上，通过加热器32对基体33进行预加热，可以为800℃，并使基体33保持该加热温度直至激光扫描结束，通过第一旋转电机31对基体33进行固定，并控制基体33旋转，使得基体33的两侧表面均接受等离子体羽辉5的沉积作用，进而扩大了薄膜沉积面积。

在本申请的一种具体实施例中，所述第二固定装置包括第二旋转电机41和靶台42。

第二旋转电机41，设置于所述反应腔2的外侧壁上，所述第二旋转电机41的驱动端伸入所述反应腔2内；靶台42，与所述第二旋转电机41的驱动端相连接。

在本申请的一种具体实施例中，两所述靶台42平行设置于所述第一固定装置的两侧，两所述靶台42的上侧面设置有不同的靶材43。

可以理解的是，本实施例中通过设置第二旋转电机41与靶台42相连接，将靶材43设置于靶台42上，通过第二旋转电机41的控制靶材43旋转，使靶材43的两侧均接受激光束的扫描，使激光束与靶材43两侧发生反应，进而提高了靶材43的利用率，降低了更换靶材43的频率，同时，通过设置两组第二固定装置，可以在两组第二固定装置上设置两种不同的靶材43，进而实现多层复杂成分连续薄膜的沉积。

在本申请的一种具体实施例中，所述气体转换输送装置231包括：三个气体存储仓232；

三个所述气体存储仓232内分别填充不同反应气体；

三个所述气体存储仓232与所述第三窗口23通过管道连接，靠近三个所述气体存储仓232的入口均甚至有电动阀233，所述电动阀233用于控制气体输送。

可以理解的是，本实施例中通过在设置多个气体存储仓232用于存储不同激光沉积薄膜所需反应气体，可以为氧气、氩气或其他所需气体，具体反应气体选择，可根据实际情况进行。

可以理解是，本发明中通过第二窗口22连接真空泵221实现反应腔2的真空效果，通过第三窗口23输送氧气以补充反应腔2内激光束与靶材43反应时所需的氧气。

在本申请的一种具体实施例中，所述反应腔2还开设有第四窗口24，其连接有测温仪241，所述测温仪241用于测量温度。

可以理解的是，本实施例中通过第四窗口24连接测温仪241，可以实时监测反应腔2内的温度。

参阅图3所示，另一个方面，本发明还提出了一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的方法，应用于基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置中，包括以下步骤：

S101：将所述反应腔2内抽真空；

S102：向所述反应腔2内冲入反应气体；

S103：通过所述加热器32对所述基体33进行加热到预设温度；

S104：利用两侧的所述激光发生装置向所述反应腔2内发射激光束并控制激光束的入射方向，通过所述第二旋转电机41控制所述靶材43进行旋转。

具体而言，通过激光发生装置和第二旋转电机41的作用，使得激光束对所述靶材43的两侧多角度进行扫描。

S105：通过所述第一旋转电机31控制所述基体33进行旋转，使得等离子体羽辉5到达所述基体33两侧表面后沉积成膜。

具体而言，当激光束打到两侧不同的所述靶材43上形成等离子体羽辉5，通过所述第一旋转电机31控制所述基体33进行旋转，使得等离子体羽辉5到达所述基体33两侧表面后沉积成膜，在基体33表面沉积多层复杂成分的连续薄膜。

可以理解的是，本实施例中通过激光发生装置控制激光束的产生和入射方向，通过第二旋转电机41控制靶材43旋转，进而使得靶材43两侧均能接受激光束的扫描，通过第一旋转电机31控制基体33的旋转，使得基体33两侧表面均能接受等离子体羽辉5的沉积作用，进而扩大沉积薄膜的面积，以及靶材43的利用效率，进一步提升了脉冲机关沉积薄膜的工作效率，降低生产成本。

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。

Claims (10)

1.一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置，其特征在于，包括：

激光发生装置，包括两个，用于发射激光束；

反应腔，开设有两个第一窗口，所述第一窗口用于激光束的入射；

第二窗口，其连接有真空泵，所述真空泵用于将所述反应腔内部抽真空；

第三窗口，其连接有气体转换输送装置，所述气体转换输送装置用于向所述反应腔内部输送多种反应气体；

第一固定装置，设置于所述反应腔内部用于固定并旋转基体；

第二固定装置，包括两个，设置于所述第一固定装置的两侧，所述第二固定装置用于固定并旋转靶材。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置，其特征在于，所护激光发生装置包括：激光发生器、聚焦透镜和反射镜；

所述聚焦透镜设置于所述激光发生器和反射镜之间；

所述反射镜设置于所述第一窗口的上方，使得所述激光束能够进入所述反应腔内。

3.根据权利要求2所述的基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置，其特征在于，所述激光发生装置还包括有步进电机，所述步进电机与所述反射镜固定连接，所述步进电机用于调整激光束的入射方向。

4.根据权利要求1所述的基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置，其特征在于，所述第一固定装置包括：

第一旋转电机，设置于所述反应腔的外，所述第一旋转电机的驱动端伸入所述反应腔内；

加热器，与所述旋转电机的驱动端相连接。

5.根据权利要求4所述的基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置，其特征在于，所述基体设置于所述加热器上，所述加热器用于对所述基体进行加热。

6.根据权利要求4所述的基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置，其特征在于，所述第二固定装置包括：

第二旋转电机，设置于所述反应腔的外，所述第二旋转电机的驱动端伸入所述反应腔内；

靶台，与所述第二旋转电机的驱动端相连接。

7.根据权利要求1所述的基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置，其特征在于，两所述靶台平行设置于所述第一固定装置的两侧，两所述靶台的上侧面设置有不同的靶材。

8.根据权利要求7所述的基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置，其特征在于，所述气体转换输送装置包括：三个气体存储仓；

三个所述气体存储仓内分别填充不同反应气体；

三个所述气体存储仓与所述第三窗口通过管道连接，靠近三个所述气体存储仓的入口均甚至有电动阀，所述电动阀用于控制气体输送。

9.根据权利要求1所述的基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的装置，其特征在于，所述反应腔还开设有：

第四窗口，其连接有测温仪，所述测温仪用于测量温度。

10.一种基于脉冲激光沉积制备超导薄膜的方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9任一项所述的装置中，包括以下步骤：

将所述反应腔内抽真空；

向所述反应腔内冲入反应气体；

通过所述加热器对所述基体进行加热到预设温度；

利用两侧的所述激光发生装置向所述反应腔内发射激光束并控制激光束的入射方向，通过所述第二旋转电机控制所述靶材进行旋转，使得激光束对所述靶材的两侧多角度进行扫描；

当激光束打到两侧不同的所述靶材上形成等离子体羽辉，通过所述第一旋转电机控制所述基体进行旋转，等离子体羽辉到达所述基体表面后沉积成膜，在基体表面沉积多层复杂成分的连续薄膜。