脉冲激光沉积系统及采用该系统来沉积薄膜的方法技术方案

本发明专利技术提供一种脉冲激光沉积系统及采用该系统来沉积薄膜的方法，该系统包括真空室、衬底承载架、非平衡磁极辅助靶、激光器和光路系统，其中衬底承载架设置在真空室的下侧，非平衡磁极辅助靶设置在真空室内且其面向真空室内侧的一面上设置有至少一对磁极且在该对磁极之间形成有非平衡磁场，在该对磁极之间设置有靶材，激光器产生的激光束通过光路系统聚焦至所述靶材表面，以在靶材上产生烧蚀等离子体，烧蚀等离子体在非平衡磁场的作用下做进一步电离并均匀分布至靶材表面。通过本发明专利技术，可以有效解决激光沉积薄膜的厚度及成分的均匀性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于氮化物、碳化物及氧化物薄膜/涂层制备
，具体涉及一种脉冲激光沉积系统及采用该系统来沉积薄膜的方法。
技术介绍
脉冲激光沉积技术(PulsedLaserDeposition，PLD)是目前制备铁电、半导体、电解质及金刚石等薄膜的重要技术之一。该技术具有可以制备成分复杂、熔点高及硬度大的薄膜等优点。脉冲激光沉积技术的基本原理是将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光束聚焦到靶材表面，瞬间产生高温高压等离子体，所产生的等离子体定向局域绝热膨胀、发射，并沉积到衬底上而形成薄膜。随着对薄膜制备技术要求的提高，采用PLD制备的薄膜也存在着一些急需解决的问题：如，由于激光束斑小，等离子体区域集中于靶材被烧蚀的区域前面，直接造成沉积薄膜的厚度和成分的不均匀，并进而影响制备薄膜的性能。虽然用控制系统移动靶材或基片、控制激光斑点在靶材表面扫描在一定程度上改善薄膜的质量，但系统稳定性和复杂性也带来了新的问题。而且，在通常情况下激光聚焦束斑在靶材上刻蚀形成的微柱会导致羽辉偏向入射激光的方向，严重影响薄膜厚度以及成分的均匀性。
技术实现思路
本专利技术提供一种脉冲激光沉积系统及采用该系统来沉积薄膜的方法，以解决目前脉冲激光沉积技术制备出的薄膜均匀性较差的问题。根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种脉冲激光沉积系统，包括真空室、衬底承载架、非平衡磁极辅助靶、激光器和光路系统，其中所述衬底承载架和所述非平衡磁极辅助靶相对设置在所述真空室内，所述非平衡磁极辅助靶面向所述真空室内侧的一面上设置有至少一对磁极且在该对磁极之间形成有非平衡磁场，在该对磁极之间设置有靶材，所述激光器产生的激光通过所述光路系统聚焦至所述靶材表面，以在所述靶材上产生烧蚀等离子体，所述烧蚀等离子体在所述非平衡磁场的作用下做进一步电离并均匀分布至所述靶材表面。在一种可选的实现方式中，所述系统还包括等离子体发生器，所述等离子体发生器与所述真空室连通，用于对注入其内的气体进行等离子体化，并将所述气体的等离子体输送至所述真空室内。在另一种可选的实现方式中，所述衬底承载架为偏置电极，所述偏置电极用于承载衬底，并与偏置电源连接，以在所述偏置电极上形成电场，以吸引等离子体轰击到衬底上。在另一种可选的实现方式中，所述衬底承载架还通过旋转轴与旋转装置连接，以使所述旋转装置带动所述偏置电极转动。在另一种可选的实现方式中，所述系统还包括温控系统，用于对所述真空室内的温度进行控制。在另一种可选的实现方式中，所述非平衡磁极辅助靶包括靶座和磁轭，在所述靶座面向所述真空室内的一侧上设置有所述靶材，在所述靶座内埋设有相对于所述靶材对称设置的至少一对磁极，该对磁极的极性相反且磁场强度不同。在另一种可选的实现方式中，所述非平衡磁极辅助靶还包括导磁板，该导磁板分设于至少一对磁极的两侧，且相对于所述靶材对称设置。在另一种可选的实现方式中所述靶座内设置有位于所述靶材下方的冷却水池。根据本专利技术实施例的第二方面，提供一种采用上述脉冲激光沉积系统来沉积薄膜的方法，包括：激光器通过光路系统将激光聚焦至真空室内设置的靶材上，以在所述靶材上产生烧蚀等离子体，在设置于所述靶材两侧的磁极对之间形成的非平衡磁场的作用下，所述烧蚀等离子体进一步电离并均匀分布至所述靶材表面；所述烧蚀等离子体沉积至所述靶材下方的衬底上。在一种可选的实现方式中，所述方法还包括：向等离子体发生器中分别注入反应气体和工作气体，以使所述等离子体发生器分别对所述反应气体和工作气体进行等离子体化，并将生成的等离子体输送给所述真空室内；所述等离子体发生器产生的等离子体沉积到所述衬底上。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过设置非平衡磁极辅助靶，可以使激光器烧蚀靶材表面产生的等离子体在磁极对之间形成的非平衡磁场的作用下进一步等离子体化并均匀扩展至靶材的表面，从而可以有效解决由于聚集光束过于集中导致等离子体在靶材表面的分布严重不均匀的问题，进而可以保证扩散至衬底承载架附近的等离子体的均匀性，提高薄膜沉积均匀度；2、本专利技术通过设置等离子体发生器，在将气体提供给真空室之前先将气体进行等离子体化，额外提供等离子体轰击到样品架上的衬底上，由此可以提高沉积薄膜的密度；3、本专利技术通过向衬底承载架提供偏置电压，可以使衬底承载架上衬底处于偏置状态下，从而可以主动吸引真空室内等离子体轰击衬底表面，提高薄膜致密度以及改善薄膜与衬底的结合强度；4、本专利技术通过在薄膜沉积过程中由旋转装置带动衬底承载架旋转，从而带动衬底承载架上衬底旋转，可以保证衬底上沉积的等离子体的均匀度；5、本专利技术通过在薄膜沉积过程中对真空室内的温度进行控制，可以对薄膜的沉积特性和微观结构进行控制；6、本专利技术通过在一对磁极的两侧设置一对导磁板，并使该对导磁板相对于靶材对称，可以改善磁力线分布；7、本专利技术通过在靶座内设置位于靶材下方的冷却水池，可以避免非平衡磁极辅助靶工作温度过高，由此可以保证非平衡磁极辅助靶的正常工作。附图说明图1是本专利技术脉冲激光沉积系统的一个实施例结构示意图；图2是本专利技术脉冲激光沉积系统中非平衡磁极辅助靶的一个实施例结构示意图；图3是本专利技术脉冲激光沉积系统中等离子体发生器的一个实施例结构示意图；图4是本专利技术采用图1所示脉冲激光沉积系统来沉积薄膜的方法的一个实施例流程图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术实施例中的技术方案，并使本专利技术实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术实施例中技术方案作进一步详细的说明。在本专利技术的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。参见图1，为本专利技术脉冲激光沉积系统的一个实施例结构示意图。该脉冲激光沉积系统可以包括真空室1、激光器2、光路系统3、非平衡磁极辅助靶4、等离子体发生器5、衬底承载架6和温控系统9，其中所述衬底承载架6和所述非平衡磁极辅助靶4相对设置在所述真空室1内，所述非平衡磁极辅助靶4面向所述真空室1内侧的一面上设置有至少一对磁极16且在该对磁极16之间形成有非平衡磁场，在该对磁极16之间设置有靶材15，所述激光器2产生的激光通过所述光路系统3聚焦至所述靶材15表面，以在所述靶材15上产生烧蚀等离子体。本专利技术通过设置非平衡磁极辅助靶，可以使激光器烧蚀靶材表面产生的等离子体在磁极对之间形成的非平衡磁场的作用下进一步等离子体化并均匀扩展至靶材的表面，从而可以有效解决由于聚集光束过于集中导致等离子体在靶材表面的分布严重不均匀的问题，进而可以保证扩散至衬底承载架附近的等离子体的均匀性，提高薄膜沉积均匀度。本实施例中，非平衡磁极辅助靶4可以如图2所示，其可以包括靶座10、磁轭13、导磁板14、靶材15和磁极16，其中在所述靶座10面向所述真空室1内侧的一面上设置有靶材15，在所述靶座10内埋设有相对于所述靶材15对称设置的至少一对磁极16，该对磁极16的极性相反且磁场强度不同，例如左侧磁极的极性为N-S，右侧磁极的极性为S-N，左侧磁极的磁场强度大于右侧磁极的磁场强度。在图2所示的非平衡磁极辅助靶4中导磁板14成对设置，成对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲激光沉积系统，其特征在于，包括真空室、衬底承载架、非平衡磁极辅助靶、激光器和光路系统，其中所述衬底承载架和所述非平衡磁极辅助靶相对设置在所述真空室内，所述非平衡磁极辅助靶面向所述真空室内侧的一面上设置有至少一对磁极且在该对磁极之间形成有非平衡磁场，在该对磁极之间设置有靶材，所述激光器产生的激光通过所述光路系统聚焦至所述靶材表面，以在所述靶材上产生烧蚀等离子体，所述烧蚀等离子体在所述非平衡磁场的作用下做进一步电离并均匀分布至所述靶材表面。

【技术特征摘要】
1.一种脉冲激光沉积系统，其特征在于，包括真空室、衬底承载架、非平衡磁极辅助靶、激光器和光路系统，其中所述衬底承载架和所述非平衡磁极辅助靶相对设置在所述真空室内，所述非平衡磁极辅助靶面向所述真空室内侧的一面上设置有至少一对磁极且在该对磁极之间形成有非平衡磁场，在该对磁极之间设置有靶材，所述激光器产生的激光通过所述光路系统聚焦至所述靶材表面，以在所述靶材上产生烧蚀等离子体，所述烧蚀等离子体在所述非平衡磁场的作用下做进一步电离并均匀分布至所述靶材表面。2.根据权利要求1所述的脉冲激光沉积系统，其特征在于，所述系统还包括等离子体发生器，所述等离子体发生器与所述真空室连通，用于对注入其内的气体进行等离子体化，并将所述气体的等离子体输送至所述真空室内。3.根据权利要求1所述的脉冲激光沉积系统，其特征在于，所述衬底承载架为偏置电极，所述偏置电极用于承载衬底，并与偏置电源连接，以在所述偏置电极上形成电场，以吸引等离子体轰击到衬底上。4.根据权利要求1或3所述的脉冲激光沉积系统，其特征在于，所述衬底承载架还通过旋转轴与旋转装置连接，以使所述旋转装置带动所述偏置电极转动。5.根据权利要求1所述的脉冲激光沉积系统，其特征在于，所述系统还包括温控系统，用于对所述真空室内的温度进行控制。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：石永敬，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：重庆;50