專利名稱：沉積類金剛石薄膜的鍍膜機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種沉積類金剛石薄膜的鍍膜機。適用于在各種基底材料上制備大面積均勻的類金剛石薄膜，在工業(yè)加工和電子半導(dǎo)體工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，在激光沉積制備薄膜科學(xué)研究方面也有很大的意義。
已有技術(shù)類金剛石薄膜因具有極高的硬度、耐磨性好、抗壓強度高、耐溫高、高熱導(dǎo)等優(yōu)異的物理化學(xué)特性而倍受人們的青睞。人們已用各種方法制備出類金剛石薄膜，已經(jīng)初步應(yīng)用在機械電子等領(lǐng)域。自從有利用原子態(tài)氫去除石墨的提出，以低壓化學(xué)氣相沉積(CVD)制備類金剛石薄膜成為可能，由此為基礎(chǔ)發(fā)展了多種制備裝置，如用熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD-hot filament chemical vapor deposition)蒸發(fā)靶材，微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MWCVD-microwave plasma chemical vapordeposition)、以及采用電子輔助化學(xué)氣相沉積(electron assistant CVD)鍍膜機等。另外利用等離子體制備薄膜的鍍膜機也成為一種具有很大應(yīng)用前景，如激光消融沉積、直流等離子體噴射(DC arc plasma jet)在快速制備大面積的類金剛石薄膜方面已取得進展。
上述的化學(xué)氣相沉積制備類金剛石薄膜需要的機器龐大，控制復(fù)雜，而已有的激光沉積制備類金剛石薄膜需要給基底材料加熱，使其溫度控制在300度到500度，這樣才有利于類金剛石薄膜的形成，通常采用的加熱裝置為電阻絲加熱，通過可控硅控制溫度，由于制備薄膜在真空室中進行，這樣就對機器的操作帶來一定的困難。
本實用新型的目的為克服上述已有技術(shù)中的難題，提供一種沉積類金剛石薄膜鍍膜機，解決沉積薄膜同時對基底材料進行加熱的問題，比已有技術(shù)中的激光沉積制備類金剛石薄膜將具有結(jié)構(gòu)簡單，易于控制等特點。
本實用新型的沉積類金剛石薄膜的鍍膜機包括真空室4，真空室4壁上帶有第一透光窗口401，觀察窗口402，接真空系統(tǒng)的排氣口403和第二透光窗口404。在真空室4內(nèi)有置于旋轉(zhuǎn)支架7上的靶材6和待沉積薄膜基底5。置于真空室4外有光軸對準真空室4壁上第一透光窗口401中心的光源1，由光源1發(fā)射的光束G經(jīng)置于光源1與第一透光窗口401之間的分束鏡2將光束G分成消融沉積光束G1和掃描光束G2兩束光。由分束鏡2透過的光束為消融沉積光束G1，經(jīng)置于分束鏡2與第一透光窗口401之間的第一聚焦透鏡3透過真空室4壁上的第一透光窗口401會聚到置于真空室4內(nèi)的靶材6上。由分束鏡2反射的光束為掃描光束G2經(jīng)反射鏡11，第二聚焦透鏡10和置于旋轉(zhuǎn)鏡架8上的旋轉(zhuǎn)反射鏡9透過真空室4壁上的第二透光窗口404會聚到置于真空室4內(nèi)的待沉積薄膜基底5上。
所說的光源1是準分子激光器，或者是半導(dǎo)體激光器，或者是其它固體激光器，或者是其它氣體激光器。
所說的置于真空室4內(nèi)旋轉(zhuǎn)支架6上的靶材6是由石墨構(gòu)成的，或者是由超導(dǎo)材料構(gòu)成的，或者由其它金屬材料構(gòu)成的。
所說的基底5是單晶硅片，或者是超導(dǎo)薄膜，或者是晶體石英片或者是玻璃片。
本實用新型的沉積類金剛石薄膜的鍍膜機如圖1所示，光源1發(fā)射的光束G通過分束鏡2分成兩束光，一束為掃描光束G2，另一束為消融沉積光束G1。消融沉積光束G1通過聚焦透鏡3會聚到旋轉(zhuǎn)的靶材6上，形成片狀等離子體羽，飛向待沉積薄膜基底5，在基底5上沉積，形成類金剛石薄膜。同時掃描光束G2通過反射鏡11，第二聚焦透鏡10和旋轉(zhuǎn)反射鏡9會聚到基底5上，對基底5進行同步加熱，有利于類金剛石薄膜的形成。由于旋轉(zhuǎn)反射鏡9是置于有電機控制的旋轉(zhuǎn)鏡架8上，進行搖擺轉(zhuǎn)動，使掃描光束G2在基底5上掃描，有利于大面積的類金剛石薄膜的制備，激光加熱基底5所形成的溫度可以有公式計算T(z,t)=2(1-R)Pπa2•ktK•erfc[z2kt-ierfcz2+a22kt]]]>其中T(z，t)是半徑為a的表面沿輻射中心z軸上的溫度，P為光源1的輻射功率，k為熱擴散率，K為熱導(dǎo)率，t為光源1的脈沖寬度?；?表面的溫度為To=2(1-R)Pπa2•ktK,]]>一般的估算表面溫度在104K以上，另一方面，光源1光束產(chǎn)生的光壓也在kPa以上，這就形成了靶材6向類金剛石轉(zhuǎn)變的高溫和壓力條件。
本實用新型的優(yōu)點本實用新型的鍍膜機采用雙光束沉積類金剛石薄膜，一束用來消融沉積薄膜，一束用來沉積薄膜的同時加熱基底5，獲得的薄膜質(zhì)量優(yōu)良，均勻而牢固。其機器具有結(jié)構(gòu)簡單，易于控制。并由于光源1的熱效應(yīng)和短脈沖，對基底5材料不造成破壞。例如可以在不破壞超導(dǎo)薄膜的情況下，在超導(dǎo)薄膜表面上能夠鍍上一層類金剛石薄膜保護層。


圖1是本實用新型的沉積類金剛石薄膜鍍膜機的示意圖實施例沉積類金剛石薄膜的鍍膜機如圖1，光源1為308nm的XeCl準分子激光器，激光脈沖能量為210mJ，脈沖寬度為30ns，分束鏡2使掃描光束G2和消融沉積光束G1的能量比為G2∶G1＝4∶6，會聚掃描光束G2的第二聚焦透鏡10焦距為50cm，而會聚消融沉積光束G1的第一聚焦透鏡焦距為20cm。掃描光束G2照射到基底5上的光斑大小為10mm×19mm，消融沉積光束G1照射到高純度石墨構(gòu)成的靶材6上的光斑大小為1.9mm×1.2mm。待沉積薄膜基底5和石墨靶材6的距離為3.4cm，真空室4的真空度為0.8×10-3Pa，基底5材料為單晶硅，其表面經(jīng)過激光預(yù)清洗過。當激光重復(fù)率為5次/分，當輸入12000個脈沖時，沉積出了2cm×2cm厚度均勻的類金剛石薄膜，牢固而且不易被破壞。
權(quán)利要求1.一種沉積類金剛石薄膜的鍍膜機，包括<1>壁上帶有第一透光窗口(401)，觀察窗口(402)，排氣口(403)，和第二透光窗口(404)的真空室(4)；<2>真空室(4)內(nèi)有置于旋轉(zhuǎn)支架(7)上的靶材(6)和待沉積薄膜基底(5)；其特征在于<3>置于真空室(4)外有光軸對準真空室(4)壁上第一透光窗口(401)中心的光源(1)，由光源(1)發(fā)射的光束(G)經(jīng)置于光源(1)與第一透光窗口(401)之間的分束鏡(2)將光束(G)分成消融沉積光束(G1)和掃描光束(G2)；<4>由分束鏡(2)透過的光束為消融沉積光束(G1)經(jīng)過置于分束鏡(2)與第一透光窗口(401)之間的第一聚焦透鏡(3)透過第一透光窗口(401)會聚到置于真空室(1)內(nèi)的靶材(6)上；<5>由分束鏡(2)反射的光束為掃描光束(G2)，經(jīng)過反射鏡(11)，第二會聚透鏡(10)和置于旋轉(zhuǎn)鏡架(8)上的旋轉(zhuǎn)反射鏡(9)透過第二透光窗口(404)會聚到置于真空室(4)內(nèi)的待沉積薄膜基底(5)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沉積類金剛石薄膜的鍍膜機，其特征在于所說的光源(1)是準分子激光器，或者是半導(dǎo)體激光器，或者是其它固體激光器，或者是其它氣體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沉積類金剛石薄膜的鍍膜機，其特征在于所說的靶材(6)是由石墨構(gòu)成的，或者是由超導(dǎo)材料構(gòu)成的，或者是由其它金屬材料構(gòu)成的。
專利摘要一種沉積類金剛石薄膜的鍍膜機,包括壁上帶有兩個透光窗口的真空室,真空室內(nèi)置有靶材和待沉積薄膜基底。置于真空室外有用激光器作為光源發(fā)射光束經(jīng)過分束鏡分成兩束光,一束為消融沉積光束經(jīng)第一聚焦透鏡過第一透光窗口會聚到真空室內(nèi)的靶材上。一束為掃描光束經(jīng)反射鏡,第二聚焦透鏡,旋轉(zhuǎn)反射鏡透過第二透光窗口會聚到真空室內(nèi)的基底上。具有結(jié)構(gòu)簡單,易于操作,獲得的薄膜質(zhì)量優(yōu)良,均勻而牢固。
文檔編號C23C14/24GK2408126SQ0021670
公開日2000年11月29日 申請日期2000年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月3日
發(fā)明者樓祺洪, 黃峰, 李鐵軍, 董景星, 魏運榮 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所