专利名称：一种多功能的等离子体和激光束联合处理材料的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种多功能的利用等离子体和激光束进行材料处理的装置。该装置主要用于对材料进行多种改性处理和加工制备，包括等离子体材料处理和激光束材料处理，特别是可以同时在等离子体和激光束的联合作用下进行材料表面的改性处理和薄膜材料的合成制备。
等离子体表面处理通常是对含有氮、氧、碳或硼等的气体放电形成具有较高化学活性的等离子体，经活化的气体直接与材料表面作用，将氮、氧、碳或硼等化学元素添加到材料表层。可以采用多种放电技术产生等离子体，如直流放电、射频放电、微波放电。其中，电子回旋共振(electron cyclotron resonance，ECR)微波放电是目前最有效的气体放电技术之一，可以在低气压(～10-2Pa)条件产生高密度、高电离度、高化学活性、大体积均匀且稳定的ECR微波等离子体(简称ECR等离子体)，在对材料表面的等离子体改性和加工处理方面具有明显的优越性。利用激光束进行材料表面的改性处理可以分成两类，即在基体材料表面涂覆其它材料的薄层和直接对被处理材料的表面进行处理以形成有异于原材料性质的表面改性层，前者如激光成膜、激光熔覆，后者如激光表面合金化、激光相变。激光表面改性的技术日趋成熟，应用也日益广泛。把ECR等离子体和激光束结合起来进行材料的加工处理，可以获得特殊的效果。这类加工处理在化学活性很高的ECR等离子体环境中进行，有低能等离子体束流和激光束的共同参与，结合了等离子体材料处理技术和激光束材料处理技术的特点，可以充分发挥ECR等离子体和激光束的优点，是值得进行探索、有待于发展并且很有前途的材料表面改性处理和薄膜材料合成制备的新技术。目前尚无可以将等离子体和激光束两者结合起来对材料进行加工处理的装置的报道。
本实用新型的目的是设计具备多种功能的等离子体和激光束联合加工处理的装置，利用这一装置可以分别或者同时用等离子体和激光束进行材料表面的改性处理或者薄膜材料的合成制备。
整套装置由微波部份[包括微波源(1)和微波传输耦合装置(2)]、微波放电装置[包括ECR微波放电腔(3)、电磁线圈及配套的线圈电源(4)]、配气装置(5)、材料处理室(6)和真空机组(7)组成，另配一台激光器(9)和若干光学元件(10)，如
图1所示。微波装置中的微波源产生的微波通过连接其后的微波传输耦合装置提供给放电装置。ECR微波放电腔(简称放电腔)是产生ECR等离子体的场所，它上端与配气装置连接，腔外绕有电磁线圈；放电腔与材料处理室直接连接，材料处理室是对材料进行多种加工处理的场所，它不仅直接与放电腔连通，并带有4-8个相同的法兰接口(8)(
图1中只画出其中一个用作光学窗口的法兰，在图2～图8中八个法兰均按实际部位画出)，分别用作光学窗口或安装样品架(12)和源材料靶(13)；真空机组与处理室连接，但置于处理室之外部。激光器放置在处理室外部，输出的激光束(18)通过光学元件后可以根据需要从不同的光学窗口以不同方向引入材料处理室；样品架安装在一个法兰接口上，用于放置被处理的样品(11)，并可以在处理室外通过磁传动机构调整处理室内样品架的位置和方位；源材料靶安装在另一个法兰接口上，可以由处理室外的电机通过磁传动机构控制其转动，不需要时可以拆卸；为了便于调整用于材料处理的等离子体束流的能量，还可以给被处理材料加上一定的偏置电压(14)(见图2、图、5和图6)。
由真空机组对放电腔和材料处理室抽真空，通过配气系统向放电腔充入一定种类、一定气压的工作气体；通电电磁线圈提供满足ECR工作状态所需的恒定磁场；由微波源通过微波传输耦合系统向放电腔输入微波功率，在ECR状态下对工作气体进行微波放电从而在放电腔内产生ECR等离子体。
本实用新型处理室内样品架位置和方向的操纵装置磁传动机构置于处理室外部。
本实用新型处理室内源材料靶转动的电机控制置于处理室外部。
本实用新型处理室内源材料靶可以拆卸，便于不同条件下的材料处理。
处理室内被处理样品连一偏置电压，通过调节偏置电压，改变等离子体束流能量，获得不同的处理效果。
将ECR等离子体引入材料处理室而不开启激光器，本装置即是单一的等离子体材料处理装置，可对处理室内的材料实施等离子体表面处理(plasma surface processing，PSP)，也可以以等离子体化学气相沉积(plasma chemical vapor deposition，PCVD)形式以一定的气体为源材料进行薄膜制备。
不开启微波放电部分而将激光束经由光学元件并通过光学窗口引入材料处理室，本装置即是单一的激光束材料处理装置，可对处理室内的材料进行激光表面处理(laser surfaceprocessing，LSP)，也可以以脉冲激光沉积(pulsed laser deposition，PLD)形式以一定的固体为源材料进行薄膜制备。
本装置最突出的特点是允许同时将ECR等离子体和激光束引入材料处理室，对材料进行等离子体和激光束联合处理，和以等离子体辅助脉冲激光沉积(plasma assisted pulsed laserdeposition，PAPLD)形式进行薄膜制备。
结合材料的加工处理过程对本实用新型装置进一步阐述如下1)等离子体表面处理如图2所示，对特定的气体进行ECR微波放电产生ECR等离子体，将此等离子体引入材料处理室对置于处理室中的材料进行表面处理。如果工作气体为氧气，则产生ECR氧等离子体，可对材料进行表面氧化处理；如果工作气体为氮气，则产生ECR氮等离子体，可对材料进行表面氮化处理；如果以含碳气体作为工作气体，则产生含活性碳的ECR等离子体，可对材料进行表面碳化处理；也可以以其它种类的气体(包括混合气体)为工作气体，对材料表面进行相应的等离子体处理。由于ECR微波放电可以产生大体积均匀的等离子体，因此可以对材料进行大面积的表面处理。通过调节加在被处理材料上的偏置电压从而改变作用于材料的等离子体束流的能量，以获得不同的处理效果。2)等离子体化学气相沉积如图2所示，这时置于处理室中样品架上的是衬底，衬底的取向根据需要可以随着样品架任意调整。由配气系统向放电腔输入特定的源气体，对它进行ECR微波放电，有效地解离、电离和激发工作源气体，得到高度化学活性的气相物质，一定条件下通过等离子体化学气相沉积过程在衬底上沉积薄膜材料。3)激光表面处理如图3所示，材料处理室处于真空状态或充有特定的气体，将激光束引入材料处理室即可对处于真空或特定气氛中的样品进行表面处理，如激光表面硬化、激光表面合金化等。可以对材料表面进行微区处理，也可以在处理过程中通过磁传动机构连续移动或转动被处理材料以获得较大面积的表面处理层。4)脉冲激光沉积如图4所示，将聚焦的脉冲激光束引入材料处理室，烧蚀作为源材料的固体靶引发由烧蚀产物形成的激光等离子体，随着激光等离子体的膨胀，烧蚀产物向衬底高速输运，在衬底表面凝聚成膜。5)等离子体和激光联合表面处理如图5所示，ECR等离子体和激光束同时作用于材料表面，对材料进行表面处理。在活性的ECR等离子体环境中，低能等离子体束流和激光束对材料表面的联合作用可以获得特殊的处理效果。6)等离子体辅助脉冲激光沉积如图6所示，激光对源材料靶的烧蚀和薄膜在衬底的沉积在ECR等离子体环境中进行，膜层还同时处于低能等离子体的辅助轰击作用之下。脉冲激光对靶的烧蚀所产生的产物在ECR等离子体环境中向衬底高速输运，激光烧蚀产物极易与ECR等离子体中的活性成分发生反应化合成键，在衬底表面凝聚形成化合物薄膜；一定能量(可由偏置电压控制)的等离子体束流对膜层的作用进一步增强表面反应和表面迁移，促进薄膜的生长。
本实用新型装置综合了等离子体加工处理和激光束加工处理两者的特点，利用并不复杂的结构，实现了等离子体表面处理、等离子体化学气相沉积、激光表面处理、脉冲激光沉积、等离子体和激光联合表面处理、等离子体辅助脉冲激光沉积等多种功能的包括表面处理和薄膜制备的材料加工处理方式。通过分别或者同时开启微波放电部分和激光器，可以单独用等离子体或者激光束对材料进行加工处理，或者同时用等离子体和激光束对材料进行联合加工处理，并且操作简单，切换方便，效果良好。
上述图中，1是微波源，2是微波传输耦合系统，3是ECR微波放电腔，4是电磁线圈及配套的线圈电源，5是配气系统，6是材料处理室，7是真空机组，8是材料处理室上的法兰接口，9是激光器，10光学元件，11是被处理材料，12是样品架，13是源材料靶，14是偏置电压，15是ECR等离子体，16是由激光烧蚀产物形成的激光等离子体，17是衬底，18是激光束。
权利要求1.一种等离子体和激光束联合处理材料的装置，主要由微波装置、放电装置、配气装置、真空机组、材料处理室组成，其特征是微波装置中的微波源(1)后联接微波传输耦合装置(2)，其后联放电装置；放电装置中的电子回旋共振微波放电腔(3)上端联配气装置(5)，放电腔外有电磁线圈(4)，放电腔与材料处理室(6)直接联通，处理室有光学窗口；真空机组(7)联接处理室；激光器(9)置于处理室外部，它输出的激光束经由光学元件(10)从光学窗口引入处理室；被处理材料(11)置于处理室内的样品架(12)，处理室内置有一源材料靶(12)。
2.根据权利要求1所述的等离子体和激光束联合处理材料的装置，其特征是样品架在处理室内的位置和方位磁传动操作机构在处理室外部。
3.根据权利要求1所述的等离子体和激光束联合处理材料的装置，其特征是处理室内源材料靶转动的电机控制机构在处理室外部。
4.根据权利要求1所述的等离子体和激光束联合处理材料的装置，其特征是源材料靶是可拆卸的。
5.根据权利要求1所述的等离子体和激光束联合处理材料的装置，其特征是处理室内的被处理样品联一偏置电压。
6.根据权利要求1所述的等离子体和激光束联合材料处理的装置，其特征是关闭激光器即是等离子体材料处理装置。
7.根据权利要求1所述的等离子体和激光束联合材料处理的装置，其特征是关闭微波放电部分即是激光束材料处理装置。
专利摘要本实用新型是一种等离子体和激光束联合材料处理装置。现有技术尚无将两者结合起来对材料进行加工处理的装置。本实用新型装置的材料处理室直接和微波放电腔连通，材料处理室还有多个光学窗口，可以从不同角度将激光束引入材料处理室，从而对材料进行等离子体和激光束联合加工处理。被处理材料在材料处理室中的位置和取向以及在处理过程中的移动和转动可以通过磁传动机构在处理室外灵活操纵。若关闭微波放电部分或者关闭激光器，本装置即是单一的激光束或者单一的等离子体处理装置。本装置结构紧凑而操作简捷，各功能切换方便，处理效果显著。
文档编号C23C14/46GK2550376SQ0226488
公开日2003年5月14日 申请日期2002年6月20日 优先权日2002年6月20日
发明者吴嘉达, 李富铭, 钟晓霞 申请人:复旦大学