一種激光誘導等離子體直寫沉積方法和裝置與流程

本發明屬于激光應用技術領域，具體涉及一種激光誘導等離子體直寫沉積方法和裝置。

背景技術：

激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面性能。由于激光加工是無接觸式加工，工具不會與工件的表面直接摩擦產生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對象受熱影響的范圍較小而且不會產生噪音。由于激光束的能量和光束的移動速度均可調節，因此激光加工可應用到不同層面和范圍上。

直寫技術不是一種單一的工藝，而是從快速原型制造領域發展起來的制造電子傳感元件和微結構的一類新工藝技術的統稱，但“直寫”(directwrite)一詞并非新概念，如我們用筆寫字就屬于一種典型的直寫工藝過程，它本質上可看作是在大腦意識中的字體筆劃圖形驅動下的油墨材料沉積過程(從筆內流出沉積到紙張上)。在此基礎上，可以認為“任何可以由預先設計的圖形數據驅動在某種材料表面實現材料的沉積、轉移或處理的工藝或技術”均可歸之為直寫技術，換言之，任何不是由圖形數據直接驅動的加工方法，如硅基微加工工藝、liga工藝等，均不屬于直寫技術。

直寫技術能夠依照計算機程序預設的形狀和尺寸要求，在所指定的基板表面去除或者沉積所指定的各種材料，形成所需要功能結構的技術和工藝。與傳統的基板制造技術相比，直寫技術具有不需掩膜、制造精度高、易于修改、研制周期短、材料選擇范圍廣、材料利用率高、對環境污染小等優點。直寫技術主要分為減成法和加成法兩種。減成法指采用特定工具在基板表面進行刻蝕或者雕刻等去除過程，該方法的工藝簡單可靠，所使用的工具可以是聚焦離子束、激光束、金剛石刀具等，但所制造的微結構功能主要局限于基板相關材料。加成法是指采用特殊的工具在基板表面添加新的材料來形成微結構的過程。加成法所添加的材料不受基板材料的限制，因此可以制備的微結構種類更多，功能也更廣泛。在眾多的加成法直寫技術中，比較成熟和應用廣泛的主要有micropen直寫技術和m3d技術，但micropen直寫技術所需要的設備比較復雜，m3d技術能夠適用的漿料種類較少。

等離子體是由大量正負帶電粒子和中性粒子組成的，并表現出集體行為的一種準中性氣體。它已區別于物質的固、該、氣三種狀態，而稱為物質的第四態。等離子體的集體行為體現在帶電粒子的作用不局限在它自身周圍，它的運動引起的空間電荷局部集中，產生空間電荷場，電荷的運動也會產生電流引起的磁場，這樣的電荷電場和電流磁場，對遠處的帶電粒子運動發生積極的影響，因此等離子體是一個完整的整體。

脈沖激光沉積(pulsedlaserdeposition簡稱pld)技術，是伴隨著激光技術的發展而一步步發展起來的。人們發現激光與固體作用時，在固體表面附近區域會產生一個由該固體成分粒子形成的發光的等離子體區，如果這些處于等離子體狀態的物質離子向外噴射，并沉積于襯底上，就會形成薄膜，這就是激光沉積薄膜技術。pld的主要制膜過程可簡單描述為：一束激光通過聚焦，從窗口進入真空室。激光束的入射角度可以任意選，但一般為了提高沉積效率，常選擇與靶材表面成45°。激光照射到靶材上，使靶材瞬時獲得1～10j/cm²的能量密度，燒蝕產物受激光輻射形成高溫高壓等離子體羽輝。等離子體羽輝中包括了離子、電子、中性原子、分子以及大原子團等成分。等離子體經過在真空室的膨脹飛行，最終到達基底表面沉積成膜。目前，脈沖激光沉積技術已用來制作具備外延特性的晶體薄膜。陶瓷氧化物(ceramicoxide)、氮化物膜(nitridefilms)、金屬多層膜(metallicmultilayers)，以及各種超晶格(superlattices)等都可以用脈沖激光沉積技術來制作。但是，脈沖激光沉積技術目前還只能制備薄膜，不能制備圖形化的涂層。

技術實現要素：

本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種能夠制備圖形化涂層的激光誘導等離子體直寫沉積裝置；本發明還同時提供了一種能夠制備圖形化涂層的激光誘導等離子體直寫沉積方法。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種激光誘導等離子體直寫沉積裝置，包括直寫沉積加工頭、基片、工作臺、激光發射模塊、吹氣模塊和多自由度運動模塊，所述基片設置在工作臺上，所述激光發射模塊用于發射聚焦激光束；所述吹氣模塊用于向直寫沉積加工頭內吹氣；所述多自由度運動模塊用于提供二維或三維運動，使直寫沉積加工頭與工作臺發生相對運動；

所述直寫沉積加工頭呈筒形中空結構；所述直寫沉積加工頭的筒形內部空腔為真空腔，所述真空腔具有兩個端部，分別為第一端部和第二端部；第一端部上設置有可旋轉的靶材安裝座，靶材安裝座上沿圓周方向均勻設置有多個圓形安裝孔，多個圓形安裝孔的圓心位于同一圓周上；多個圓形安裝孔的中心軸線與靶材安裝座的中心軸線平行；多個靶材分別固定安裝在多個圓形安裝孔上，其安裝方位使得所述多個靶材的中心軸線，以及靶材安裝座的中心軸線均相互平行；直寫沉積加工頭的第二端部設置有一激光入射窗；

所述直寫沉積加工頭筒形內部空腔的側壁上設置有一氣體吹入口，另一側與氣體吹入口相對的位置設置有一錐形噴嘴，所述錐形噴嘴帶有加熱元件；所述直寫沉積加工頭筒形內部空腔內設置有過濾網，所述過濾網可以是高溫陶瓷材質的細網狀薄屏，也可以是孔隙結構的陶瓷薄屏；所述過濾網設置在靶材與等離子體匯聚區域之間，在靶材與等離子體匯聚區域之間施加有電場和/或磁場，用于加速等離子體的帶電粒子。

優選的，在錐形噴嘴的出口處，設有一個氣動或電動控制的遮擋片，用于選擇性的擋住或不擋住攜帶等離子體的氣流從錐形噴嘴的出口噴出。

本發明還同時提供了一種激光誘導等離子體直寫沉積方法，包括如下步驟：

(1)根據需要制備的薄膜涂層的圖形和成分，設計多段加工路徑，并確定與每段加工路徑相對應的靶材的材質；

(2)將與每段加工路徑相對應的一個或多個靶材安裝在直寫沉積加工頭的真空腔內的靶材安裝座上；

(3)將基片固定在工作臺上，并調整好直寫沉積加工頭與基片的方位，使得直寫沉積加工頭與基片相對，而且直寫沉積加工頭與基片可以進行三維相對運動；

(4)調整激光光路，使得從外部進入直寫沉積加工頭的真空腔內的聚焦激光束的焦點恰好位于第一段加工路徑所對應的靶材上；并將第一段加工路徑作為當前加工路徑；

(5)判斷當前加工路徑是否需要沉積，若當前加工路徑不需要沉積時，則控制直寫沉積加工頭與工作臺按照當前加工路徑發生相對運動，之后轉入步驟(11)；

若當前加工路徑需要沉積，則進入步驟(6)；

(6)若激光未開啟，則開啟激光；否則，不做操作；

(7)使聚焦激光束輻照靶材，靶材表面產生高溫高壓的等離子體，等離子體在直寫沉積加工頭內膨脹飛行；

(8)從直寫沉積加工頭側壁上的氣體吹入口向真空腔內吹氣，控制氣體吹入口向真空腔內的吹氣流量，使得需要高溫錐形噴嘴噴射沉積時，加工頭內腔氣壓保持高于大氣壓；同時在靶材與等離子體匯聚區域之間施加電場和/或磁場，使得等離子體的帶電粒子加速；

(9)膨脹飛行的等離子體中的大原子團及大體積熔融飛濺物被過濾網篩選掉，其余等離子體通過過濾網，在氣體的定向作用下，進入高溫錐形噴嘴內；

(10)控制直寫沉積加工頭與工作臺按照當前加工路徑發生相對運動；控制高溫錐形噴嘴持續進行等離子體的聚焦噴射，在基片表面制備出當前加工路徑所對應的圖形化的薄膜涂層；

(11)關閉激光、電場、磁場，同時停止吹氣；若錐形噴嘴的出口處設置有遮擋片，則開啟遮擋片擋住錐形噴嘴的出口，使得等離子體不沉積；

(12)判斷下一段加工路徑所對應的靶材與當前加工路徑所對應的靶材是否一致；若一致，則直接進入步驟(13)；

若不一致，則轉動靶材安裝座，使得聚焦激光束的焦點恰好位于下一段加工路徑所對應的靶材上；

(13)將下一段加工路徑作為當前加工路徑，重復執行步驟(5)-(12)，依次完成每段加工路徑的等離子體的聚焦噴射，實現基片表面圖形化的薄膜涂層的制備；

(14)關閉激光。

本發明具有如下有益效果：

1、本發明利用激光誘導等離子體的可控沉積，激光誘導產生等離子體的原理與現有脈沖激光沉積技術相似，采用聚焦激光束輻照靶材物質，產生等離子體，不同的是脈沖激光沉積技術不能實現對等離子體的篩選和可控圖形化沉積，一般只能制備大塊面積的薄膜，而本發明通過濾網、電/磁場等實現對等離子體的篩選(去除大原子團及偶爾的大體積熔融飛濺物)，并通過高溫錐形噴嘴實現等離子體的聚焦噴射，結合直寫噴嘴與基板的相對運動，可實現圖形化薄膜涂層的直接制備。

2、本發明的激光誘導等離子體直寫沉積方法，沉積的圖形化膜層物質成分與靶的化學計量相同，即具有良好的保成分性；通過設置多個不同材質的靶材并自動轉換，易獲得期望化學計量比的多組分、多層次、梯度成分等任意定制成分薄膜涂層。

3、本發明的激光誘導等離子體直寫沉積方法，通過對等離子體的篩選(去除大原子團及偶爾的大體積熔融飛濺物)，并通過高溫錐形噴嘴實現等離子體的聚焦噴射，具有沉積速率高，襯底溫度要求低，制備的薄膜均勻的特點。

4、本發明的激光誘導等離子體直寫沉積方法，工藝參數任意調節，對靶材的種類沒有限制，具有極大的兼容性。

5、本發明的激光誘導等離子體直寫沉積方法與裝置，通過圖形化沉積路徑的設計，配合以基片與直寫噴嘴的三維運動編程(類似3d打印工藝的分層切片、層層堆積原理)，具備直寫三維微結構的能力，完全突破了傳統脈沖激光沉積技術的能力瓶頸。

6、本發明的激光誘導等離子體直寫沉積方法與裝置，便于清潔處理，可以制備多種薄膜材料。

附圖說明

圖1為本發明所述激光誘導等離子體直寫沉積裝置的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細的說明。

如圖1所示，本發明提供了一種激光誘導等離子體直寫沉積裝置，包括直寫沉積加工頭1、基片2、工作臺3、激光發射模塊4、吹氣模塊和多自由度運動模塊，所述基片2設置在工作臺3上，所述激光發射模塊4用于發射聚焦激光束；所述吹氣模塊用于向直寫沉積加工頭1內吹氣；所述多自由度運動模塊用于提供二維或三維運動，使直寫沉積加工頭1與工作臺3發生相對運動；所述多自由度運動模塊可以與工作臺3連接，使工作臺3運動，直寫沉積加工頭1保持不動；也可以與直寫沉積加工頭1連接，使直寫沉積加工頭1運動，工作臺3保持不動。

所述直寫沉積加工頭1呈筒形中空結構，其材質為耐高溫結構陶瓷、高溫氧化物或者高溫非氧化物，如氮化硼(熔點可達3000攝氏度)；所述直寫沉積加工頭1的筒形內部空腔為真空腔，所述真空腔具有兩個端部，分別為第一端部和第二端部。

第一端部上設置有可旋轉的靶材安裝座13，靶材安裝座13上沿圓周方向均勻設置有多個圓形安裝孔，多個圓形安裝孔的圓心位于同一圓周上；多個圓形安裝孔的中心軸線應該與靶材安裝座13的中心軸線平行。

多個靶材5分別固定安裝在多個圓形安裝孔上，其安裝方位使得所述多個靶材5的中心軸線，以及靶材安裝座13的中心軸線均相互平行，即靶材5的安裝是偏心的，這樣在靶材安裝座13旋轉時，激光束可以聚焦作用在不同的靶材5上。

直寫沉積加工頭1的第二端部設置有一激光入射窗6，激光入射窗6的作用一方面是透射激光，另一方面是密封腔體。

所述直寫沉積加工頭1筒形內部空腔的側壁上設置有一氣體吹入口7，另一側與氣體吹入口7相對的位置設置有一錐形噴嘴8，所述錐形噴嘴8帶有加熱元件14，使其保持高溫，減少等離子體在噴嘴內壁的凝結。為了便于描述，下面將以錐形噴嘴8的中心軸線為中心軸，以錐形噴嘴8的大端口徑為半徑的圓柱形區域稱為等離子體匯聚區域。

優選的，在錐形噴嘴8的出口處，設有一個氣動或電動控制的遮擋片，可以選擇性的擋住或不擋住攜帶等離子體的氣流從錐形噴嘴8的出口噴出；

所述直寫沉積加工頭1筒形內部空腔內還設置有過濾網12，所述過濾網12設置在靶材5與等離子體匯聚區域之間，所述過濾網12可以是高溫陶瓷材質的細網狀薄屏，也可以是孔隙結構的陶瓷薄屏。

在靶材5與等離子體匯聚區域之間還施加有電場和/或磁場，可以是加工頭內設置對應機構裝置施加，也可以是外場施加，作用在于加速等離子體的帶電粒子。

本發明還提供了一種激光誘導等離子體直寫沉積方法，具體包括如下步驟：

(1)根據需要制備的薄膜涂層的圖形和成分，設計多段加工路徑，并確定與每段加工路徑相對應的靶材5的材質；

(2)將與每段加工路徑相對應的一個或多個靶材5安裝在直寫沉積加工頭1的真空腔內的靶材安裝座13上；

(3)將基片2固定在工作臺1上，并調整好直寫沉積加工頭1與基片2的方位，使得直寫沉積加工頭1與基片2相對，而且直寫沉積加工頭1與基片2可以進行三維相對運動；

(4)調整激光光路，使得從外部進入直寫沉積加工頭1的真空腔內的聚焦激光束9的焦點恰好位于第一段加工路徑所對應的靶材5上；并將第一段加工路徑作為當前加工路徑；

(5)判斷當前加工路徑是否需要沉積，若當前加工路徑不需要沉積時(也就是該段加工路徑為沉積圖形時的空行程，即一條沉積路徑末尾到下一條沉積路徑開始的行程)，則控制直寫沉積加工頭1與工作臺3按照當前加工路徑發生相對運動，之后轉入步驟(12)；

若當前加工路徑需要沉積，則進入步驟(6)；

(6)若激光未開啟，則開啟激光；否則，不做操作，直接進入步驟(7)；

(8)使聚焦激光束9輻照靶材5，靶材5表面產生高溫高壓的等離子體11，等離子體11在直寫沉積加工頭1內膨脹飛行；

(9)從直寫沉積加工頭1側壁上的氣體吹入口7向真空腔內吹氣，控制氣體吹入口7向真空腔內的吹氣流量，使得需要高溫錐形噴嘴8噴射沉積時，加工頭內腔氣壓保持高于大氣壓的一定數值范圍內(典型的如1～100kpa)；同時在靶材5與等離子體匯聚區域之間施加電場和/或磁場，使得等離子體的帶電粒子加速；

(10)膨脹飛行的等離子體11中的大原子團及大體積熔融飛濺物被過濾網12篩選掉，其余等離子體通過過濾網12，在氣體的定向作用下，進入高溫錐形噴嘴8內；

(11)控制直寫沉積加工頭1與工作臺3按照當前加工路徑發生相對運動；控制高溫錐形噴嘴8持續進行等離子體的聚焦噴射，在基片2表面制備出當前加工路徑所對應的圖形化的薄膜涂層；

(12)關閉激光、電場、磁場，同時停止吹氣；若錐形噴嘴8的出口處設置有遮擋片，則開啟遮擋片擋住錐形噴嘴8的出口，使得等離子體不沉積；

(13)判斷下一段加工路徑所對應的靶材5與當前加工路徑所對應的靶材5是否一致；若一致，則直接進入步驟(14)；

若不一致，則轉動靶材安裝座13，使得聚焦激光束9的焦點恰好位于下一段加工路徑所對應的靶材5上；

(14)將下一段加工路徑作為當前加工路徑，重復執行步驟(5)-(14)，依次完成每段加工路徑的等離子體的聚焦噴射，實現基片2表面圖形化的薄膜涂層的制備；

(15)關閉激光。

本發明可改變為多種方式對本領域的技術人員是顯而易見的，這樣的改變不認為脫離本發明的范圍。所有這樣的對所述領域的技術人員顯而易見的修改，將包括在本權利要求的范圍之內。