專利名稱：一種基于透明材料的激光鍍膜裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于透明材料的激光鍍膜裝置和方法，該方法可以在透 明材料表面鍍覆具有可控厚度的膜層，屬于微加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電鍍是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過 程。電鍍時，鍍層金屬做陽極，被氧化成陽離子進(jìn)入電鍍液；待鍍的金屬制 品做陰極，鍍層金屬的陽離子在金屬表面被還原形成鍍層。電鍍的目的是在 基材上鍍上金屬鍍層,改變基材表面性質(zhì)或尺寸。電鍍能增強(qiáng)金屬的抗腐蝕性 (鍍層金屬多采用耐腐蝕的金屬)、增加硬度、防止磨耗、提高導(dǎo)電性、潤滑性、 耐熱性、和美觀度。
化學(xué)鍍是一種不需要通電，依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，利用強(qiáng)還原劑在含 有金屬離子的溶液中，將金屬離子還原成金屬而沉積在各種材料表面形成致 密鍍層的方法。
化學(xué)氣相沉積(CVD)是指把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng) 劑的蒸氣及反應(yīng)所需其它氣體引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄 膜的過程。
物理氣相沉積是利用蒸發(fā)或濺射等物理形式，把材料從靶源移走，然后 通過真空或半真空空間使這些攜帶能量的蒸發(fā)粒子沉積到基體或零件的表 面，以形成膜層。物理氣相沉積法主要有真空蒸鍍、陰極濺射和離子鍍。
使用電鍍和化學(xué)鍍無法進(jìn)行復(fù)雜鍍覆復(fù)雜圖案的加工，只是在材料表面覆 一能夠改善其表面性質(zhì)的鍍層,且電鍍和化學(xué)鍍會產(chǎn)生工業(yè)廢水,對環(huán)境造成 污染。氣相沉積鍍膜具有較好精確度，在超大規(guī)模集成電路中很多薄膜都是采 用CVD方法制備。物理氣象沉積法可用于光學(xué)透鏡的反射膜及裝飾用的金膜、 銀膜等各種特殊性能鍍層的制造。然而氣象沉積法的通病是沉積機(jī)理復(fù)雜， 設(shè)備昂貴,加工速度慢，這在很大程度上限制了其發(fā)展應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決目前鍍膜系統(tǒng)工藝復(fù)雜，成本昂貴及速度慢的難題，提 出一種基于透明材料的激光鍍膜裝置和方法。該裝置和方法鍍膜工藝簡單， 方便快捷，能在透明材料表面鍍覆形狀復(fù)雜，且具有可控厚度的膜層。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。本發(fā)明中的激光鍍膜裝 置包括計算機(jī)、與計算機(jī)相連的激光器、安裝在激光器上的激光控制系統(tǒng)、 工作臺、透明材料板、靶材和平板。其中激光器與計算機(jī)相連，工作臺設(shè) 置在激光控制系統(tǒng)的下方，透明材料、靶材和平板從上到下依次放置在工作 臺上。
使用上述裝置進(jìn)行鍍膜時，其具體的鍍膜方法如下
1) 將要鍍覆的圖形導(dǎo)入到計算機(jī)中；
2) 先將靶材放置在工作臺上，然后將透明材料板放置在靶材上，并保 持靶材表面與激光器發(fā)出的激光束焦點(diǎn)所在的平面處于同一平面；
所述的靶材為固體或液體或粉末； 若靶材為固體，將靶材直接置于透明材料板下面；
若靶材為液體，先將液體盛放在一開口容器內(nèi)，然后再將透明材料板放 置在容器上；
若靶材為粉末，先將粉末均勻鋪于平板或盛粉裝置上壓實(shí)，然后再在其 上放置透明材料板；
3) 調(diào)整激光鍍膜工藝參數(shù)，所述激光鍍膜工藝參數(shù)包括激光功率、掃描 速度和掃描間隔，靶材在該激光作用下能夠達(dá)到熔化或發(fā)生反應(yīng)的溫度；
4) 打開激光器，激光控制系統(tǒng)根據(jù)計算機(jī)輸出的圖形信號進(jìn)行掃描，激 光束作為高能束從上面穿過透明材料板照射在靶材上進(jìn)行濺射鍍膜。
5) 掃描完成后清除粘附在透明材料板上而未被激光照射的靶材。 所述的工作臺、靶材和透明材料板置于空氣中或真空中或某種保護(hù)氣中。 所述的激光器為光纖激光器、Nd:YAG固體激光器或二氧化碳激光器，所
使用的激光為連續(xù)激光或脈沖激光。
所述的激光控制系統(tǒng)為掃描振鏡、數(shù)控激光加工頭或能夠?qū)崿F(xiàn)二維或三所述的透明材料板為玻璃板或水晶板或高分子透明材料。 所述的激光由電子束或粒子束代替。
本發(fā)明的工作原理是將靶材置于透明材料板的下面，激光穿過透明材 料照射在靶材上，耙材受熱熔化濺射至靠近的透明基底上，高熱量使透明材 料基底產(chǎn)生微熔，從而將靶材鍍覆于透明材料上形成鍍層。
激光束照射在靶材上，通過調(diào)節(jié)激光器輸出功率或靶材顆粒度或離焦量 或掃描間隔或掃描方式來控制膜厚及線寬大小。由于激光攜帶的大量能量使 得靶材與透明基底材料之間產(chǎn)生大量的熱，發(fā)生伴隨光化學(xué)反應(yīng)的熱化學(xué)反 應(yīng)，因此可通過控制反應(yīng)環(huán)境氣氛和添加反應(yīng)物得到所需要的反應(yīng)生成物。
本發(fā)明裝置簡單，成本低廉，可在透明材料表面鍍覆微米級或納米級膜 層，精度高，可控性好，膜層具有良好的邊緣銳度，膜層形狀可通過計算機(jī) 輸出控制。本發(fā)明可用于集成電路布線、功能膜層的鍍覆、掩膜以及精美工 藝品的制造。


圖1本發(fā)明中的基于透明材料的激光鍍膜裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
圖中1、計算機(jī)，2、激光器、3、激光控制系統(tǒng)，4、透明材料板，5、 靶材，6、平板，7、工作臺。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
本發(fā)明采用的鍍膜裝置包括控制輸出信號頻率的計算機(jī)、激光器，計算 機(jī)與激光器通過數(shù)據(jù)線連接，激光器上設(shè)置有一個激光控制系統(tǒng)，透明 材料和靶材置于加工工作臺上。
使用上述基于透明材料的激光鍍膜裝置進(jìn)行鍍膜，其方法如下
1) 計算機(jī)與激光器通過數(shù)據(jù)線相連接，將要鍍覆的圖形導(dǎo)入到計算機(jī)中， 激光控制系統(tǒng)在計算機(jī)的控制下能夠進(jìn)行工作；
2) 將靶材放置于透明板材的下面，保持耙材表面與激光束焦點(diǎn)所在平面 處于同一平面。對于粉末靶材，需將粉末均勻鋪于平板或盛粉裝置上壓實(shí)，再在其上放置透明材料板；對于液體或固體靶材，將靶材置于透明材料板內(nèi) 側(cè)；若靶材為薄板或薄膜，將靶材展平置于透明材料板內(nèi)側(cè)；若透明材料為 透明瓶，將靶材置于透明瓶內(nèi)；
3) 將透明材料板、靶材和工作臺可置于特定環(huán)境氣氛中，如空氣中或真 空中或某種保護(hù)氣體中，以控制生成物成分；
4) 調(diào)整激光器的激光功率、掃描速度和掃描間隔，使靶材在該激光的作 用下能夠達(dá)到熔化或發(fā)生反應(yīng)的溫度。
5) 打開激光器，激光控制系統(tǒng)將根據(jù)計算機(jī)輸出的圖形信號進(jìn)行掃描， 激光束作為高能束從外側(cè)穿過透明材料照射在靶材上進(jìn)行濺射鍍膜；
6)掃描完成后清除粘附在透明材料板上而未被激光照射的靶材，留下膜層。
所述的激光器，可以是光纖激光器、Nd:YAG固體激光器或二氧化碳激光 器，所使用的激光為連續(xù)激光或脈沖激光。
所述的激光控制系統(tǒng)，依具體的圖形和材料的不同，可以是掃描振鏡或 數(shù)控激光加工頭，以及可以實(shí)現(xiàn)二維或三維加工的數(shù)控機(jī)床。
所述的透明材料，可以是普通的玻璃板或水晶板或有機(jī)玻璃板或鋼化玻 璃板或高分子透明材料，其形狀可以是透明瓶，其厚度可以根據(jù)加工要求選 擇。
所述的耙材可以是粉末或液體或薄板或薄膜，靶材成分可以是金屬或石 墨或漿料或顏料，如鋅粉、銅粉等金屬粉末或非金屬粉末、混合粉末或摻有 粘結(jié)劑的粉末，以及導(dǎo)電漿料等。
所述的平板可以是金屬或非金屬板，如鋼板、不銹鋼板、銅板、鋁板、 玻璃板等，盛粉裝置可以是容器。
所述的清除粘附靶材的過程可使用液體沖洗或吹風(fēng)機(jī)吹除或或超聲波清 洗等清除方式，如用水沖洗、酒精擦拭。
所述環(huán)境氣氛可以是空氣氣氛或真空室或氣體保護(hù)的氣氛，還可以加入 參加或輔助光化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。
所述的高能束可以是激光束，也可以是電子束或粒子束等高能束，所用的透明材料板可以是針對高能束透明的材料
以下實(shí)例選用體積小、光束質(zhì)量好、加工方便的光纖激光器，波長為
1064nm，激光控制系統(tǒng)采用掃描振鏡；以熔點(diǎn)較低附著性好的鋅粉作為靶材， 其粉末直徑6um;以不銹鋼板作為鋪粉平板；選擇3mm厚的普通玻璃作為透明 材料進(jìn)行鍍膜。
實(shí)施例l:鍍覆100ran*100mm的氧化鋅膜層
將鋅粉均勻鋪陳于不銹鋼板上并壓實(shí)成lmm厚度，再在其上放置一厚度 為3mm的玻璃平板，保持粉層上表面與掃描振鏡焦點(diǎn)在同一平面。在控制激 光輸出的計算機(jī)軟件中編輯好實(shí)際尺寸為10On00mm的黑色填充位圖，設(shè)定 加工參數(shù)為功率10W，頻率80KHZ，掃描間隔O. lmm，掃描速度400mm/s。打 開激光器，使激光按照設(shè)定的加工參數(shù)進(jìn)行掃描。掃描完畢以吹風(fēng)機(jī)吹除未 被激光照射而黏附在玻璃板上的粉末并用酒精清洗，即可在玻璃基板表面得 到低厚度、不透光的氧化鋅膜層。 實(shí)施例2:精美圖案的制作
將鋅粉均勻鋪陳于不銹鋼板上并壓實(shí)成lmm厚度，再在其上放置一厚度 為3ram的玻璃平板，保持粉層上表面與掃描振鏡焦點(diǎn)在同一平面。在控制激 光輸出的計算機(jī)軟件中編輯好雪花形狀的位圖，設(shè)定加工參數(shù)為功率IOW，頻 率80KHZ，掃描間隔O. lmm，掃描速度400mm/s。打開激光器，使激光按照設(shè) 定的加工參數(shù)進(jìn)行掃描。掃描完畢以吹風(fēng)機(jī)吹除未被激光照射而黏附在玻璃 板上的粉末并用水沖洗，即可在玻璃基板表面得到清晰美觀雪花圖案。 實(shí)施例3:激光布線
將鋅粉均勻鋪陳于不銹鋼板上并壓實(shí)成lmm厚度，再在其上放置一厚度 為3ram的玻璃平板，保持粉層上表面與掃描振鏡焦點(diǎn)在同一平面。在控制激 光輸出的計算機(jī)軟件中編輯好細(xì)線形狀的矢量圖，設(shè)定加工參數(shù)為功率IOW， 頻率80KHZ，，掃描速度500mm/s。打開激光器，使激光按照設(shè)定的加工參數(shù) 進(jìn)行掃描。掃描完畢以吹風(fēng)機(jī)吹除未被激光照射而黏附在玻璃板上的粉末并 用水沖洗，即可在玻璃基板表面得到線寬為微米級的細(xì)線。 實(shí)施例4:鍍角形膜將鋅粉均勻鋪陳于不銹鋼板上并壓實(shí)成lmm厚度，再在其上放置一厚度 為3mm的玻璃平板，保持粉層上表面與掃描振鏡焦點(diǎn)在同一平面。在控制激 光輸出的計算機(jī)軟件中編輯好三角形狀的矢量圖，設(shè)定加工參數(shù)為功率iow， 頻率80KHZ，，掃描速度700mm/s，掃描間隔0. Olmm。打開激光器，使激光按 照設(shè)定的加工參數(shù)進(jìn)行掃描。掃描完畢以吹風(fēng)機(jī)吹除未被激光照射而黏附在 玻璃板上的粉末并用水沖洗，即可在玻璃基板表面得到高銳度的角形膜。
有必要在此指出的是以上實(shí)例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理 解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
權(quán)利要求
1、一種基于透明材料的激光鍍膜裝置，其特征在于包括計算機(jī)、與計算機(jī)相連的激光器、安裝在激光器上的激光控制系統(tǒng)、工作臺、透明材料板、靶材和平板；其中激光器與計算機(jī)相連，工作臺設(shè)置在激光控制系統(tǒng)的下方，透明材料、靶材和平板從上到下依次放置在工作臺上。
2、 一種利用權(quán)利要求1所述的一種基于透明材料的激光鍍膜裝置進(jìn)行激光鍍 膜的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1) 將要鍍覆的圖形導(dǎo)入到計算機(jī)中；2) 先將靶材放置在工作臺上，然后將透明材料板放置在靶材上，并保 持靶材表面與激光器發(fā)出的激光束焦點(diǎn)所在的平面處于同一平面；3) 調(diào)整激光鍍膜工藝參數(shù)，所述激光鍍膜工藝參數(shù)包括激光功率、掃描 速度和掃描間隔，靶材在該激光作用下能夠達(dá)到熔化或發(fā)生反應(yīng)的溫度；4) 打開激光器，激光控制系統(tǒng)根據(jù)計算機(jī)輸出的圖形信號進(jìn)行掃描，激 光束作為高能束從上面穿過透明材料板照射在耙材上進(jìn)行濺射鍍膜；5) 掃描完成后清除粘附在透明材料板上而未被激光照射的耙材。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于透明材料的激光鍍膜方法，其特征在于 所述的工作臺、靶材和透明材料板置于空氣中或真空中或氬氣、氮?dú)庵小?br> 4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于透明材料的激光鍍膜方法，其特征在于所述的激光器為光纖激光器、Nd:YAG固體激光器或二氧化碳激光器，所使用 的激光為連續(xù)激光或脈沖激光。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于透明材料的激光鍍膜方法，其特征在于 所述的激光控制系統(tǒng)為掃描振鏡、數(shù)控激光加工頭或能夠?qū)崿F(xiàn)二維或三維加 工的數(shù)控機(jī)床。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于透明材料的激光鍍膜方法，其特征在于-所述的透明材料板為玻璃板或水晶板或高分子透明材料。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于透明材料的激光鍍膜方法，其特征在于 所述的靶材為固體或液體或粉末；若靶材為固體，將靶材直接置于透明材料板下面；若靶材為液體，先將液體盛放在一開口容器內(nèi)，然后再將透明材料板放置在容器上；若靶材為粉末，先將粉末均勻鋪于平板或盛粉裝置上壓實(shí)，然后再在其 上放置透明材料板；
8、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于透明材料的激光鍍膜方法，其特征在于: 所述的激光束由電子束或粒子束代替。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于透明材料的激光鍍膜裝置和方法，屬于微加工領(lǐng)域。該裝置包括計算機(jī)、與計算機(jī)相連的激光器、安裝在激光器上的激光控制系統(tǒng)、工作臺、透明材料板、靶材和平板；其中激光器與計算機(jī)相連，工作臺設(shè)置在激光控制系統(tǒng)的下方，透明材料、靶材和平板從上到下依次放置在工作臺上。鍍膜時將靶材置于透明材料板的下面，激光從上面穿過透明材料照射在靶材上，靶材受熱熔化濺射至靠近的透明基板上，高熱量使透明材料基底產(chǎn)生微熔，從而在透明材料上形成鍍層。本發(fā)明裝置簡單，成本低廉，可在透明材料表面鍍覆微米級或納米級厚度的膜層，精度高，可控性好，膜層具有良好的邊緣銳度，膜層形狀可通過計算機(jī)輸出控制。
文檔編號C23C14/28GK101575695SQ200910086810
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者劉富榮, 李曉剛, 威 楊, 陳繼民 申請人:北京工業(yè)大學(xué)