一种热处理用衬底、衬底的制备方法和应用有该衬底的热处理装置与流程

本发明涉及材料热处理技术领域，尤其涉及高通量微区快速热处理技术领域，具体涉及一种热处理用的衬底，本发明还涉及该衬底的制备方法，以及一种应用有该衬底的热处理装置。

背景技术：

热处理是将材料通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种材料加工工艺，它可以对材料的缺陷、应力、结构、形貌等都产生重要影响，具有广泛的应用。现有热处理工艺多采用各式炉体结构，如管式炉、箱式炉、马弗炉等，该类装备具有加热面积大的特点，适用于大面积材料样品的热处理。然而材料研究过程中往往需要进行多材料样品、多参数的实验，这种情况下采用现有的热处理装置往往需要进行大量的实验，消耗大量的人力、物力和能源，耗时费力。

高通量组合材料制备与表征技术作为一种高效的材料研究方法，近年来广受重视。它通过在单一的小面积衬底上集成成千上万组材料样品，形成组合材料芯片以供研究。这种制备方法可以大幅度提高材料样品制备通量，提高研究效率，但是这种组合材料芯片上单个材料样品的面积通常都较小，有时仅为微米至毫米量级。申请公布号为CN104498677A(申请号为201510002879.8)的中国发明专利申请《一种高通量微区快速热处理设备及其热处理方法》，其公开的热处理设备中，采用激光作为辐照加热源对组合材料芯片进行微区热处理，利用激光热处理急热急冷的特点实现热处理区域可控，通过调节激光加热源的强度和频率分别对高通量材料中每单个材料样品进行加热，可以实现组合材料芯片的微区快速热处理。由于用于加热的激光往往是具有某一固定波长的，而组合材料库中具有不同成分、结构的材料对于该波长的激光可能具有不同的吸收系数、吸收率等，导致不同材料在相同实验条件下所经历的实际热处理过程可能存在差异，降低了高通量实验的可靠性。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一技术问题是针对上述现有技术提供一种能够替代材料样品直接受辐照而被加热的微区热处理方式，而通过标准吸收层将辐照光能转变为热能，再通过固体热传导进行材料加热处理的衬底。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种制备能够进行光-热能量转换，并通过热传导进行材料加热处理的衬底的方法。

本发明所要解决的第三个技术问题是针对上述现有技术提供一种能够利用上述衬底进行材料热处理的热处理装置。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种衬底，其特征在于：包括包括由对辐照加热源的辐照波长基本无吸收的材料制成的基板、由对加热源辐射波具有高吸收率和吸收系数的材料制成的吸收层、用于阻挡所述基板或吸收层中所包含离子、原子向材料样品迁移的扩散阻挡层，所述吸收层和所述扩散阻挡层叠放设置在所述基板上。

优选地，为了方便调整不同材料样品的加热参数，所述吸收层为一整体单元或者包括多个独立的吸收单元，多个所述吸收单元间隔排列设置在所述基板上。

为了降低各材料样品加热过程中的相互影响，所述扩散阻挡层为一整体单元或者包括多个独立的阻挡单元，每个阻挡单元对应一个吸收单元叠放设置。

根据不同的材料加热要求，为了方便调整加热参数，所述基板至少设置有一层基板叠层，所述吸收层至少设置有一层吸收叠层，所述扩散阻挡层至少设置有一层阻挡叠层。

可选择地，每层所述基板叠层由硅片、钠钙玻璃、石英玻璃、刚玉、硼硅玻璃、蓝宝石、红宝石、硫化玻璃中的一种或者至少两种组合的材料制成；

每层吸收叠层由Si、a-Si、Ge、SiC、SiGe、a-C、GaAs、Ti、SiO₂、Au、Ag、W、Mo、Ti、Cr、Pt、ZnO、TiO₂、Cr₂O₃、Al₂O₃中的一种或者至少两种组合的材料制成；

每层阻挡叠层由Ti基、Ta基、W基、Zr基、Pt基、Cr基、Mo基、Co基的氮化物、氧化物、硅化物中的一种或者至少两种组合的材料制成。

优选地，所述基板厚度为0.1mm～5mm；所述吸收层厚度为10nm～10μm，所述扩散阻挡层厚度为10nm～10μm。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种衬底制备的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、提供对辐照加热源的辐照波长基本无吸收的材料制成的基板；

步骤二、根据吸收层和扩散阻挡层在基板上的叠放顺序，分别在基板上按照吸收层的分布设计沉积吸收层、按照扩散阻挡层的分布设计沉积扩散阻挡层。

优选地，所述步骤一中，对基板的表面进行抛光、喷砂、或制绒预处理，在所述吸收层沉积前，对基板进行清洗处理；清洗处理后在预处理后的基板表面上沉积所述吸收层和扩散阻挡层。

本发明解决上述第三个技术问题所采用的技术方案为：一种热处理装置，其特征在于：包括如权利要求1所述的衬底，还包括具有容置腔的本体和设置在所述本体的容置腔内的加热源，所述衬底设置在所述本体的容置腔内。

优选地，所述加热源为光辐照元件，所述光辐照元件可以是卤素灯、紫外线元件、激光元件、同步辐射X射线光源中的一种或者至少两种的组合。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的热处理用衬底和应用于该衬底的热处理装置，通过吸收层将加热源辐照至衬底处的光子能量转化为热能，进而通过热传导的方式将热能传递给材料样品，从而实现材料样品的热处理。由于各个材料样品处完成光能向热能转化的吸收层物性一直，保证了热处理工艺参数的精确可控，提高了高通量组合材料实验中分立微区热处理的可靠性。根据不同的实验目标，可以设置不同的加热源或不同材料的吸收层，以实现吸收层吸收热量的差异性，进而满足大量不同材料样品的加热要求，从而对每个材料样品热处理进行精确控制。同时还可以通过扩散阻挡层隔离基板和吸收层中包含离子、原子对材料样品的影响。该热处理用衬底和应用有该衬底的热处理装置有效的提高了材料热处理的普适性。本发明中衬底的制备方法则能够制备实现上述效果的衬底。

附图说明

图1为本发明实施例中实施例一中衬底的结构示意图。

图2为本发明实施例中实施例一中热处理装置的结构示意图。

图3为本发明实施例中实施例二中衬底的结构示意图。

图4为本发明实施例中实施例三中衬底的结构示意图。

图5为本发明实施例中实施例四中衬底的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一

如图1所示，本实施例中的衬底，包括基板1、吸收层2和扩散阻挡层3，吸收层2和扩散阻挡层3叠放设置在基板1上。

根据透光要求，基板1可以为单层结构也可以为多叠层结构，即基板1至少设置有一层基板叠层，每层基板叠层可以由硅片、钠钙玻璃、石英玻璃、刚玉、硼硅玻璃、蓝宝石、红宝石或硫化玻璃(Chalcogenide glass)中的一种或者至少两种的组合材料制成。这些材料制成的基板1对作为加热源7的卤素灯、紫外线辐射元件、激光、同步辐射X射线光源等光辐照元件的辐射波长基本无吸收。基板1厚度可以优选为0.1mm～5mm之间任一数值的厚度。

吸收层用以将辐照加热源所发出的光能转化为热能，并通过固体热传导过程将该热能经由扩散阻挡层传递给材料样品。本实施例中的吸收层2一整体沉积层，吸收层2由对加热源7辐射波具有高吸收率和吸收系数的材料制成。以优化热处理效果为目的，吸 收层2可以设置为单层或者多层的叠层结构，即吸收层2至少包括有一层吸收叠层，每层吸收叠层可以由Si、a-Si、Ge、SiC、SiGe、a-C、GaAs、Ti、SiO₂、Au、Ag、W、Mo、Ti、Cr、Pt、ZnO、TiO₂、Cr₂O₃、Al₂O₃中的一种或者至少两种的组合材料制成。由多层膜材料叠加而成的吸收层2，便于实验人员根据实验工作的需求，通过调整各吸收叠层的顺序和材料，调制吸收层光-热能量转换性能和热传导性能。吸收层2的厚度可以优选为10nm～10μm之间任一数值的厚度。

扩散阻挡层3用于阻挡基板1或吸收层2中所包含离子、原子在热处理过程中向材料样品迁移，避免对材料样品的影响。本实施例中的扩散阻挡层3为一整体单元，根据材料样品不同的阻挡效果要求，该扩散阻挡层可以设置为单层结构或者多层的叠层结构，即扩散阻挡层3至少包括有一层阻挡叠层，每层阻挡叠层可以由TiN，TiW，TaSiN、TiSiN中的一种或者至少两种组合的材料制成。由多层膜材料叠加而成的扩散阻挡层3，便于实验人员根据工作需要，通过调整阻挡叠层顺序和所用材料，调制扩散阻挡层3对原子、离子等的阻挡特性和热传导性能。扩散阻挡层3厚度可以优选为10nm～10μm之间任一数值的厚度。

前述的衬底制备的方法包括以下步骤：

步骤一、提供对辐照加热源7的辐照波长基本无吸收的材料制成的基板1，对基板1的表面进行抛光、喷砂、或制绒预处理，并对基板1进行清洗处理；

步骤二、基板1清洗处理后，根据吸收层2、扩散阻挡层3以及材料样品的叠放顺序在基板1上分别沉积吸收层2、扩散阻挡层3以及材料样品；

吸收层2的沉积方法为：在基板1上按照吸收层2的分布设计，采用物理气相沉积、化学气相沉积、雾化喷涂、压电喷墨打印、狭缝涂布等薄膜或厚膜沉积方式在基板上沉积吸收层2；

扩散阻挡层3的沉积方法为：在基板1上按照扩散阻挡层3的分布设计，采用物理气相沉积、化学气相沉积、雾化喷涂、压电喷墨打印、狭缝涂布等方式沉积扩散阻挡层3。

如图2所示，本发明中的热处理装置，包括前述的衬底100，还包括具有容置腔的本体6和设置在本体6的容置腔内的加热源7，衬底100设置在本体6的容置腔内。本实施例中的加热源7为光辐照元件，光辐照元件为卤素灯、紫外线元件、激光元件、同步辐射X射线光源中的一种或者至少两种的组合。该热处理装置还可以包括用于控制和检测容置腔内工作环境和工作状态的控制装置和检测装置等，实现对多个材料样品的热处理控制。

该热处理装置在使用时，根据需要，在使用时，衬底和材料样品的放置顺序可以采用如下两种叠放方式。

如图1所示，第一种叠放方式为：基板、吸收层、扩散阻挡层、材料样品自下而上 叠放排布，该叠放方式的衬底在使用时，加热源7位于衬底靠近基板1的一侧，基板1制成透明的，则加热源7发出的光辐照通过基板1被吸收层吸收并转换为热量，进而通过扩散阻挡层热传递给放置在扩散阻挡层上的材料样品上。

第二种叠放方式为：基板、材料样品、扩散阻挡层、吸收层自下而上叠放排布，在使用时，辐照加热源7设置靠近吸收层的一侧，则辐射加热源7自吸收层上方对材料样品进行加热，吸收层吸收辐照加热源7的光辐照并转换为热量，进而通过热传递的方式将热量通过扩散阻挡层传递给材料样品，实现对材料样品的热处理。此时对基底的材料无透明性要求。

根据不同材料样品的热处理特性以及吸收层2对不同加热源7的热吸收能力不同，匹配设置合适的加热源7和合适材料的吸收层2，进而完成对材料样品的精确热处理过程。该热处理装置在使用，整个热处理过程速度快、效率高。

实施例二

如图3所示，本实施例中的衬底采用与实施例一中的第一种叠放方式。本实施例与实施例一的区别在于：扩散阻挡层包括有多个独立的阻挡单元5，多个阻挡单元5分别间隔设置在吸收层2上。该扩散阻挡层在沉积时，可以使用掩模完成其多个阻挡单元5’的沉积。

每个阻挡单元5上可以放置一个材料样品，独立的阻挡单元5之间的间隙中即为所在环境的气氛环境，有效提高材料样品间的绝热性，如此可以防止相邻的材料样品在热传递过程中的相互影响，保证了材料样品热处理的精确性。

实施例三

如图4所示，本实施例中的衬底采用与实施例一中的第一种叠放方式。本实施例与实施例一的区别在于：吸收层包括多个独立的吸收单元4，多个吸收单元4间隔排列设置在基板1上。该吸收层在沉积时，可以使用掩模完成其多个吸收单元4的沉积。

材料样品分别对应于吸收单元4放置在扩散阻挡层3上。如此可以根据不同的材料样品，分别设置不同材料的吸收单元4，不同的材料样品还可以对应设置不同层数的吸收单元4。即使在使用一个加热源的情况下，不同的吸收单元4对辐射波长的吸收不同，相应的实现不同材料样品的差异化的热处理要求。如此在节省能源的基础上有效保证了不同材料样品的热处理过程的精确性。

实施例四

如图5所示，本实施例与实施例三的区别仅在于：扩散阻挡层包括多个阻挡单元5，每个阻挡单元5对应覆盖设置在一个吸收单元4上。不同的材料样品还可以对应设置不 同层数的吸收单元4和不同层数的阻挡单元5。如此既能够节省能源，保证不同材料样品的对应不同的热处理参数，还能防止相邻的材料样品在热传递过程中的相互影响，大大提高了材料样品热处理的精确性。