CN101469417B - 沉积设备和沉积方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了沉积设备和沉积方法，所述沉积设备包括：用于放置处理对象的第一电极；用于和第一电极产生等离子体的第二电极，第二电极和第一电极相对；和用于冷却处理对象的冷却部件，其中，在所述处理对象和所述冷却部件之间，与处理对象的中心部分和冷却部件之间的热阻相比，中心部分周围的周围部分和冷却部件之间的热阻较小。

Description

沉积设备和沉积方法
技术领域
本发明涉及沉积设备和沉积方法。
背景技术
通常使用等离子体CVD(化学气相沉积)方法进行金刚石沉积。在这种金刚石沉积中，使用氢气和甲烷的气体混合物作为源气体，以沉积结晶尺寸为微米量级的多晶金刚石膜(下称MD膜)。
近年来，在使用氢气和甲烷的气体混合物的金刚石沉积中，将甲烷的比例设置为5％或更大，结晶尺寸迅速降低，这一趋势已被用于形成结晶尺寸为纳米量级的金刚石膜(下称ND膜)。这种结晶尺寸为纳米量级的ND膜比MD膜更为平整，因此具有光学应用前景。
另外，在半导体制造中的等离子体CVD设备中，为了改善沉积均匀性，改变电极形状，从而控制活性物质密度分布和等离子体中的气体和电子温度，例如，如未审日本专利公开No.2007-53359所披露的。
然而，在等离子体CVD中，如果电极形成复杂的形状以实现沉积的均匀性，则电场强度增大的电极附近可能发生电场集中，从而出现一些问题，例如，干扰沉积所需的稳定的辉光放电，并且可能发生电晕放电或电弧放电。
同时，本发明人及其他人致力于促进通过在石墨烯(Graphene)片结构的聚集体上沉积纳米金刚石膜而具有优异的电子发射特征的装置材料的发展。
在沉积这种ND膜时，如果在沉积设备内部的气氛中甲烷的比值增大，则阳极柱(positive column)(包括大量活性物质的区域，且一般放置基底以使基底暴露给阳极柱)趋于缩小。因此，即使使用相同功率进行沉积，局部沉积速率也增大，但沉积的均匀性往往受到影响。
已知在沉积MD膜时，已知作为MD生长的直接原料的CH3基可在等离子体中扩散，因为它们在等离子体中的寿命相对较长，因此与其他活性物质的密度分布、电子温度分布和气体温度分布相比，其分布较为均匀。
然而，在电子或气体温度低的区域，作为ND膜生长的潜在原料自由基(material radical)的高化学势的活性物质(C、C2、CH、或CxHy)的密度迅速下降。这被认为是在ND膜中，与MD膜相比，电子发射特征相对于等离子体膨胀较为均匀且沉积均匀进行的区域往往较狭窄。
另外，在使用ND膜的电子发射装置中，沉积表面的电学特性对于沉积过程中基底温度和活性物质密度的变化非常敏感，因此，使用ND膜的电子发射装置可能如上所述受活性物质密度分布变化的影响。因此，在ND电子发射装置的沉积中，存在着沉积区域(在该区域中相对于施加的电场，装置能够均匀发射电子)比电极区域小的问题，导致面内均匀性差，并且难以获得能够从沉积在基底上的整个表面发射电子的电子发射膜。
本发明考虑了上述现实情况，优势在于提供能够形成面内电学特性均匀性良好的膜的沉积设备和沉积方法。
发明内容
根据本发明的第一方面的沉积设备包含：
用于放置处理对象的第一电极；
用于和所述第一电极产生等离子体的第二电极，第二电极和第一电极相对；和
用于冷却所述处理对象的冷却部件，其中
在所述处理对象和所述冷却部件之间，与处理对象的中心部分和冷却部件之间的热阻相比，在中心部分周围的周围部分和冷却部件之间的热阻较小。
所述第一电极在其与所述处理对象接触的表面上可具有凹陷，且
关于在所述处理对象和所述第一电极之间单位面积的接触面积，在和处理对象的周围部分相应的区域中的接触面积可大于在和处理对象的中心部分相应的区域中的接触面积，取决于凹陷。
在所述第一电极与所述处理对象接触的表面上，可在和处理对象的中心部分相应的区域具有凹陷，可在和处理对象的周围部分相应的区域不具有凹陷。
所述沉积设备可包含用于放置所述第一电极的放置台。
所述放置台在其与第一电极接触的表面上可具有凹陷，且
关于在所述放置台和所述第一电极之间单位面积的接触面积，在和处理对象的周围部分相应的区域中的接触面积可大于在和处理对象的中心部分相应的区域中的接触面积，取决于凹陷。
所述放置台在其与第一电极接触的表面上，在和处理对象的中心部分相应的区域可具有凹陷，在和处理对象的周围部分相应的区域可不具有凹陷。
所述第一电极在其和放置台接触的表面上可具有凹陷，且
关于在所述放置台和所述第一电极之间单位面积的接触面积，在和处理对象的周围部分相应的区域中的接触面积可大于在和处理对象的中心部分相应的区域中的接触面积，取决于凹陷。
所述第一电极在其与放置台接触的表面上，在和处理对象的中心部分相应的区域可具有凹陷，在和处理对象的周围部分相应的区域可不具有凹陷。
根据本发明的第二方面的沉积设备包含：
用于放置处理对象的第一电极；
用于和所述第一电极产生等离子体的第二电极，第二电极和第一电极相对；和
冷却部件，用于从所述处理对象吸收热量以产生从处理对象的中心区域到边界区域的热流，其中
所述冷却部件具有与插在所述冷却部件和所述处理对象之间的构件接触的表面，且与处理对象的中心部分周围的周围部分相应的构件的单位面积的接触面积大于与中心部分相应的构件的单位面积的接触面积。
所述冷却部件可包含冷却头部件；
所述构件可以是第一电极或用于放置第一电极的放置台；且
所述冷却头部件的表面可形成凹陷，该表面与第一电极或放置台相对。
所述冷却部件可包含冷却头部件；
所述构件可以是第一电极或用于放置第一电极的放置台；且
所述冷却头部件的表面可具有多个凹陷，该表面与第一电极或放置台相对；
和周围区域相比，所述凹陷可更多地形成于所述冷却头部件的中心区域；且
所述冷却头部件与所述第一电极或放置台在周围区域接触的接触面积可大于所述冷却头部件与所述第一电极或放置台在中心区域接触的接触面积。
所述冷却部件可包含冷却头部件；
所述构件可以是第一电极或用于放置第一电极的放置台；且
和周围区域相比，所述冷却头部件的表面在中心区域可以更粗糙，该表面与第一电极或放置台相对；且
所述冷却头部件和第一电极或放置台在周围区域接触的接触面积可大于所述冷却头部件和第一电极或放置台在中心区域接触的接触面积。
所述冷却部件可包含冷却头部件；
所述构件可以是第一电极或用于放置第一电极的放置台；且
所述冷却头部件的表面在中心区域和周围区域可分别由第一材料和第二材料形成，该表面与第一电极或放置台相对；且
所述第二材料的热导率可大于所述第一材料的热导率。
所述冷却部件具有管线，管线中通过冷却介质。
根据本发明的第三方面的沉积方法包括：
将处理对象放置在第一电极上；和
在第一电极和第二电极之间产生等离子体，以在所述处理对象的表面上进行沉积，在所述处理对象和用于冷却处理对象的冷却部件之间，在处理对象的中心部分周围的周围部分和冷却部件之间的热阻小于中心部分和冷却部件之间的热阻。
本发明提供了沉积设备和沉积方法，其能够通过使用冷却部件在基底内提供适合于沉积的温度梯度，而形成具有良好和均匀的电学特性的膜。
附图说明
下面将通过下面的详细说明和附图详细说明本发明，这些说明和附图只用于说明，而不用于限制本发明的范围，其中：
图1是说明根据本发明实施方案的沉积设备的构造示例的示意图。
图2A显示了冷却部件的构造示例的平面图。
图2B显示了冷却部件的构造示例的截面图。
图3A显示了冷却部件中的管线的平面图。
图3B显示了冷却部件中的管线的截面图。
图4显示了通过本实施方案的沉积方法和沉积设备沉积的场发射型电极的截面图。
图5的图表显示了在电子发射膜的沉积时的温度变化。
图6的图表显示了与基底中心的距离和光谱线发射系数之间的关系。
图7显示了在本实施方案中基底附近的热流。
图8显示了构造中基底附近的热流，在该构造中冷却部件的顶面平坦地形成。
图9A和9B显示了本发明的另一个实施方案。
图10A和10B显示了本发明的另一个实施方案。
图11A和11B显示了本发明的另一个实施方案。
图12A和12B显示了本发明的另一个实施方案。
图13A和13B显示了本发明的另一个实施方案。
图14A和14B显示了本发明的另一个实施方案。
图15显示了本发明的另一个实施方案。
图16显示了本发明的另一个实施方案。
图17显示了本发明的另一个实施方案。
图18显示了本发明的另一个实施方案。
图19显示了本发明的另一个实施方案。
图20显示了本发明的另一个实施方案。
图21A和21B显示了本发明的其他实施方案。
图22A和22B显示了本发明的其他实施方案。
具体实施方式
下面通过附图描述根据本发明实施方案的沉积设备和沉积方法。
图1到3显示了根据本发明的实施方案的沉积设备100的构造示例。如1图所示，沉积设备100包含腔室101、阳极102、阴极103、台子104、排气系统106、光谱亮度计(spectral luminance meter)107和108、控制部件130、电源131、冷却部件201和冷却系统202。
此外，在根据本发明的实施方案的沉积设备100中，如后面将要详述的，沉积了在图4中显示的场发射型电极的电子发射膜。如4图所示，场发射型电极10包含基底11和电子发射膜13。电子发射膜13包含碳纳米壁(carbon nanowall)(CNW)31、纳米金刚石(ND)膜32和针状碳棒33。碳纳米壁31是其中聚集了大量石墨烯片的物质。另外，纳米金刚石膜32合并了多个晶体直径为纳米量级的纳米晶金刚石颗粒，所述纳米晶金刚石颗粒连续地沉积在CNW 31上。针状碳棒33由石墨组成，针状碳33中的一些源于碳纳米壁31且呈针状。
腔室101将基底11和外部空气隔离。在腔室101内部设有钢制的台子(放置台)104，且在台子104上安装了具有圆形平面形状的阳极102。此外，腔室101设有窗口101a和101b，通过它们可观察腔室101的内部。在窗口101a和101b中，装配了耐热玻璃片，从而保持了腔室101内部的气封性。窗口101a的外部装有光谱亮度计107。此外，在窗口101b的外部设有光谱亮度计108，测量由基底11通过窗口101b的光谱以分析并评价基底温度和发射率。另外，源气体(比如CH4和H2)通过供气管线105a引入腔室101内，并由排气系统106经排气管线105b从腔室101排出，从而调节腔室101内部的压力。管线105a和105b均通过贯穿设置于腔室101的孔。所述孔和各个管线105a和105b的外圆周之间的间隙由密封材料密封，从而确保腔室101内部的气密性。
控制部件130通过信号线路(未显示)连接至光谱亮度计108和可变电源131。启动后，控制部件130由光谱亮度计108测得的光谱计算基底11的温度，并调节阳极102和阴极103之间的电压或电流值，使得基底11的温度等于设定值。如上所述，控制部件130控制阳极102和阴极103之间的电压或电流值，从而控制基底11的表面温度。
阳极102安装在台子104上。此外，基底11置于阳极102上。阳极102由具有高热导率和高熔点的金属形成，比如钼(热导率为138W/m·K，熔点为2620℃)。因为钼是具有下述特征的高熔点金属：无定形碳不太可能在用于沉积碳基材料的沉积设备中沉积在钼表面上，和铁族金属等相似，在沉积过程中它不改变冷却部件和其他元件之间的接触区域，因此适合作为材料。
阴极103的安装使其和阳极102相对。阴极103具有管线103a，其中流动有由水、氯化钙等组成的冷却剂，以将阴极103冷却至不会在阴极上产生火花放电的温度(500℃或更低)。此外，当电压施加于阳极102和阴极103之间，如图1中的虚线所示，在阳极102上方产生含有源气体的活性物质(自由基)的阳极柱。
台子104安装于腔室101内部，并在其顶面上安装阳极102。此外，台子104设有封闭空间104a，其中设有冷却部件201。冷却部件201包含冷却头部件201a和管状部件201b，并设置为可通过未显示的传输机构竖直移动。通过使冷却部件201和台子104的底面接近或邻接，台子104被冷却，然后阳极102和基底11被冷却。注意，为了图示的方便，在图1中台子104的顶面平坦；然而，更合适地，它可以为朝向阳极102侧的凸形(由于腔室101内外的温差造成的热应力，和通过台子104的腔室101的内部与台子104内的空间104a之间的压差)，与之相对应，台子104的底面也可设置为朝向阳极102侧的凸形。
在图中，冷却部件201设置于台子104的空间104a内部，通过台子104和阳极102冷却基底11。冷却部件201包含冷却头部件201a和管状部件201b，且在冷却头部件201a的表面上形成与台子104相对的凹部201c。冷却部件201的凹部201c设置为其内圆周边缘和外圆周圆形形成适合于阳极102的形状的同心圆。冷却部件201由具有高热导率的金属(比如铜)形成。冷却部件201可通过未显示的传输机构竖直移动，并与台子104邻接或接近从而冷却台子104。基于此，邻接的台子104冷却位于其上的阳极102，进一步，阳极102吸收基底11的热量。在沉积设备100中在等离子体CVD过程中产生，并有助于ND膜的形成的活性物质的密度在阳极柱的中心区域较高但在阳极柱的周围区域较低。基底11设置为使得阳极柱的中心区域位于基底11的中心(重心)。此时，冷却部件201设置为冷却部件201的中心和基底的中心(重心)共轴。沉积设备100设置为使得沉积在阳极柱不仅覆盖基底11的中心区域还覆盖角区域11a时进行。在距离基底11的中心最远的角区域11a中，有助于ND膜的形成的活性物质的密度低于基底11的中心，在相同的温度下不能使膜性质和基底11的中心的一致。然而，通过安装冷却部件201以提供一种构造，其中可从置于阳极102上的基底11的周围区域传递更多的热量，以使有助于ND膜的形成的活性物质的密度较低的区域和有助于ND膜的形成的活性物质的密度较高的区域的膜的性质一致，在基底11上有助于ND膜的形成的活性物质的密度较高和较低的区域之间产生温度梯度。通过按这种方式增大基底的中心区域的温度并降低基底的周围区域的温度，从而提供和基底上的活性物质密度的梯度相应的基底温度的梯度，可在基底表面内的膜性质均匀的情况下进行沉积。
此外，如果阳极102或台子104的背表面逐渐通过热应力等变形(transform)，则接触面可能不稳定。因此，如9图所示，优选地，通过在冷却部件201的冷却头部件201a上设置兼具热阻和柔韧性的环205(比如石墨片)，可减缓由这种变形造成的接触面积变化，即，导热性变化。注意，环205的厚度优选为几毫米。
此外，冷却部件201的构造不局限于上述一种，只要它可以从周围区域冷却基底。例如，如图10A和10B所示，可降低凹部201c的直径，不仅使冷却头部件201a的圆周边缘还使周围区域与台子104邻接。此外，例如，如图11A和11B所示，冷却头部件201a的凹部可形成为具有正方形截面和圆形平面形状。另外，基底可通过下述措施从周围区域冷却：形成如图10A、10B、11A和11B所示多个凹部，以使中心区域的凹部密度增大至高于周围区域，或仅在中心区域形成多个凹部，或采用其他措施增大冷却头部件201a的周围区域与放置台接触的接触面积，从而高于中心区域的接触面积。
此外，如图3A和3B所示，冷却部件201的冷却头部件201a和管状部件201b分别设有管线211b和管线211a和211c，管线211a、211b、和211c彼此相连。如上所述，冷却剂(比如冷却水或氯化钙溶液)循环流入管线211a到211b，并从管线211c排出，从而冷却整个冷却部件201。如图3A和3B所示，冷却头部件201a设有管线211b。管线211b和台子104的顶面的形状相应，基本上呈圆形(弧形)，从而冷却台子104至均匀的温度，多个管线211b同心设置于氦气管线213周围。此外，管线211a和211c设置为通过管状部件201b，并分别连接到冷却系统202。从管线211c排出的冷却剂通过冷却系统202重新冷却，然后再次循环进入管线211a。
光谱亮度计107用来根据等离子体辐射的发射光谱评价活性物质的相对密度分布。光谱亮度计107设置于尽可能不受来自基底11的辐射的影响的角度，即，和基底11的顶面的平面方向平行的角度。此外，待评价的CH的相对密度沿着垂直于基底11的顶面的方向具有梯度被认为是合理的，从而测量来自于尽可能靠近基底11的顶面的等离子体的光，更优选为来自于在基底11的顶面上方1mm处的等离子体的光。
光谱亮度计108用于测量基底11的热辐射，并通过设置于腔室的窗口101b，以与基底11的顶面的平面方向预定的角度(例如，15°)，通过聚焦在基底的顶面上而测量基底11的温度。在本实施方案中，基底温度和辐射率同时评价，通过将温度和辐射率具有自由度(根据基底的辐射能力变化)的Planck辐射等式，和线性组合了由光谱亮度计108在Planck辐射量为测量误差值或更小的值的温度下测得的光谱的表达式，相对于在沉积过程中来自基底的辐射光基于非线性最小二乘法来进行拟合。根据该温度测量方法，可按顺序测量沉积过程中的基底温度，从而可反馈有关基底温度的信息以控制基底上的沉积。具体地，评价基底的温度和辐射率包括下列四个步骤：(1)通过光谱亮度计108测量等离子体辐射的光谱，以预先测量作为基底温度的干扰信号(noise)的等离子体辐射的步骤；(2)选择拟合所需的波长范围的步骤；(3)确定等离子体辐射光谱的步骤；和(4)基于Planck辐射定律和线性组合了等离子体辐射光谱的表达式，根据非线性最小二乘法相对于测量光谱拟合理论公式的步骤。
下面描述沉积过程。在沉积过程中，例如，先切割镍板作为基底11，然后用乙醇或丙酮充分除去油污并超声波清洗。
将基底11置于具有图1的示例性构造的沉积设备100的阳极102上。放置基底11后，使用排气系统106使腔室101降压，然后由供气管线105a引入氢气和组成中含碳的化合物气体(含碳化合物)。
源气体组成中含碳的化合物气体优选在总量的3到30体积％的范围内。例如，甲烷流速设为50sccm，氢气流速为500sccm，总压为0.05到1.5atm，优选为0.07到0.1atm。此外，在阳极102和阴极103之间施加直流电源以产生等离子体，并控制等离子体的状态和基底11的温度。
在碳纳米壁31沉积时，在基底11上沉积碳纳米壁31的位置的温度设为900到1100℃的条件下进行预定时间段的沉积。温度根据上述过程由通过光谱亮度计108测得的光谱评价得到。此时，冷却部件201和阳极102充分分离以避免对阳极102的温度产生影响。
底层的碳纳米壁31充分沉积后，阳极102通过下述方法冷却：升起冷却部件201(其温度远低于等离子体加热的阳极102的温度)例如100mm，以使之接近于台子104或与台子104邻接而不改变气氛。此时，由于其上放置了基底11的阳极102安装在台子104上，基底11由冷却部件201通过阳极102和台子104冷却。此外，此时，在本实施方案中，因为冷却部件201的冷却头部件201a的表面具有凹部201c，其和台子104相对，仅冷却头部件201a的圆周边缘和台子104邻接。通过提供基于此的构造(其中由置于阳极102上的基底11的周围区域转移更多的热量)，在基底11内在有助于ND膜的形成的活性物质的密度较高和较低的区域之间产生温度梯度。
如上所述，置于阳极102上的基底11被冷却，因此基底11的表面迅速冷却至适合沉积多个金刚石纳米颗粒的温度，它比碳纳米壁沉积时的温度低10℃或更多。注意，优选地，为了稳定地保持等离子体，当冷却部件和台子104接近或邻接时，在阳极和阴极之间施加的电压或电流值没有太多改变。
在碳纳米壁31的生长由于被基底11的迅速冷却而抑制后，粒径为约5到10nm的多个金刚石纳米颗粒32a开始在碳纳米壁31上生长，然后金刚石纳米颗粒32a的生长代替碳纳米壁31的生长居于主导。随后，形成具有层状结构(由金刚石纳米颗粒32a的聚集体组成)的纳米晶金刚石膜32，且在未形成金刚石纳米颗粒32a的聚集体的区域，即，如图4所示在金刚石纳米颗粒32a的聚集体之间的间隙中，生长并形成由碳纳米壁31表面转化而成的针状碳棒33，其端部从纳米晶金刚石膜32的表面突起。针状碳棒33的起点主要在碳纳米壁31的表面上，但针状碳棒33也可始于其他点。然而，如后文所述，由碳纳米壁31生长的针状碳棒33具有较大的机械强度，因为其内部充满石墨层核心，且具有可能集中电场的棒状结构，因此电子可由从碳纳米壁31生长的针状碳棒33的端部稳定地发射。
此外，基于用于冷却基底11的周围部分的冷却部件201的安装，与不安装冷却部件201的构造相比，可控制基底11内基底中心和周围部分之间基底上的温度分布。在和基底11的中心部分相对的阳极102的相对的表面区域的背表面区域(即，和有助于ND膜的形成的活性物质的密度较高的区域相对)中，冷却部件201不和台子104接触或接近，且在冷却部件201和台子104之间，仅存在气体。和固体相比，气体的热导率较差，因此由等离子体通过基底11和阳极102转移到台子104的热量主要通过距离台子104的中心部分最远的区域的台子的圆周边缘104a转移到冷却部件201。因此，产生热流，即从台子的中心部分到外缘的温度梯度，因此，在分别位于台子的中心和外缘上方的基底11的中心和角部分之间产生温度梯度。因此，基于冷却部件201的安装，角部分11(有助于ND膜的形成的活性物质的密度比在基底11的中心部分低)的温度可进一步得以降低。
注意，用于沉积的温度测量过程在基底温度测量的同时也评价辐射率，作为非线性最小二乘法的拟合参数。辐射率还受用于窗口的玻璃的透射率等的影响，因此取相对值；然而，在本实施方案中，底层膜为碳纳米壁，充分生长的碳纳米壁的辐射率为1，因此通过在辐射率由于碳纳米壁生长而达到平顶(plateau)时将相对辐射率的值设为1，可在金刚石纳米颗粒在碳纳米壁上形成的过程中评价精确的辐射率。
在沉积的最终阶段，停止在阳极102和阴极103之间施加电压；然后停止源气体的供应；氮气作为吹扫气体供入腔室101以恢复到正常压力；然后在温度恢复到正常温度时取出基底31。
下面将详述使用本实施方案的沉积设备而沉积的电子发射膜。
如图4所示，电子发射膜13具有：碳纳米壁(CNW)31，其中多个具有石墨结构的弯曲的花瓣状(风扇状)碳薄片沿随机方向彼此连接，带有突起；纳米晶金刚石膜(碳膜)32，其为含有多个纳米晶金刚石颗粒并连续沉积在CNW 31上的层；和从纳米晶金刚石膜32的表面突起的针状碳棒33。在纳米晶金刚石膜32的沉积之前，CNW 31的表面由多个彼此任意连接的，带有突起的弯曲的花瓣状(风扇状)的碳薄片组成。CNW 31的厚度为例如1到500nm。CNW 31由具有sp2键的致密的高纯度石墨组成，CNW 31的每个碳薄片含有几层到几十层晶格间距为0.34nm的石墨烯片。该石墨烯片具有sp2键，并显示导电性。因此，CNW 31显示导电性。
此外，针状碳棒33由CNW 31生长。另外，在针状碳棒33周围，排列了纳米晶金刚石膜32的金刚石纳米颗粒32a。因为按照描述，针状碳棒33由CNW 31生长，针状碳棒33和CNW 31连续，因此，可有效地从导电的CNW 31向针状碳棒33供给电子，并较好地由针状碳棒33发射。
纳米晶金刚石膜32具有层状结构，其含有多个粒径为5到10nm的sp3键键合的金刚石纳米颗粒，如图4所示，几十到几百的金刚石纳米颗粒聚集在其表面上形成类似竹叶的纹理。注意，在纳米晶金刚石膜(碳膜)32中，除纯石墨和金刚石颗粒之外，存在兼具sp2和sp3键的中间相，而纳米晶金刚石膜32具有它们的复合物，因此准确地说，纳米晶金刚石膜32应称作碳膜；然而，为了方便描述，将它称作纳米晶金刚石膜。优选地，纳米晶金刚石膜32中的聚集体的直径约为1到5μm，聚集体长大至覆盖CNW31的程度。纳米晶金刚石膜32的表面比底层的CNW 31的不均匀性更低，相对平整。此外，在纳米晶金刚石膜32中的各个聚集体之间的界面(晶界)，如图4所示形成间隙。在纳米晶金刚石膜32生长的过程中，纳米晶金刚石膜32作为对试图在膜32下生长的CNW31施加应力的空间阻碍，因此，部分CNW31以针状生长形成通过间隙突起的针状碳棒。因此，纳米晶金刚石膜32，和纳米晶金刚石膜32中的聚集体之间的间隙具有使CNW31生长变形以形成大量的针状碳棒33的效果。
在纳米晶金刚石膜32的主要表面上，不仅存在金刚石，还存在针状碳棒33和后述的结晶石墨(比如sp2键占主导的相32b)，纳米晶金刚石膜32的表面并非为完全的绝缘体而显示电导率至针状碳棒33可以导电的程度，因此电子发射特征优异。
具有这样的特征的电子发射膜13的电子发射特征受沉积条件比如沉积设备100中的等离子体引起的活性物质密度的影响。
特别地，图6显示了与基底的中心的距离和光谱线发射系数之间的关系的图表，沉积设备中的活性物质密度趋向于从基底(阳极柱)的中心到周围区域减少。因此，如果通过压力、外加功率等调节基底温度，使得具有较高的电子发射特征的ND膜可沉积在中心区域(其中存在大量的活性物质)，则由于沉积条件的差别，在活性物质的数量相对较小的区域形成不显示电子发射的膜。
在本发明中，通过提供具有凹部的冷却部件，该冷却部件在与基底的中心部分对应的区域(即，有助于ND膜的形成的活性物质的密度较高的区域)不与放置台邻接，但在与有助于ND膜的形成的活性物质的密度较低的区域对应的区域和放置台接触，从而可以控制基底的表面内的温度梯度。例如，如图8所示，在具有冷却部件的沉积设备中，冷却部件的冷却头的顶部平整，而基本上使和基底的中心和周围部分相对应的区域与放置台接触的表面的高度相等，等温线基本上平行于基底表面的平面方向，因此很难在基底的中心和周围部分产生所需的温度梯度。注意，等温线分隔的区域A、B、C和D为温度的递减顺序。另一方面，在具有冷却部件的本实施方案的构造中，得到了如图7所示的等温线。在图7中区域A、B、C和D的各个温度范围和图8中的相同。这是因为在冷却头部件201a中，和台子104的背表面邻接的部分仅为外圆周边缘，外圆周边缘具有最大的热流，可能吸收周围的热量，因此基底的周围部分(接近于外圆周边缘的部分)的温度进一步降低，而基底的中心部分(远离外圆周边缘的部分)的温度进一步升高。如上所述，通过大幅改变冷却部件201的形状或尺寸，可根据活性物质的密度，调节在基底的中心区域(其中在阳极柱内存在大量的有助于纳米金刚石膜的形成的活性物质)的基底温度，和在基底的周围区域(其中活性物质的密度比在中心区域低)的基底温度，因此可在中心和周围部分沉积具有均匀的膜性质的膜。
此外，一般用于在通过CVD方法的沉积中改善膜的均匀性的方法包括：在生长过程中旋转基底，改变电极的形状，使基底温度均匀等。在旋转基底的方法中，存在难以在相对于旋转轴的径向使得沉积不均匀变均匀的问题。此外，还存在另一个问题，由于基底旋转，沉积区域扩大，因此设备尺寸也增大。其次，在改变电极形状从而改变等离子体分布的状态的构造中，存在因为电极形状不再简单，电场可能在电场强度增大的电极附近集中，从而可能发生干扰沉积的电晕放电或电弧放电的问题。另外，在基底的表面内使基底温度均匀的方法中，就典型的MD膜而言按此方法可以预期沉积区域扩大；然而，就沉积受到等离子体中的活性物质密度分布的较大影响的情形而言，比如ND沉积，使基底温度均匀减小了均匀沉积区域。
另一方面，在本发明的沉积设备中，通过提供冷却部件以使基底的中心区域(其中有助于ND沉积的活性物质的密度高)的膜性质和周围区域(其中有助于沉积的活性物质的密度比基底的中心区域低)的膜性质均匀，从基底的周围区域到连接了冷却部件或放置台的腔室的热阻可降低至低于从基底的中心区域到连接了冷却部件或放置台的腔室的热阻，以在基底内引起从中心到周围区域的热流，并容易地根据活性物质密度分布产生基底温度梯度，从而可以在基底的表面内形成具有良好均匀性的膜。如上所述，根据本发明的构造，所述设备并不复杂，因为基底不旋转，且等离子体容易产生，因为电极形状未改变。
如上所述，根据本实施方案的沉积设备和沉积方法，可形成具有良好的面内均匀性的膜。
本发明不局限于上述实施方案，可作各种改变。
在上述实施方案中，冷却部件201的冷却头部件201a和放置台接触的构造作为示例描述；然而，构造不局限于此。例如，如图12A和12B所示，可使用如下构造：其中微细且粗糙地分别将冷却部件301的冷却头部件301a的周围区域301c和中心区域301d粗磨，使周围区域301c和台子104邻接的区域(接触面积)大于中心区域301d的接触面积。另外，也可仅将中心区域301d粗磨。
另外，如图13A和13B所示，管线411b可仅形成于冷却头部件201a的周围区域。在这种情况下，可如图10A和10B或11A和11B所示形成凹部201c，或如图9A和9B、12A和12B或14A和14B所示形成冷却头部件。如图13A和13B所示，通过使冷却介质仅流入周围区域，周围区域可进一步有效地冷却。
更进一步，如图14A和14B所示，冷却部件501的冷却头部件501a的中心区域501d可由热导率较低的材料(例如，Al2O3)形成，而周围区域501c可由热导率高于中心区域的材料(例如，Cu)形成。Al2O3的热传导率为20W/(m·K)，Cu的热传导率为350W/(m·K)，从而由Cu形成的周围区域转移到放置台更多的热量。和上述实施方案相似，这可以从基底的中心到周围区域产生热流，在基底内引起温度梯度。注意，除了两种材料外，可组合三种或更多种材料以由基底的中心到周围区域产生热流，在基底内引起温度梯度。
另外，作为基底11的材料，可使用除镍之外的任何材料，只要材料可在形成CNW或ND膜的温度下保持基底11的形状，该材料可包括硅、铁、钴、钼、钨、稀土、铜、银、金和铂中的至少任意一种。
另外，源气体(即，氢气和含碳化合物)的混合比，可适当地有选择地改变。
更进一步，在上述实施方案中，形成电子发射型电极；然而，本发明的沉积设备还可用于通过连续的等离子体CVD形成其他电子元件的情形，并对连续形成具有不同的膜性质的复合膜的情形，或其他情形有效。此外，在各个上述实施方案中，阳极102和台子104为分离的主体；然而，可将它们整合以形成同时作为台子的阳极。
作为本发明的另一个实施方案，图15显示了沉积设备的一部分，在该沉积设备中基底11位于与台子组合的阳极102上。在阳极102和基底11接触的表面上具有多个不和基底11接触的凹陷109。各个凹陷109可呈半球形、圆锥形、或多棱锥形，或任何其他几何形状，且各个凹陷109彼此之间的形状可相似或不同。此外，所述凹陷可呈同心形成的圆槽。所述多个凹陷109的尺寸从和基底11的中心部分11x相对应的区域到和基底11的周围部分11y相对应的区域逐渐减小，因此基底11和阳极102之间根据在和基底11的周围部分11y对应的区域中的凹陷109的单位面积的接触面积大于基底11和阳极102之间根据在和基底11的中心部分11x对应的区域中的凹陷109的单位面积的接触面积。此外，在凹陷109和基底11之间的空间间隔有热导率比固体差的气体，因此热量不太可能从基底11通过凹陷109转移到阳极102。另一方面，和基底11接触的阳极102的区域的热导率优异，因此，与基底11的中心部分11x相比，基底11内的等离子体热量更容易由基底11的周围部分11y吸收，从而基底11的周围部分11y的温度可保持低于基底11的中心部分11x的温度。因此，可在基底11的表面内形成具有良好的电学特性均匀性的膜。
作为本发明的另一个实施方案，图16显示了沉积设备的一部分，在该沉积设备中基底11位于和台子组合的阳极102上。在阳极102和基底11接触的表面上具有多个不和基底11接触的凹陷109。各个凹陷109可呈半球形、圆锥形、或多棱锥形，或其他任何几何形状，且各个凹陷109彼此之间的形状可相似或不同。此外，所述多个凹陷109仅形成于和基底11的中心部分11x对应的区域中，因此基底11和阳极102之间在和基底11的周围部分11y对应的区域中的单位面积的接触面积大于基底11和阳极102之间根据凹陷109在和基底11的中心部分11x对应的区域中的单位面积的接触面积。此外，在凹陷109和基底11之间的空间间隔有热导率比气体差的气体，因此热量不太可能从基底11通过凹陷109转移到阳极102。另一方面，和基底11接触的阳极102的区域的热导率优异，因此，与基底11的中心部分11x相比，基底11内的等离子体热量更容易由基底11的周围部分11y吸收，从而基底11的周围部分11y的温度可保持低于基底11的中心部分11x的温度。因此，可在基底11的表面内形成具有良好的电学特性均匀性的膜。
作为本发明的另一个实施方案，图17显示了台子104和阳极102分离的沉积设备的一部分。在台子104和阳极102接触的表面上具有多个不和阳极102接触的凹陷109。各个凹陷109可呈半球形、圆锥形、或多棱锥形，或任何其他几何形状，且各个凹陷109彼此之间的形状可相似或不同。此外，所述多个凹陷109的尺寸从和基底11的中心部分11x对应的区域到和基底11的周围部分11y对应的区域逐渐减小，因此阳极102和台子104之间根据凹陷109在和基底11的周围部分11y对应的区域中的单位面积的接触面积大于阳极102和台子104之间根据凹陷109在和基底11的中心部分11x对应的区域中的单位面积的接触面积。另外，在凹陷109和阳极102之间的空间间隔有热导率比固体差的气体，因此热量不太可能从阳极102通过凹陷109转移到台子104。另一方面，和阳极102接触的台子104的区域的热导率优异，因此，与基底11的中心部分11x相比，基底11内的等离子体热量更容易由基底11的周围部分11y吸收，从而基底11的周围部分11y的温度可保持低于基底11的中心部分11x的温度。因此，可在基底11的表面内形成具有良好的电学特性均匀性的膜。
作为本发明的另一个实施方案，图18显示了台子104和阳极102分离的沉积设备的一部分。在台子104和阳极102接触的表面上具有多个不和阳极102接触的凹陷109。各个凹陷109可呈半球形、圆锥形、或多棱锥形，或任何其他几何形状，且各个凹陷109彼此之间的形状可相似或不同。此外，所述多个凹陷109仅形成于和基底11的中心部分11x对应的区域中，因此阳极102和台子104之间在和基底11的周围部分11y对应的区域中的单位面积的接触面积大于阳极102和台子104之间根据凹陷109在和基底11的中心部分11x对应的区域中的单位面积的接触面积。另外，在凹陷109和阳极102之间的空间间隔有热导率比固体差的气体，因此热量不太可能从阳极102通过凹陷109转移到台子104。另一方面，和阳极102接触的台子104的区域的热导率优异，因此，与基底11的中心部分11x相比，基底11内的等离子体热量更容易由基底11的周围部分11y吸收，从而基底11的周围部分11y的温度可保持低于基底11的中心部分11x的温度。因此，可在基底11的表面内形成具有良好的电学特性均匀性的膜。
作为本发明的另一个实施方案，图19显示了台子104和阳极102分离的沉积设备的一部分。在阳极102和台子104接触的表面上具有多个不和台子104接触的凹陷109。各个凹陷109可呈半球形、圆锥形、或多棱锥形，或任何其他几何形状，且各个凹陷109彼此之间的形状可相似或不同。此外，所述多个凹陷109的尺寸从和基底11的中心部分11x对应的区域到和基底11的周围部分11y对应的区域逐渐减小，因此阳极102和台子104之间根据凹陷109在和基底11的周围部分11y对应的区域中的单位面积的接触面积大于阳极102和台子104之间根据凹陷109在和基底11的中心部分11x对应的区域中的单位面积的接触面积。另外，在凹陷109和台子104之间的空间间隔有热导率比固体差的气体，因此热量不太可能从阳极102通过凹陷109转移到台子104。另一方面，和阳极102接触的台子104的区域的热导率优异，因此，与基底11的中心部分11x相比，基底11内的等离子体热量更容易由基底11的周围部分11y吸收，从而基底11的周围部分11y的温度可保持低于基底11的中心部分11x的温度。因此，可在基底11的表面内形成具有良好的电学特性均匀性的膜。
作为本发明的另一个实施方案，图20显示了台子104和阳极102分离的沉积设备的一部分。在阳极102和台子104接触的表面上具有多个不和台子104接触的凹陷109。各个凹陷109可呈半球形、圆锥形、或多棱锥形，或任何其他几何形状，且各个凹陷109彼此之间的形状可相似或不同。此外，所述多个凹陷109仅形成于和基底11的中心部分11x对应的区域中，因此阳极102和台子104之间在和基底11的周围部分11y对应的区域中的单位面积的接触面积大于阳极102和台子104之间根据凹陷109在和基底11的中心部分11x对应的区域中的单位面积的接触面积。另外，在凹陷109和台子104之间的空间间隔有热导率比固体差的气体，因此热量不太可能从阳极102通过凹陷109转移到台子104。另一方面，和阳极102接触的台子104的区域的热导率优异，因此，与基底11的中心部分11x相比，基底11内的等离子体热量更容易由基底11的周围部分11y吸收，从而基底11的周围部分11y的温度可保持低于基底11的中心部分11x的温度。因此，可在基底11的表面内形成具有良好的电学特性均匀性的膜。
此外，在上述各个实施方案中，凹陷或凹部设置于一个构件中；然而，如果可预期获得本发明的效果，可适当地组合上述多个实施方案中具有凹陷或凹部的构件，以提供多个构件中的凹陷或凹部，或可在阳极102的两个表面上设置凹陷或凹部。例如，如图21A所示，在其上放置了阳极102的放置台104的表面上形成了凹陷109a，进一步在阳极102(其和放置台104相对)的表面上，形成了凹陷109b。此外，如图21B所示，在放置台104(其和阳极102相对)的表面上，形成了凹陷109a，进一步在阳极102(其和基底11相对)的表面上，形成了凹陷109c。此外，如图22A所示，在阳极(其和放置台104相对)的表面上，设置了凹陷109b，而在阳极102(其和基底11相对)的表面上，可形成凹陷109c，如图22B所示，可分别在和阳极102相对的放置台104的表面上、在和放置台104相对的阳极102的表面上、和在和基底11相对的阳极102的表面上形成凹陷109a、109b和109c。
在不脱离本发明的广义的实质和范围的前提下，可以有多种实施方案和变化。上述实施方案用于说明本发明，而不是限制本发明的范围。本发明的范围通过所附的权利要求限定而不由实施方案限定。在与本发明的权利要求等同的含义范围内和在权利要求范围内所作的多种修改应认为是在本发明的范围内。
本申请基于2008年12月26日提出的日本专利申请No.2007-335048，并包括说明书、权利要求、附图和摘要。在此以引用的方式将上述日本专利申请的公开内容整体并入。

Claims (14)

1.沉积设备，其包含：
用于放置处理对象的第一电极；
用于和所述第一电极产生等离子体的第二电极，第二电极和第一电极相对；和
用于冷却处理对象的冷却部件，其中，
所述冷却部件具有冷却头部件，其中面对第一电极的表面或者面对安装第一电极的安装台的表面的中心部分相应于处理对象的中心部分且形成为凹部，以使得冷却部件与处理对象的周围部分之间的热阻小于冷却部件与处理对象的中心部分之间的热阻，所述周围部分的有助于等离子体沉积的活性物质密度低于所述中心部分，所述中心部分具有高的有助于等离子体沉积的活性物质密度。
2.根据权利要求1的沉积设备，其中，
所述第一电极在其与所述处理对象接触的表面上具有凹陷，且
关于在所述处理对象和所述第一电极之间单位面积的接触面积，在和所述处理对象的周围部分相应的区域中的接触面积大于在和所述处理对象的中心部分相应的区域中的接触面积，取决于凹陷。
3.根据权利要求1的沉积设备，其中，
在与所述处理对象接触的表面上，所述第一电极在和所述处理对象的中心部分相应的区域具有凹陷，在和所述处理对象的周围部分相应的区域不具有凹陷。
4.根据权利要求1的沉积设备，其中，
所述放置台在其和所述第一电极接触的表面上具有凹陷，且
关于所述放置台和所述第一电极之间单位面积的接触面积，在和所述处理对象的周围部分相应的区域的接触面积大于在和所述处理对象的中心部分相应的区域的接触面积，取决于凹陷。
5.根据权利要求1的沉积设备，其中，
在与所述第一电极接触的表面上，所述放置台在和所述处理对象的中心部分相应的区域具有凹陷，在和处理对象的周围部分相应的区域不具有凹陷。
6.根据权利要求1的沉积设备，其中，
所述第一电极在其和所述放置台接触的表面上具有凹陷，且
关于所述放置台和所述第一电极之间单位面积的接触面积，在和所述处理对象的周围部分相应的区域的接触面积大于在和所述处理对象的中心部分相应的区域的接触面积，取决于凹陷。
7.根据权利要求1的沉积设备，其中，
在与所述放置台接触的表面上，所述第一电极在和所述处理对象的中心部分相应的区域具有凹陷，在和所述处理对象的周围部分相应的区域不具有凹陷。
8.沉积设备，其包含：
用于放置处理对象的第一电极；
用于和所述第一电极产生等离子体的第二电极，第二电极和第一电极相对；和，
冷却部件，其用于从所述处理对象吸收热量以产生从处理对象的中心区域到边界区域的热流，其中，
所述冷却部件具有冷却头部件，该冷却头部件具有与插在所述冷却部件和所述处理对象之间的构件接触的表面，且该冷却头部件和与所述处理对象的中心部分周围的周围部分相应的构件的单位面积的接触面积大于和所述中心部分相应的构件的单位面积的接触面积。
9.根据权利要求8的沉积设备，其中，
所述构件为所述第一电极或用于放置第一电极的放置台；且
所述冷却头部件的表面形成凹陷，该表面和所述第一电极或放置台相对。
10.根据权利要求8的沉积设备，其中，
所述构件为所述第一电极或用于放置第一电极的放置台；所述冷却头部件的表面形成多个凹陷，该表面和所述第一电极或放置台相对；
和周围区域相比，所述凹陷更多地形成于所述冷却头部件的中心区域；且
所述冷却头部件和所述第一电极或放置台在周围区域接触的接触面积大于冷却头部件和第一电极或放置台在中心区域接触的接触面积。
11.根据权利要求8的沉积设备，其中，
所述构件为所述第一电极或用于放置第一电极的放置台；
和周围区域相比，所述冷却头部件的表面在中心区域更粗糙，该表面和所述第一电极或放置台相对；且
所述冷却头部件和所述第一电极或放置台在周围区域接触的接触面积大于冷却头部件和第一电极或放置台在中心区域接触的接触面积。
12.根据权利要求8的沉积设备，
所述构件为所述第一电极或用于放置第一电极的放置台；
所述冷却头部件的表面在中心区域和周围区域分别由第一材料和第二材料形成，该表面和所述第一电极或放置台相对；且
所述第二材料的热导率大于第一材料的热导率。
13.根据权利要求8的沉积设备，其中，所述冷却部件具有管线，管线中通过冷却介质。
14.沉积方法，其包括：
将处理对象放置在第一电极上；和
冷却头具有与第一电极相对的表面或者与放置第一电极的放置台相对的表面，该表面的中心部分相应于处理对象的中心部分且形成为凹部，并在第一电极和第二电极之间产生等离子体，以在所述处理对象的表面上进行沉积，在所述处理对象和用于冷却处理对象的冷却部件之间，在所述处理对象的中心部分周围的周围部分和冷却部件之间的热阻小于在中心部分和冷却部件之间的热阻。
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