CN102776479A - 一种薄膜制备装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜制备装置和方法。所述薄膜制备装置，用于把粉料气化后沉积在衬底上生成薄膜，包括用于对所述粉料加热以形成原子和/或分子蒸气的气相形成装置、用于产生热电子并通过热电子使从气相形成装置输出的原子和/或分子蒸气中的原子或分子带弱电的热电子发生器和用于产生加速电场使带弱电的原子或分子加速运动并沉积至衬底的加速电极。本发明还公开了一种薄膜制备方法。本发明具有如下优点：薄膜可以实现快速沉积，成膜质量高、膜层致密、附着力强、结晶性强，对衬底及薄膜损伤小，便于控制成膜的过程。

Description

一种薄膜制备装置和方法

技术领域

本发明属于薄膜制造技术领域，具体涉及一种薄膜制备装置和方法。

背景技术

近年来，薄膜材料在很多领域都得到广泛应用。薄膜的广泛应用，对薄膜的生产提出了比较高的要求。在实际生产中，既需要制备性能优良的薄膜，又希望成本低廉。一些低成本的薄膜快速沉积技术近年来得到了快速发展，如离子镀、蒸镀、喷涂法等。

喷涂法是采用气体携带大量的粒子进行沉积，具有下述明显的优点：粒子一般含有较多的原子或分子，可以实现快速的沉积；而且由于这些粒子是被气体携带至衬底上进行生长的，粒子的能量不高，对衬底的损伤也较小。但是喷涂法也具有明显的缺点：由于粒子中含有多个原子，且粒子能量较小，一方面无法为薄膜提供充足的生长驱动力，另一方由于含有的原子较多，在喷涂的过程中容易出现粒子团簇的现象，因此现有的喷涂法很难获得附着力好、致密、结晶性好的薄膜。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明要解决的问题是，提供一种沉积速度快，成膜质量好的薄膜制备装置，解决现有技术在喷涂的过程中容易出现的多个粒子团簇团聚的现象，以获得致密的、附着力好、结晶性好的薄膜。

为解决上述问题，本发明提供了一种薄膜制备装置，用于把粉料气化后沉积在衬底上生成薄膜，包括用于对所述粉料加热以形成原子和/或分子蒸气的气相形成装置、用于产生热电子并通过热电子使从所述气相形成装置输出的所述原子和/或分子蒸气中的原子或分子带弱电的热电子发生器和用于产生加速电场使带弱电的所述原子或分子加速运动并沉积至所述衬底的加速电极。

作为优选，所述气相形成装置包括依次设置并连通的进料腔、加热腔和喷涂腔，其中，所述进料腔未与所述加热腔连接的一端设有用于输入所述粉料的进料口和用于输入运载气体以携带所述粉料的进气口；所述加热腔的周围设有用于加热所述粉料以使所述粉料形成原子和/或分子蒸气的加热元件；所述喷涂腔的下端设有所述喷涂口，所述原子和/或分子蒸气通过所述喷涂口喷出所述气相形成装置。

作为优选，所述加速电极包括位于所述气相形成装置设有喷涂口一侧的负电极板和与所述负电极板平行的正电极板；所述热电子发生器位于所述正电极板与负电极板之间，所述衬底位于热电子发生器与正电极板之间并平行于所述正电极板。

作为优选，所述正、负电极板之间的电压在0-10kV之间并且可调，所述正、负电极板之间的距离在5-20cm之间。

作为优选，所述进料腔从设有所述进料口进气口的一端到与所述加热腔连接的一端为横截面逐渐变小的倒喇叭口状；所述喷涂腔从与所述加热腔相连的一端到设有喷涂口的一端为横截面逐渐变大的喇叭口状；位于所述进料腔与喷涂腔之间的所述加热腔为狭长的腔室。

作为优选，所述加热腔沿所述原子和/或分子蒸气前进方向的高度在10cm-70cm之间，宽度在1cm-15cm之间。

作为优选，所述喷涂口为宽度为0.2mm-5mm的狭缝或依次排列的孔径为5μm-5mm的多个气孔。

本发明还提供了一种薄膜制备方法，用于把粉料气化后沉积在衬底上生成薄膜，包括如下步骤：

(1)通过运载气体运载所述粉料；

(2)对所述粉料加热以形成原子和/或分子蒸气；

(3)让所述原子和/或分子蒸气经过热电子区，使其中的原子或分子在热电子区中带弱电；

(4)使带弱电的所述原子或分子在加速电场中加速运动并沉积至所述衬底以形成薄膜。

作为优选，在步骤(2)中，加热所述粉料的温度为500-1200℃。

作为优选，所述粉料的粒径不超过100μm。

作为优选，所述加速电场为匀强电场，所述匀强电场的场强为0-200kV/m。

与采用喷涂法制备薄膜的现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、薄膜可以实现快速沉积，

2、成膜质量高、膜层致密、附着力强、结晶性强，

3、对衬底及薄膜损伤小，

4、便于控制成膜的过程。

附图说明

图1为本发明的实施例一的薄膜制备装置的结构示意图；

图2为本发明的实施例二的薄膜制备装置的结构示意图；

图3为图2所示的薄膜制备装置中的喷涂腔的底部结构的放大示意图；

图4为本发明的实施例三的薄膜制备装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的实施例。

实施例一

如图1所示，本发明的实施例一的薄膜制备装置，包括气相形成装置10、热电子发生器106和加速电极。其中，气相形成装置10用于加热粉料以形成原子和/或分子蒸气，所述原子和/或分子蒸气在运载气体的推动下从气相形成装置10内喷出。气相形成装置10包括依次设置的进料腔111，加热腔112和喷涂腔113，在本实施例中进料腔111，加热腔112和喷涂腔113为一体成型的。在进料腔111的上部设有用于输入所述运载气体的进气口101和用于输入粉料的进料口102，作为原料的粉料经过仔细研磨后，粒径不超过100μm，在外部的供料系统的控制下，经过进料口102进入到进料腔111，粉料在从进气口101进来的运载气体的携带下，进入到加热腔112内并迅速升华，其中运载气体为氩气或氦气等惰性气体或者氮气等不易与粉料发生化学反应的气体，运载气体的流量和流速可由质量流量计进行控制。作为优选方案，如图1所示，本实施例中进料腔111的纵剖面为从上至下逐渐收缩的倒喇叭口状，根据流体力学的原理，运载气体的速度逐渐变大，便于携带粉料进入加热腔112内，并使粉料在运载气体中分散均匀。在本实施例中，所述热电子发生器106为带有电源107的热电子灯丝。

在加热腔112的周围设有加热元件103，在本实施例中加热元件103为缠绕在加热腔112周围的电阻丝，当然加热元件103还可以为排列在加热腔112周围的硅碳棒。加热元件103与加热电源105连接，用于产生500-1200℃的高温，把位于加热腔112内的粉料加热形成原子和/或分子蒸气。加热腔112为狭长的腔室，其沿所述原子和/或分子蒸气前进方向的高度为10cm-70cm之间，宽度在1cm-15cm之间，宽度和高度的数值可以根据实际情况进行选取，加热腔112的长度根据衬底进行选择。狭长的腔室便于对加热腔112进行加热，提高加热元件的加热效率，使加热腔112内各处的温度保持一致。经过加热形成的原子和/或分子蒸气在不断进入的运载气体的推动下从加热腔112进入喷涂腔113后经喷涂口喷出该气相形成装置10。如图1所示，作为优选方案，本实施例中喷涂腔113的纵剖面为从上至下逐渐扩大的喇叭口状，可以使原子和/或分子蒸气在喷涂腔113中部过冷凝结形成一定的原子或分子团簇，并能增加积聚在喷涂腔113内的原子和/或分子蒸气的压强。高温的原子和/或分子蒸气在运载气体的推动下不断从加热腔112进入喷涂腔113内，并在喷涂腔113积聚，经过喷涂腔113底部的狭缝104形成均匀的蒸气流喷出气相形成装置10，狭缝104可以进一步提高原子和/或分子蒸气的流速。作为优选方案，如图1所示，本实施例中，狭缝104的宽度为0.3mm，当然狭缝104的宽度可在0.2mm-5mm之间进行选择，如0.2mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm等，狭缝104的宽度越小，原子和/或分子蒸气流出的速度就越大。加热腔112内的温度很高，而喷涂腔113周围并无加热设备，与加热腔112相比，喷涂腔113内的温度较低，原子和/或分子蒸气进入喷涂腔113后形成一定的过冷度，蒸气会出现过冷而凝结，出现部分原子或分子团簇。这些团簇中都含有较多的原子或分子，能够向衬底100输运大量的沉积原子或分子，可以实现高速成膜。

如图1所示，加速电极包括位于所述气相形成装置10的设有喷涂口一侧的负电极板108和与所述负电极板108平行的正电极板109；热电子发生器106位于正电极板109与负电极板108之间的电场内，衬底100位于热电子发生器106与正电极板109之间并平行于所述正电极板109。

当然，在负电极板108上与所述喷涂口相对应的位置也设有让所述原子和/或分子蒸气通过的通道。从狭缝104喷出的原子和/或分子蒸气，经过负电极板108上的所述通道进入由热电子发生器106形成的热电子区，在热电子区内原子和/或分子蒸气与热电子之间相互碰撞，使部分原子或分子团簇实现带弱电，形成带弱电的离子团簇，这些原子或分子团簇以及离子团簇统称为粒子。其中带弱电的原子或分子团簇，由于与电子结合而带有负电，在负电极板108与正电极板109形成的匀强电场的作用下，向正电极板109方向加速运动，冲向衬底100，并在衬底100上沉积，形成薄膜。其中，热电子发生器106由电源107供电，负电极板108和正电极板109通过加速电源110供电，并且负电极板108和正电极板109之间的电压可在0-10kV之间并且可调，所述正、负电极板之间的距离在5-20cm之间。在本实施例中，加速电极采用两个平行的金属板以形成匀速电场，其中负电极板108与加速电源110的负极相连，正电极板109与加速电源110的正极相连，所述匀强电场的场强为0-200kV/m，可根据实际需要进行调整。

由于原子或分子团簇经过热电子发生器106形成的热电子区域时，与热电子发生器106所发出的快速热电子发生碰撞，出现少量原子和/或分子的带弱电，使这些团簇成为带弱电的离子，也就是离子团簇。带弱电在此处的含义是指，原子和/或分子蒸气中有少量的原子或分子与热电子碰撞，从而带有少量的负电荷。与热电子碰撞后的团簇带有负电，在加速电极的作用下，这些离子团簇可以获得一定的速度，能量变大，因而成膜的附着力、致密性和结晶性得到明显改善。由于经过热电子处理后的离子团簇所带的电荷为同性电荷，受到库伦力的作用，相互排斥，团簇不会进一步发生，现有技术的喷涂法中经常出现的多个原子或分子团簇进一步团聚现象也会有所改善，从而实现成膜质量的提升。

在本发明中，由于采用热电子发生器106形成热电子区，受到热电子碰撞而发生电离的原子在整个团簇中的比例较少，因此离子团簇的荷质比较小，因此受到加速电场的加速后，射入衬底的平均能量较低，不会对衬底或已经形成的薄膜造成损伤。并且由于荷质比较小，形成的薄膜也很少在膜层的表面形成电荷积累效应。此外，本发明还具有控制方便的优点，通过进料量、进气量、加热温度、加速电压、热电子发生器的功率、衬底温度，从而很方便地控制薄膜的生长过程。

作为优选方案，本实施例中气相形成装置10全部采用耐高温的陶瓷材料或金属材料如钼、耐高温的合金钢等。

本发明的薄膜制备装置通过设置热电子区使原子和/或分子蒸气中的部分粒子(包括原子、分子或者原子分子团簇)能够带弱电，防止团簇过度聚集，提高成膜质量，能使生成的薄膜的膜层致密，附着力强。通过设置的加速电极，对带电的粒子加速，能加快沉积速度，提高生成效率。

实施例二

图2为本发明的薄膜制备装置的实施例二的组成结构示意图；图3为图2中的喷涂腔的底部结构的放大示意图。如图2、图3所示，实施例二与实施例一的区别在于，实施例二中，气相形成装置10的喷涂腔113底部的多个气孔204作为喷涂口。由于气孔204较小，在图2中，气孔204用短细线代替。其中多个气孔204均匀排列在喷涂腔113的底部，每个气孔204的孔径为1mm，当然，本领域的技术人员根据所需要沉积的薄膜的质量要求选取孔径的数值，孔径越小，能通过的微粒越小，薄膜的沉淀质量越高，孔径可在5μm-5mm内进行选择，如5μm、100μm、200μm、500μm，700μm、1mm、2mm、3mm、4mm等。

在本实施例中，喷涂腔113的底部使用多孔的金属材料制成，同时喷涂腔113的底部还可以充当加速电极的负电极板108，与加速电源110连接。

实施例三

实施例三与实施例二的区别在于喷涂腔113的底部使用多孔的陶瓷材料制成，在陶瓷的外表面还设有金属层，用作加速电极的负电极板108。

本发明的薄膜制备装置配合外部的供料系统、真空系统、传动系统、加热系统、控制系统，可以实现衬底的动态沉积或静态沉积。通过控制气体流量、进料量、加热腔的温度、热电子发生器的功率、加速电极之间电压、衬底温度来实现对薄膜的可控生长。

本发明的薄膜制备方法，用于把粉料气化后沉积在衬底上生成薄膜，结合参考图1和图2所示的薄膜制备装置的实施例一和实施例二，所述薄膜制备方法包括如下步骤：

(1)将用于制备薄膜的粉料和用于运载所述粉料的运载气体导入气相形成装置的进料腔111，所述运载气体推动所述粉料从进料腔111进入加热腔112；

(2)所述粉料在加热腔112中升华形成原子和/或分子蒸气，所述原子和/或分子蒸气在所述运载气体的推动下向喷涂腔113运动；作为优选，加热腔112内的温度在500-1200℃之间，可以根据实际情况进行调整。

(3)所述原子和/或分子蒸气经设在所述气相形成装置10上的喷涂口进入由热电子发生器106形成的热电子区，所述原子和/或分子蒸气经过所述热电子区作用后带弱电；

(4)将带弱电的所述原子和/或分子蒸气经加速电场加速；

(5)经过加速的所述原子和/或分子蒸气运动至所述衬底上沉积形成薄膜。

所述原子和/或分子蒸气经过气相形成装置的喷涂腔113，在喷涂腔113内过冷，形成原子或分子团簇。作为优选，为了保证成膜质量，所述粉料在进入所述气相形成装置10之前经过研磨，研磨后的粉料的粒径不超过100μm。作为优选，所述加速电场为匀强电场，所述匀强电场的场强为0-200kV/m。

本发明的薄膜制备方法通过使原子和/或分子蒸气经过热电子区使原子和/或分子蒸气中的部分粒子(包括原子、分子或者原子分子团簇)能够带弱电，防止团簇过度聚集，提高成膜质量，能使生成的薄膜的膜层致密，附着力强。通过设置的加速电极，对带电的粒子加速，能加快沉积速度，提高生成效率。

当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种薄膜制备装置，用于把粉料气化后沉积在衬底上生成薄膜，其特征在于，包括用于对所述粉料加热以形成原子和/或分子蒸气的气相形成装置、用于产生热电子并通过热电子使从所述气相形成装置输出的所述原子和/或分子蒸气中的原子或分子带弱电的热电子发生器和用于产生加速电场使带弱电的所述原子或分子加速运动并沉积至所述衬底的加速电极。

2.如权利要求1所述的薄膜制备装置，其特征在于，所述气相形成装置包括依次设置并连通的进料腔、加热腔和喷涂腔，其中，

所述进料腔未与所述加热腔连接的一端设有用于输入所述粉料的进料口和用于输入运载气体以携带所述粉料的进气口；

所述加热腔的周围设有用于加热所述粉料以使所述粉料形成原子和/或分子蒸气的加热元件；

所述喷涂腔的下端设有所述喷涂口，所述原子和/或分子蒸气通过所述喷涂口喷出所述气相形成装置。

3.如权利要求1或2所述的薄膜制备装置，其特征在于，所述加速电极包括位于所述气相形成装置设有喷涂口一侧的负电极板和与所述负电极板平行的正电极板；所述热电子发生器位于所述正电极板与负电极板之间，所述衬底位于热电子发生器与正电极板之间并平行于所述正电极板。

4.如权利要求3所述的薄膜制备装置，其特征在于，所述正、负电极板之间的电压在0-10kV之间并且可调，所述正、负电极板之间的距离在5-20cm之间。

5.如权利要求2所述的薄膜制备装置，其特征在于，所述进料腔从设有所述进料口进气口的一端到与所述加热腔连接的一端为横截面逐渐变小的倒喇叭口状；

所述喷涂腔从与所述加热腔相连的一端到设有喷涂口的一端为横截面逐渐变大的喇叭口状；

位于所述进料腔与喷涂腔之间的所述加热腔为狭长的腔室。

6.如权利要求3所述的薄膜制备装置，其特征在于，所述加热腔沿所述原子和/或分子蒸气前进方向上的高度在10cm-70cm之间，宽度在1cm-15cm之间。

7.如权利要求1或2所述的薄膜制备装置，其特征在于，所述喷涂口为宽度为0.2mm-5mm的狭缝或依次排列的孔径为5μm-5mm的多个气孔。

8.一种薄膜制备方法，用于把粉料气化后沉积在衬底上生成薄膜，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过运载气体运载所述粉料；

(2)对所述粉料加热以形成原子和/或分子蒸气；

(3)让所述原子和/或分子蒸气经过热电子区，使其中的原子或分子在热电子区中带弱电；以及

(4)使带弱电的所述原子或分子在加速电场中加速运动并沉积至所述衬底以形成薄膜。

9.如权利要求8所述的薄膜制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，加热所述粉料的温度为500-1200℃。

10.如权利要求8所述的薄膜制备方法，其特征在于，所述粉料的粒径不超过100μm。

11.如权利要求8所述的薄膜制备方法，其特征在于，所述加速电场为匀强电场，所述匀强电场的场强为0-200kV/m。

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