CN102776483A - 等离子体辅助气相传输沉积装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体辅助气相传输沉积装置和方法。所述等离子体辅助气相传输沉积装置包括真空腔室和位于真空腔室内用于加热以气化原料的原料加热腔、用于形成等离子体激发区的等离子体发生器和用于把原料加热腔内的气相的原料粒子和携带气体的混合物导出到等离子体发生器形成的等离子体激发区内的气体导出管，等离子体激发区的下方设有用于承载衬底的衬底承载结构。本发明还公开了一种气相传输沉积方法。本发明的等离子体辅助气相传输沉积装置和方法，通过气体导出管改善气相原料粒子在携带气体中的均匀分布，通过等离子体发生器处理气相原料粒子，提高了气相原料粒子的能量，并使气相原料粒子进一步均匀分布在携带气体中，改善成膜质量。

Description

等离子体辅助气相传输沉积装置及方法

技术领域

本发明属于薄膜制造技术领域，具体涉及一种制造薄膜的等离子体辅助气相传输沉积装置及方法。

背景技术

近年来，薄膜材料在很多领域得到广泛应用，对薄膜的质量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、超声喷雾法等气体输运法。

其中气相传输沉积法(VTD)采用气体携带大量的原料粒子进行沉积，这种方法的优点在于：由于粒子一般含有较多的原子或分子，可以实现快速的沉积；并且由于这些原料粒子是被气体携带至衬底上进行生长的，能量不高，对衬底的损伤也较小。

这种方法的缺陷在于：由于原料粒子中含有多个原子或分子，并且能量较小，粒子在衬底上很难出现破裂，无法提供充足的生长驱动力；并且由于携带气体中含有的粒子较多，在喷涂的过程中容易出现团簇的现象。因此采用通常的气相传输沉积法很难获得附着力好、致密、结晶性好的薄膜，因此在应用上受到了一定的限制。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明目的是：提供了一种等离子体辅助气相传输沉积装置，解决现有的气相传输沉积法中粒子入射能量小的问题，能够快速低成本地制造薄膜。

为解决上述问题，本发明提供了一种等离子体辅助气相传输沉积装置，用于在衬底上沉积薄膜，包括真空腔室、位于所述真空腔室内用于加热以气化原料的原料加热腔、用于形成等离子体激发区的等离子体发生器和用于把所述原料加热腔内气相的原料粒子和携带气体的混合物导出到所述等离子体激发区以使携带气体形成等离子体的气体导出管，所述等离子体激发区的下方设有用于承载所述衬底的衬底承载结构。

作为优选，所述气体导出管包括与所述原料加热腔的上部水平连通的入口段和位于所述等离子体激发区的上方的出口段，所述出口段沿竖直方向朝向所述等离子体激发区，所述入口段与出口段通过弯管连接。

作为优选，所述气体导出管的出口为狭缝或喷嘴。

作为优选，所述气体导出管的横截面为圆形或椭圆形，所述横截面从气体导出管入口到出口逐渐变大。

作为优选，所述气体导出管的材料为钼或石英。

作为优选，所述等离子体发生器为二级放电型或磁场聚焦型。

作为优选，所述真空腔室的真空度为1-200Pa。

作为优选，所述气体导出管为多个，且每个所述气体导出管分别对应一个等离子体发生器。

作为优选，所述携带气体为氩气、氦气或氮气。

作为优选，所述衬底承载结构为支撑台或支撑挂钩。本发明还提供了一种通过上述任一项所述的等离子体辅助气相传输沉积装置进行的等离子体辅助气相传输沉积方法，包括在真空环境中进行的如下步骤：

(1)在所述原料加热腔中加热原料粉末其成为气相的原料粒子；

(2)通过携带气体带动所述气相的原料粒子从所述原料加热腔中经气体导出管运动至等离子体激发区；

(3)所述携带气体在所述等离子体激发区电离成等离子体，所述等离子体使所述气相的原料粒子带电；

(4)带电的所述气相的原料粒子在衬底上沉积并生成薄膜。

本发明的等离子体辅助气相传输沉积装置以及沉积方法具有以下有益效果：

1、通过气体导出管改善气相原料粒子在携带气体中的均匀分布，提高成膜质量。

2、通过等离子体发生器处理气相原料粒子，提高了气相粒子的能量，并使气相原料粒子进一步均匀分布在携带气体中，从而改善成膜质量。

附图说明

图1为本发明的实施例一的等离子体辅助气相传输沉积装置的结构示意图；

图2为图1所示的等离子体辅助气相传输沉积装置中的等离子体发生器与喷嘴的结构示意图；

图3为本发明的实施例二的等离子体辅助气相传输沉积装置的结构示意图；

图4为本发明的实施例三的等离子体辅助气相传输沉积装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

实施例一

如图1所示的本发明的实施例一的气相传输沉积装置，包括真空腔室6和位于真空腔室6内的原料加热腔5、等离子体发生器和用于把原料加热腔5内的气相的原料粒子和携带气体的混合物导出到等离子体发生器所形成的等离子体激发区70内的气体导出管2，等离子体发生器的正下方设有衬底1，所述衬底1设置在衬底承载结构(图中未示出)上，经等离子体激发区70电离后的气相的原料粒子在携带气体的带动下喷向衬底1，气相的原料粒子在衬底1上沉积并生长成薄膜，生成的薄膜覆盖在衬底1上与衬底1成为一体。特别说明的是，本实施例中的原料加热腔5、等离子体发生器、气体导出管2和衬底承载结构均处于真空腔室6内，图1中只是示范地示意出真空腔室6的形状，实际上真空腔室6是封闭的腔室，其真空度在1-200Pa之间，衬底1也处于真空腔室6内，衬底承载结构被驱动系统带动作水平运动，设置在其上的衬底1也相应作水平运动。所述衬底承载结构可为支撑台或支撑挂钩等。

如图1所示，本实施例中，原料加热腔5的上方设有用于进入薄膜原料4的进料口3、原料加热腔5用于加热薄膜原料4以使薄膜原料4形成气相的原料粒子，原料加热腔5可以采用电阻加热或电子束加热的方式进行加热，原料加热腔5上部的侧面还设有用于通入携带气体的进气口(位于原料加热腔5的侧面，图中未示出)，携带气体可以为氩气、氦气、氮气等气体，其中原料加热腔5采用石英、陶瓷等耐高温的材质制成。

作为优选，本实施例中，气体导出管2的横截面为圆形，其直径从与原料加热腔5连通的入口到位于等离子体激发区70上方的出口逐渐变大，当然气体导出管2的横截面还可以为其他形状，如椭圆形或狭长的矩形等，气体导出管2的材料可选用耐高温的石英或金属板如钼等。

如图2所示，在本实施例中，作为优选，气体导出管2的出口为喷嘴22，喷嘴22的形状可以为圆形，也可以为狭扁平的矩形。气相的原料粒子和携带气体的混合物经过喷嘴22喷向等离子体激发区70，携带气体作为产生等离子体的发生气体，经等离子体发生器所形成的等离子体激发区70后形成等离子体，原料粒子经过等离子体激发区70时受携带气体所产生的等离子体撞击而发生电离，然后运动至衬底1，并在衬底1上沉积生长成薄膜。其中，等离子体激发区70与其上方的喷嘴之间的距离在5mm-10mm之间，等离子体激发区70与其下方衬底之间的距离在5mm-15mm之间，本领域的技术人员可以根据实际情况进行调整。当然还可以在气体导出管2的出口处设置狭缝来使所述混合粒子喷向等离子体激发区70。

如图2所示，在本实施例中，等离子体发生器为二级放电型，包括两个电极板71和与两个电极板71连接的等离子发生电源8。当然，等离子体发生器还可以采用磁场聚焦型等可以产生立体的等离子体激发区的等离子体发生器。

以下结合图1和图2说明本实施例的等离子体辅助气相传输沉积装置生成薄膜的详细过程。如图1、图2所示，在本实施例中，粉末状的薄膜原料4经原料加热腔5加热后形成气相的原料粒子，然后与携带气体混合形成气相的原料粒子和携带气体的混合物，并在携带气体的压力推动下沿着气体导出管2运动，一直到从气体导出管2的出口端的喷嘴22或者狭缝(图中未示出)喷出。所述气相的原料粒子和携带气体的混合物在气体导出管2中的运动过程中经过气体导出管2的内壁发生不同角度的碰撞，使原料蒸汽与携带气体之间进一步混合，气相的原料粒子在携带气体中的分布也更均匀了。从气体导出管2喷出的混合粒子经过等离子体激发区70时，携带气体会在等离子体发生器的作用下产生等离子体，并使气相的原料粒子带电，能够增加气相的原料粒子的能量，有效降低团簇的数量，并加强气相的原料粒子的活性，改善气相的原料粒子喷射到衬底1表面后的成膜过程，从而得到更均匀，成膜质量更高的薄膜。

实施例二

图3为本发明的实施例二的等离子体辅助气相传输沉积装置的结构示意图，如图3所示，实施例二与实施例一的区别在于，气体导出管2包括与原料加热腔5的上部水平连通的入口段21和位于等离子体激发区70的上方的出口段22，出口段22沿竖直方向朝向等离子体激发区70，入口段21与出口段22之间通过中部的弯管23连接，即气体导出管2的入口段21和出口段22均为直管，中部为弯管，可以使经过气体导出管2的气相的原料粒子和携带气体的混合物在气体导出管2内改变前进方向，与气体导出管的内壁发生碰撞，能够实现均匀混合。其中入口段21和出口段22设置为直管是为了加快原料粒子和携带气体的混合物的流动速度。

当然气体导出管2也可以全部为弯管，即气体导出管2整体为一弯管，也能使混合粒子得到较好的混合，但是气体导出管2整体为弯管时，会影响原料粒子和携带气体的混合物在气体导出管的前进速度。

实施例三

图4为本发明的实施例三的等离子体辅助气相传输沉积装置的结构示意图。

实施例三与实施例一的区别在于，气体导出管为多个，与气体导出管对应的等离子体发生器也为多个，每个气体导出管的出口处分别设有喷嘴。如图4所示，在实施例三中，设有并列的4个喷嘴302，每个喷嘴302分别通过气体导出管(图中未示出)与原料加热腔连接。每个喷嘴302的下方分别为对应的等离子体激发区300，用于使携带气体产生等离子体并使原料粒子电离。每个等离子体激发区300由等离子体发生器产生，每个等离子体发生器包括两个对设的电极板305和电极板303，其中电极板305、电极板303分别固定在平行排列的5个固定板304上，多个等离子体发生器共用一个等离子发生电源301。如图4所示，位于两端的固定板304的内侧分别设有电极板，其他的固定板304的两侧分别设有电极板，相邻的两个固定板304上的电极板相对设置，用于激发经过的携带气体，如氦气、氖气或氮气以形成等离子体激发区。

在实施例三中，通过设置并列的多个气体导出管、喷嘴和等离子体发生器，可以同时向衬底306输送原料粒子，大大提高成膜速度。

以下结合图1和图3所示的本发明的等离子体辅助气相传输沉积装置的实施例一和二详细说明本发明的等离子体辅助气相传输沉积方法。

如图1和图3所示，本发明的等离子体辅助气相传输沉积方法包括在真空环境中进行的如下步骤：

(1)在原料加热腔5内加热原料粉末4，使原料粉末4生成气相的原料粒子；

(2)向原料加热腔5内注入携带气体以带动所述气相的原料粒子经气体导出管2运动至等离子体激发区70；

(3)所述携带气体在等离子体激发区70电离成等离子体，所述等离子体使所述气相的原料粒子带电；

(4)带电的所述气相的原料粒子在衬底1上沉积并生成薄膜。

作为优选，在图1和图3中，采用真空腔室6形成真空环境其真空度在1-200Pa之间。作为优选，在实施例一中，气体导出管2的横截面为圆形，其从与原料加热腔5连通的入口到位于等离子体激发区70上方的出口逐渐变大。在实施例二中，气体导出管2包括与原料加热腔5的上部水平连通的入口段21和位于等离子体激发区70的上方的出口段22，出口段22沿竖直方向朝向等离子体激发区70，入口段21与出口段22之间通过中部的弯管23连接。

综上所述，本发明的等离子体辅助气相传输沉积装置和方法，在现有技术的气相传输沉积法的基础上，通过气体导出管改善气相原料粒子在携带气体中的均匀分布，提高成膜质量；通过等离子体发生器处理气相原料粒子，提高了气相原料粒子的能量，并使气相原料粒子进一步均匀分布在携带气体中，从而改善成膜质量。

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)

1.一种等离子体辅助气相传输沉积装置，用于在衬底上沉积薄膜，其特征在于，包括真空腔室、位于所述真空腔室内用于加热以气化原料的原料加热腔、用于形成等离子体激发区的等离子体发生器和用于把所述原料加热腔内气相的原料粒子和携带气体的混合物导出到所述等离子体激发区以使携带气体形成等离子体的气体导出管，所述等离子体激发区的下方设有用于承载所述衬底的衬底承载结构。

2.如权利要求1所述的等离子体辅助气相传输沉积装置，其特征在于，所述气体导出管包括与所述原料加热腔的上部连通的入口段和位于所述等离子体激发区的上方的出口段，所述出口段沿竖直方向朝向所述等离子体激发区，所述入口段与出口段通过弯管连接。

3.如权利要求1或2所述的等离子体辅助气相传输沉积装置，其特征在于，所述气体导出管的出口为狭缝或喷嘴。

4.如权利要求1或2所述的等离子体辅助气相传输沉积装置，其特征在于，所述气体导出管的横截面为圆形或椭圆形，所述横截面从气体导出管的入口到出口逐渐变大。

5.如权利要求1或2所述的等离子体辅助气相传输沉积装置，其特征在于，所述气体导出管的材料为钼或石英。

6.如权利要求1所述的等离子体辅助气相传输沉积装置，其特征在于，所述等离子体发生器为二级放电型或磁场聚焦型。

7.如权利要求1所述的等离子体辅助气相传输沉积装置，其特征在于，所述真空腔室的真空度为1-200Pa。

8.如权利要求1所述的等离子体辅助气相传输沉积装置，其特征在于，所述气体导出管为多个，且每个所述气体导出管分别对应一个等离子体发生器。

9.如权利要求1所述的等离子体辅助气相传输沉积装置，其特征在于，所述携带气体为氩气、氦气或氮气。

10.如权利要求1所述的等离子体辅助气相传输沉积装置，其特征在于，所述衬底承载结构为支撑台或支撑挂钩。

11.一种通过权利要求1至10任一项所述的等离子体辅助气相传输沉积装置进行的等离子体辅助气相传输沉积方法，其特征在于，包括在真空环境中进行的如下步骤：

(1)在所述原料加热腔中加热原料粉末使其成为气相的原料粒子；

(2)通过携带气体带动所述气相的原料粒子从所述原料加热腔中经气体导出管运动至所述等离子体激发区；

(3)所述携带气体在所述等离子体激发区电离成等离子体，所述等离子体使所述气相的原料粒子带电；

(4)带电的所述气相的原料粒子在衬底上沉积并生成薄膜。

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