CN102787305A

CN102787305A - 一种减少化学气相沉积过程中杂质沉积的装置及方法

Info

Publication number: CN102787305A
Application number: CN2012102721706A
Authority: CN
Inventors: 相炳坤; 朱其豹; 王信智; 杨也; 李文帅; 孟兆升
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2012-11-21

Abstract

本发明公开了一种减少化学气相沉积过程中杂质沉积的装置及方法。该装置包括反应室、基底、基底安装机构、抽气系统、以及固定在反应室内的水冷支撑台和等离子体激发源；水冷支撑台固定在反应室上端，且台面朝下；基底的上表面通过基底安装机构与水冷支撑台的台面固定相连；抽气系统位于水冷支撑台的上部；等离子体激发源固定在反应室下端，且与基底的下表面相对。本发明化学气相沉积方法通过设置在下方的等离子体激发源激发出的等离子体由下而上流动，从而在上方的基底长膜端面上生长出薄膜。本发明能有效减少化学气相沉积过程中的在薄膜中产生杂质，提高薄膜质量。

Description

一种减少化学气相沉积过程中杂质沉积的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种化学气相沉积的装置及方法，具体涉及一种利用等离子体由下而上进行沉积来减少薄膜中杂质的装置及方法，可用于采用等离子体喷射化学气相沉积法、热丝化学气相沉积法等的镀膜设备。

背景技术

在金刚石膜及其他超硬膜（如立方氮化硼、氮化碳等）的沉积方法中，热丝化学气相沉积法（hot-filament-assisted chemical vapor deposition 简称HFCVD）、直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法（DC Arc Plasma Jet CVD 简称DC-Arc PJ CVD）及微波等离子体化学气相沉积法（Microwave plasma chemical vapor deposition ，简称MPCVD）是化学气相沉积方法中几种常用的沉积方法。

HFCVD法是制备金刚石涂层薄膜最有效方法之一，与其他方法相比具有设备简单，成膜过程易于控制的优点，目前已经较广泛用在金刚石涂层工具制备当中。在HFCVD法中，热丝与基底间距一般小于10mm，沉积金刚石时，是将热丝（通常为钽丝或钨丝）加热到2000℃以上，以活化和分解碳氢混合气体而获得金刚石生长所需的前驱基团和原子氢。热丝在高温时极易发生相变生成金属碳化物，特别是在热丝工作初期碳化速率很高，如果热丝在沉积金刚石膜前不进行碳化处理，将会有大量的碳消耗在热丝上，导致基底上金刚石成核不足，甚至不能在基底上生长出连续的金刚石膜。所以，热丝碳化在沉积金刚石膜工艺之中是必须处理工艺，碳化时间通常需要几个小时。由于热丝持续在含碳气体氛围中工作，所以碳化过程不仅仅存在于工作初期而是存在于整个薄膜生长过程中，只是在初始碳化处理之后，工作过程中碳化速率降低并趋于稳定。在热丝碳化处理过程中，高温热丝蒸发的金属杂质和分解的含碳键的基团在重力作用下，将会在离开热丝下方很近的基底上沉积含有大量杂质的薄膜，这种膜将会减低后续金刚石薄膜或其他超硬膜的成核密度和生长；另外由于夹持固定热丝阵列的固定电极和移动电极离热丝阵列较近和分解碳源气体扩散，在这两个电极上会生长一些附着不牢的含大量石墨键的碳膜，在沉积过程中这些碳膜经常会从电极上脱落，落到生长的超硬膜表面上，杂质的加入将会增加薄膜内应力，增大孪晶,孔洞甚至裂纹等缺陷的产生从而降低了膜基附着力和薄膜纯度等诸多性能。

现有技术主要采用以下三种方法来降低HFCVD法中杂质的不利影响：一是采用热丝碳化后再放入基底进行沉积，但热丝碳化后会变脆，极易断丝，因而这种方法极少采用；二是在热丝碳化阶段将基底与热丝间距调大，减小落到基底上的杂质数量，但仍然在基底上沉积含有金属及大量石墨碳键的非金刚石膜；三是在热丝碳化处理过程中在热丝与基底之间加入挡板来阻止杂质沉积到基底上，但这种方法只能解决薄膜沉积初期问题，无法解决后续生长过程中杂质沉积对薄膜纯度和性能的影响。

DC-Arc PJCVD法是高速生长高质量金刚石膜或其他超硬膜的方法，目前此法制备的高质量金刚石膜已广泛用于金刚石膜工具、金刚石膜热层领域中。它主要由真空沉积室（等离子炬和水冷支撑台）、进气系统、等离子射流电源、真空系统、操作控制系统等组成；其原理是在圆环状的阳极和通过其中的棒状阴极之间通入沉积气体（如CH₄，H₂等），这些反应气体被旋转的高温电弧加热到高温状态，急剧膨胀的高温气体以很高的速度从圆环状阳极喷口喷出，形成一个大约5～10cm长的等离子体，温度达到4000℃以上，高温等离子体使气体离解充分，从而在基底上沉积金刚石膜。等离子体的温度很高，即使是低温等离子体，电弧轴心温度也达上万度，在阴阳极接通电源的瞬间，反应气体被迅速加热，急剧膨胀，产生层流和紊流，电弧处于一种不稳定状态，此时电极易受到电蚀产生杂质并沉积到基底上，影响薄膜初期成核及后期生长。另外当碳源气体在电弧高温区分解后，一部分碳会扩散到电弧以外的区域，由于遇冷后形成碳微粒，并在温度场作用下向着稳定梯度相反方向运动，附着在阳极环上，阳极环某些区域出现石墨或无定型碳微胚核，这些胚核并没有被活性氢原子完全刻蚀掉，随着时间的增加而不断长大，这些附在阳极环上的非金刚石杂质，主要是石墨，随着体积的增大，在杂质与等离子体炬内壁之间的增大应力和等离子体高温喷射气体冲击力共同作用下，有些杂质会从阳极环上脱落，当它们落在制备的金刚石膜上时，将导致金刚石膜含石墨等杂质颗粒，降低超硬膜的纯度和性能。

现有技术主要采用以下三种方法来降低DC-Arc PJCVD法中杂质的不利影响：一是采用在引弧阶段时加大基底与阳极间距来减小落到基底上的杂质数量。但加大基底与阳极距离的方法只是减少了非金刚石成分的膜的厚度，稍许减轻了对制备高质量薄膜的影响，二是经过长时间沉积后当阳极产生积碳时及时改变沉积工艺来除去积碳防止其对薄膜质量产生影响，该方法不仅繁琐且只能减轻杂质的影响，不能完全解决问题。三是通过提高阳极喷嘴的表面质量，改变磁场功率，碳源浓度等方式来减少杂质的产生，这些方法也只能减少杂质的产生。四是在等离子体炬与基底之间加入挡板来阻止杂质沉积到基底上，其缺点与HFCVD法类似。

另外，在化学气相沉积法中不管是热丝法，还是等离子体喷射法，由于工作过程中沉积装置内部都是处于等离子体环境中，在薄膜沉积的过程中，在装置其它部位，比如腔体内壁等虽然沉积条件与基底处不同，无法生长出所需超硬薄膜，但是会生长出其它非超硬的晶体或非晶薄膜材料以及黏附一些非薄膜杂质，这些杂质往往并不方便经常处理，并且这些杂质由于在设备工作和非工作期间所经历的不同温差等环境变化而不能与设备牢固结合，在薄膜制备过程中，很容易受温度场和流场等作用而沉积到基底上，并影响薄膜纯度和性能。

综合而言，上述众多方法只能减少杂质的产生或者是解决沉积过程中某一阶段杂质对薄膜的影响并不能从根本上解问题。特别是在长时间生长高质量、高纯度的金刚石膜、立方氮化硼膜、氮化碳膜等其他超硬膜时这种问题更加明显。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能有效减少杂质产生的化学气相沉积装置及方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种减少化学气相沉积过程中杂质沉积的装置，包括反应室、基底、抽气系统、以及固定在反应室内的水冷支撑台和等离子体激发源；该装置还包括基底安装机构；水冷支撑台固定在反应室上端，且台面朝下；抽气系统位于水冷支撑台的上部；基底的上表面通过基底安装机构与水冷支撑台的台面固定相连；等离子体激发源固定在反应室下端，且与基底的下表面相对。

上述装置还包括薄膜承接机构，该薄膜承接机构可抽拉或可转动地与反应室相连，且设于基底下方。该薄膜承接机构为网状挡板，采用高温陶瓷或钼、钨等耐高温金属材料。

其中基底安装机构为高温磁铁，设于水冷支撑台内；基底采用导磁材料，通过磁力吸引将基底与水冷支撑台固定相连。基底安装机构还可为机械夹持装置或电磁吸引装置，通过机械夹持方式或电磁吸引方式固定基底。

等离子体激发源为热丝阵列或等离子体炬等。

本发明还提供了利用上述装置进行化学气相沉积的方法，该方法通过设置在下方的等离子体激发源激发出的等离子体由下而上流动，从而沉积在上方的基底的下表面。

所述沉积过程初期，调整所述水冷支撑台，使基底和等离子体激发源间距达到10CM以上，可以有效避免在薄膜沉积初期等离子激发源以及设备内部其它部位的杂质沉积到基底上；当热丝阵列碳化稳定后或等离子体电弧稳定后，再调整水冷支撑台高度，控制基底和等离子体激发源间距达到10MM左右，能够提高薄膜成核密度，增大膜基附着力。

同时，当沉积完成后，通过薄膜承接机构承接落下的薄膜。

具体承接过程如下：沉积膜的厚度或质量达到预定要求后，逐渐减少电功率，并调整水冷支撑台高度，增大基底和等离子激发源间距，当基底长膜端面（即基底的下表面）温度达到500℃以下且膜尚未脱离时，将所述薄膜承接机构通过抽拉或转动方式移动到所述基底的正下方，再逐渐减少电功率，使基底冷却，如膜脱离，则可以通过所述薄膜承接机构承接落下的薄膜。

本发明相比现有技术具有以下优点：将等离子体激发源（等离子体炬或热丝阵列）放置在基底表面下方，并通过设置在上方的抽气系统，使产生的等离子体由下而上流动，提高了超硬薄膜成核密度，增大了膜基附着力，而且在后续整个生长过程中薄膜也不会受到杂质脱落到生长膜表面的影响，这将改善薄膜内应力，减少孪晶、孔洞裂纹等缺陷的产生，从而提高薄膜的力学、光学等诸多性能。同时利用薄膜承接机构进行薄膜承接，防止在沉积后期，因在基底降温过程中产生薄膜与基底自动分离而导致薄膜的脱落破损。本发明不仅对短时间沉积薄膜有益，而且对长时间生长高质量、高纯度的金刚石膜、立方氮化硼膜、氮化碳膜等其他超硬膜更有益处。

附图说明

图1为HFCVD法中本发明装置的结构示意图；

图2为DC-Arc PJ CVD法中本发明装置的结构示意图。

图中，1-薄膜承接机构，2-反应室3-水冷支撑台，4-直流电源，5-冷却水，6-抽气系统，7-基底安装机构，8-基底，9-热丝阵列，10-进气口，11-等离子体，12-等离子体炬。

具体实施方式

下面结合附图对本发明减少化学气相沉积过程中杂质沉积的装置及方法进行详细说明。

实施例一

参见图1，在HFCVD法中，本发明装置包括薄膜承接机构1、反应室2、水冷支撑台3、抽气系统6、基底安装机构7、基底8和等离子体激发源。其中基底安装机构7为高温磁铁；等离子激发源为与直流电源4相连，并安装在反应室2下方的热丝阵列9。通入冷却水5的水冷支撑台3设于反应室2的内部上端。基底安装机构7设于水冷支撑台3内，由于水冷支撑台3通常采用铜材料制成，不会影响磁铁的正常工作。基底8采用导磁材料，通过与高温磁铁的磁力吸引将其固定在水冷支撑台3的下端，且用于薄膜沉积的表面朝下。在薄膜制备过程中，反应气体从下方进气口10通入，在经过热丝阵列9分解后向上流动，从上方抽气系统6抽出，膜沉积在基底8下表面。当长时间制备自支撑厚膜时，在制备末期，在逐渐降低沉积功率及增加热丝阵列9与基底8距离之前将薄膜承接机构1移至热丝阵列9与基底8之间，防止薄膜因温度，流场等环境变化自行与基底8分离而脱落。薄膜承接机构1的移动方式可以采用抽拉式，转动式等方式。在设备完全停止后，再将薄膜承接机构1移至合适位置以方便取出薄膜。

实施例二

参见图2，在DC-Arc PJ CVD法中，本发明装置包括薄膜承接机构1、反应室2、水冷支撑台3、抽气系统6、基底安装机构7、基底8和等离子体激发源。其中基底安装机构7为螺栓。基底8采用机械夹持方式，通过螺栓固定到水冷支撑台3上；等离子激发源为固定于反应室2下盖的等离子体炬12。通入冷却水5的水冷支撑台3设于反应室2的内部上端。基底8通过机械夹持方式固定在水冷支撑台3的下端，且用于薄膜沉积的表面朝下。等离子体炬12的阳极伸入反应室2内，且与基底8的下表面相对。在薄膜制备过程中，反应气体从下方进气口10通入，在经过等离子体炬12后形成等离子体11，向上流动，从上方抽气系统6抽出，膜沉积在基底8下表面。当长时间制备自支撑厚膜时，在制备末期，在逐渐降低沉积功率及增加等离子体炬12与基底8距离之前将薄膜承接机构1移至等离子体炬12与基底8之间，防止薄膜因温度，流场等环境变化自行与基底8分离而脱落。薄膜承接机构1的移动方式可以采用抽拉式，转动式等方式。在设备完全停止后，再将薄膜承接机构1移至合适位置以方便取出薄膜。

Claims

1.一种减少化学气相沉积过程中杂质沉积的装置，包括反应室、基底、抽气系统、以及固定在反应室内的水冷支撑台和等离子体激发源；其特征在于：所述装置还包括基底安装机构；所述水冷支撑台固定在所述反应室上端，且台面朝下；抽气系统位于水冷支撑台的上部；所述基底的上表面通过基底安装机构与水冷支撑台的台面固定相连；所述等离子体激发源固定在所述反应室下端，且与所述基底的下表面相对。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括薄膜承接机构；所述薄膜承接机构可抽拉或可转动地与所述反应室相连，且设于所述基底下方。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述薄膜承接机构为网状挡板。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述薄膜承接机构采用高温陶瓷或耐高温金属材料。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述基底安装机构为高温磁铁；所述高温磁铁设于水冷支撑台内；所述基底采用导磁材料，通过磁力吸引将所述基底与水冷支撑台固定相连。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述基底安装机构为机械夹持装置或电磁吸引装置。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述等离子体激发源为热丝阵列或等离子体炬。

8.一种采用权利要求1或2所述装置进行化学气相沉积的方法，其特征在于：通过设置在下方的等离子体激发源激发出的等离子体由下而上流动，从而使薄膜沉积在上方的基底的下表面上。

9.一种采用权利要求2所述装置进行化学气相沉积的方法，其特征在于：所述沉积完成后，通过所述薄膜承接机构承接落下的薄膜。