CN108350569B - 用于通过电子回旋加速器共振等离子体制造非晶态碳层的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用电子回旋加速器共振等离子体制造非晶态碳层的设备，该设备包括等离子腔(13)，输送气体(4)的输送装置，磁镜(15)，沿参考轴线延伸的波导(5)，注入微波能量的注入装置(1)，用于在等离子腔(3)中生成磁场的生成装置(2)，用于在等离子腔(3)中生成磁场的生成装置(2)配置为创造磁场线的束(13)，等离子体沿磁场线束(13)传播；由碳制备而成的靶(9)；基底架(10)；其特征在于，靶(9)布置在到参考轴线(14)的距离为R靶/2到R靶，该设备进一步包含布置在波导(5)和基底架(10)之间的屏(8)。

Description

用于通过电子回旋加速器共振等离子体制造非晶态碳层的 设备
技术领域
本发明涉及一种用于通过电子回旋加速器共振等离子体制造非晶态碳层的设备。
现有技术
现有技术已知可以用电子回旋加速器共振等离子体来沉积碳层。由此，文件FR2774251描述了一种用电子回旋加速器共振等离子体来沉积碳的设备。该设备借助于由电子回旋加速器共振等离子体(也称ECR等离子体)溅射碳靶，使得可以通过物理气相沉积(PVD)方法来沉积碳。实际上，ECR等离子体具有无需灯丝或阴极即可以自发方式在电子回旋加速器共振区自动生成的优点，电子回旋加速器共振区产生高能电子，高能电子将注入到等离子腔内的气体电离而制造等离子体。所述等离子体沿着磁场线的束传播，离子体束被将要溅射的碳靶拦截。之后碳原子从负极化的靶中溅射出来，并且到达其被沉积的基底上。
然而，这些现有技术的设备非常笨重，且基底架远离等离子体，这意味着沉积速率很慢。此外，层的均匀性仅借助于沉积期间支撑件的平移、旋转运动获得，这意味着装置非常复杂。
之后，也实施了使基底架靠近的其他方案。例如，在文件US2005/0145339中，基底架被放置在等离子体的轴线上，但是基底之后受到等离子体粒子的冲击导致基底和沉积层损坏。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺点，提供一种用于通过电子回旋加速器共振等离子体来生产非晶态碳弹性层的设备，该设备使得可以生产低厚度、连续、均匀的弹性的非晶态碳层，该非晶态碳层中sp3结合水平超过20％，并且可以在任何类型的基底上沉积。
为实现该目的，本发明首先提供一种用于通过电子回旋加速器共振等离子体来制造非晶态碳层的设备，该设备包含：
-等离子腔；
-运输气体进入等离子腔的装置；
-磁约束镜；
-波导，波导插入等离子腔，波导沿参考轴线延伸；
-用于注入微波电磁波的注入装置，注入装置布置为借助波导将微波电磁波注入到等离子腔中；
-用于在等离子腔中生成磁场的生成装置，注入装置和生成装置配置为在等离子腔内形成电子回旋加速器共振区，用于生成磁场的生成装置进一步配置为创造磁场线的束，等离子体沿磁场线的束传播，等离子体沿着参考轴线延伸，等离子体具有边缘；
-由将要溅射的碳材料制成的靶；
-布置为支撑基底的基底架；
特征在于：
-靶布置在到参考轴线的距离为R靶/2到R靶之间的位置处，其中，R靶是指靶所在基准面上，等离子体边缘与参考轴线之间的距离；
-还在于
-设备进一步包含布置在波导和基底架之间的屏。
在操作中，用于生成磁场的装置和用于注入微波电磁波的装置能够创造电子回旋加速器共振区，电子回旋加速器共振区生成高能电子，高能电子将注入到等离子腔中的气体电离而制造等离子体。用于生成磁场的生成装置，在磁约束镜中生成磁场线的束，等离子体沿磁场线的束传播。所述磁场线的束与波导沿相同的参考轴线延伸。磁场线的束的边缘与参考轴线之间的距离为R。所述距离R可以根据磁场线的束的区段所出水平变化。
事实上，将靶定位在到参考轴线距离为R靶/2到R靶之间的位置，使得可以在不太干扰等离子体的同时将靶充分插入到等离子体中，以便靶接收足够的离子溅射到其整个表面上。
屏可以保护基底，因为它拦截了部分磁场线。屏由此可以保护基底和沉积其上的非晶态碳层免受等离子体的电子和离子通量的影响。
本发明的设备还可以具有单独的或根据其所有技术可能结合考虑的如下特征之一：
有利地，靶和基底架彼此面对面地布置，这样，从靶剥离的大部分的碳原子将沉积在基底上。
有利地，屏垂直于参考轴线延伸，这使得屏能够有效保护基底免受等离子体冲击，而不妨碍碳原子从靶移到基底。
有利地，屏由非磁性材料构成，这样，屏不干扰磁场线的束。
有利地，屏由导电材料构成，这样，利于电荷从等离子体中排出。
有利地，为了不扰乱等离子体，靶大体上平行于参考轴线布置。
有利地，为了限制等离子体对基底的冲击，基底架大体上平行于参考轴线布置，
有利地，基底架与参考轴线相隔一定距离布置，以便基底布置在磁场线的束的外侧。为此，优选地，基底架布置在到参考轴线距离超过R的位置，此处R是磁场线的束的边缘和参考轴线之间的距离。等离子体对基底的冲击因此被进一步限制。
有利地，设备包含用于布置成对靶电极化的靶极化装置。
有利地，设备进一步包含有机材料制备而成的基底，所述基底布置在基底架上，使得可以在有机材料制成的基底上沉积非晶态碳层，这样，在必要时能够更容易地将其溶解。优选地，有机材料为高分子材料。高分子材料为，例如，PMMA。事实上，该设备的特别优势在于，因为它允许非晶态碳沉积在未经加热、未经电极化和不受等离子体粒子冲击的基底上，如此，可以使用易碎基底，如由聚合物制备而成的基底，这是现有技术的设备所不具备的。
有利地，运输装置配置为将惰性气体注入到等离子腔。所述惰性气体优选氩气或氪气。
有利地，靶布置在与约束镜区域内磁场B最小的水平处。
附图说明
通过阅读下面的详细说明并参考附图，可以更清楚地理解本发明其他的特征和优点，附图示出：
-图1为本发明的一个实施方式的设备的示意图；
-图2为图1所示设备的另一示意图；
-图3a为在图1和图2的设备中得到的并转移到电路的非晶态碳层的扫描电镜(SEM)图；
-图3b为图3a中的碳层在捕获气泡后的扫描电镜(SEM)图；
为更清楚起见，在所有附图中相同或相似的元件用相同的附图标记标示。
具体实施方式
图1和图2代表了本发明一个实施方法的设备，该设备包括：
-等离子腔3；
-运输装置4，用于将气体运输至等离子腔；运输装置4优选地配置为将惰性气体运输到等离子腔中电离从而形成等离子体，所述惰性气体优选地为氩气或氪气。
-磁约束镜15，磁约束镜15优选地包含两个螺线管或两个永磁块；
-注入装置1用于注入微波电磁波。特别地，所述注入装置1包含微波电磁波生成器，所述微波电磁波优选地具有2.45GHz的频率。
-插入到等离子腔3中的波导5，且注入装置1通过波导5将微波电磁波注入到等离子腔3中。波导插入到等离子腔中的部分沿参考轴线延伸。波导插入到等离子腔中的部分相对参考轴线14具有对称性；
-等离子腔3中的磁场生成装置2，所述生成装置2优选地包含永磁体或螺线管。
生成装置2和注入装置1能够在等离子腔3或波导中，并且更确切地说在磁镜15中，创造至少一个电子回旋加速器共振区6，电子回旋加速器共振区也被称为ECR区。该电子回旋加速器共振区6使得可以通过电子冲击来加速将要电离所注入气体的电子，从而生成等离子体。
磁场生成装置2进一步配置为在磁约束镜15中创造磁场线的束13，等离子体7沿磁场线的束13传播。磁场线的束13来自ECR区。磁场线的束沿着参考轴线14延伸。由此，等离子体也沿着参考轴线14延伸。
磁场线的束可以具有圆柱形或矩形截面。束通常是双凸面的。磁场线的束以及等离子体具有限定磁场线的束和等离子体的边缘18。该边缘18到参考轴线之间的距离为R。该距离R根据点所处位置的水平与参考轴线的距离变化。事实上，由于等离子体的边缘可以或多或少地凸起，距离R可以在最大距离Rmax和最小距离Rmin之间变化。
由于等离子体保持局部在磁场线的束13上，由此具有明确的形状，并且它具有与束13相同的轴线和相同的尺寸。
该设备还包含待溅射的碳靶9。等离子体的离子撞击靶9，靶9喷射碳原子。该设备还可以包含用于极化靶的装置，该装置布置成极化，优选为负极化，靶9。
该设备还包含基底架10，基底架10能够支撑预期在其上沉积碳层的基底16。从靶9喷射的碳原子沉积在基底16上而形成非晶态碳层。
靶9布置在等离子体边缘，而不是布置在等离子体的轴线上。更精确地说，位于靶的水平处的等离子体的边缘18的部分布置于到参考轴线14距离为R靶。当磁场线的束具有圆柱形截面时，R靶由此而等于靶所处水平处的磁场线的束的横截面的半径。当磁场线的束具有矩形截面时，2*R靶由此而代表靶所处水平处的磁场线的束的横截面的高度。靶9布置在到参考轴线距离为R靶/2到R靶之间的位置。
靶优选地布置在约束镜上，更有利地布置在磁场B最小的位置。
优选地，靶大体平行于参考轴线布置。
基底架10面向靶9布置在与等离子体相对的边缘上。基底架10优选地大体平行于靶布置。基底架优选地布置在等离子体外侧。为此，基底架10优选地布置在到参考轴线的距离大于R靶的位置处。
为了保护基底不受等离子体的冲击，在基底架10前方布置屏8。屏8布置在波导5和基底架10之间。屏8优选地由板组成，如平板。优选地，屏8包含大体与基底架对齐的第一端11。屏8包含第二端12，第二端12插入到等离子体中，以局部阻挡等离子体的粒子冲击基底。因此，这种布置方式使得可以将基底架布置在与靶距离较短的位置处，同时避免因受到等离子体的冲击而变坏。屏优选地具有与基底架的宽度大体相同的宽度。
为避免干扰等离子腔内的磁场，屏8优选地由非磁性材料构成。并且，为了促进电荷从等离子腔内排出，屏8优选地由导电材料构成。
本发明的设备尤其有利地在于它使得可以制造具有厚度为1～5nm之间的低厚度的非晶态碳层，该非晶态碳层连续、均匀且有弹性，这是现有技术所没有的。事实上，该设备使得可以获得sp3结合水平超过20％且杨氏模量约为200GPa的碳层。此外，它可以无需依赖离子束溅射方法、无需加热基底、无需极化基底即可制造这样的碳层。由此，它使得可以在任何类型的基底上沉积非晶态碳层，特别是可以在高分子基底上。值得注意的是，它因此可以在由塑料、聚甲基苯烯酸甲酯(PMMA)、OLED(有机发光二极管)材料制备而成的基底上沉积碳层。
图3a和图3b代表由类似图1和图2的设备所生产的转移到电路中非晶态碳层的图像。为制造这种非晶态碳层，通过注入装置注入的微波电磁波具有2.45GHz频率和282W功率，当通过生成装置创造的磁场B等于0.0875T时，发生电子回旋加速器共振。通过运输装置注入到等离子腔中的气体为氩气，其在5.10-4mbar的压力下注入。由碳制成的靶被极化至-402V和0.1A。碳沉积进行12min，这样可以获得5nm厚度的非晶态碳层。由此，沉积速率为0.42nm/min。磁场的最小值为0.05T。
计算两个横向动能Ee的电子的拉莫尔半径，获得的值如下：
E<sub>e</sub> B＝0.05T B＝0.0875T
1eV 0.066mm 0.038mm
100eV 0.6mm 0.38mm
由此，电子在电子回旋加速器共振区加速，并沿着具有小尺寸拉莫尔半径的磁场线传播，此处小尺寸为小于1毫米。
通过透射电镜(TEM)观察得到的碳层，可以确定碳层确实是没有结晶的非晶态。对所述非晶态碳层进行X射线光电子能谱分析(XPS)，显示碳层具有25％的sp3结合水平，相当于具有200GPa的杨氏模量。图3b中可看出，可以在碳层下捕捉气泡而不引起层裂隙，这证实了碳层具有弹性。
当然，本发明并不限于参照附图描述的实施方式，可以设想一些替代性技术方案而不超出本发明的范围。
这些非晶态碳的潜在应用，一方面是用于，尤其是通过层的转移，生产MEMS(微机电系统)，CMUT(电容式微机械超声换能器)和悬浮膜微谐振器，另一方面是用于有机设备(OLED型)的封装、腐蚀性介质(酸、碱等)中设备的保护以及在轻气(氢、氦)环境中设备的密封。

Claims (5)

1.一种通过电子回旋加速器共振等离子体制造非晶态碳层的设备，该设备包含：
-等离子腔(3)；
-运输气体(4)进入等离子腔(3)的输送装置；
-磁约束镜(15)，
-波导(5)，该波导插入到等离子腔(3)中且沿参考轴线(14)延伸；
-微波电磁波注入装置(1)，该注入装置布置成借助波导(5)将微波电磁波注入到等离子腔(3)中；
-生成装置(2)，该生成装置在等离子腔(3)中生成磁场，注入装置(1)和生成装置(2)配置为在等离子腔(3)中形成电子回旋加速器共振区(6)，用于生成磁场的生成装置(2)进一步配置为创造磁场线的束(13)，等离子体沿磁场线的束(13)传播，等离子体沿参考轴线(14)延伸，等离子体具有边缘；
-由将要溅射的碳制成的靶(9)；
-用于支撑基底的基底架(10)，
其特征在于，
-靶(9)平行于参考轴线布置且与参考轴线之间的距离为R靶/2到R靶之间，其中，R靶，靶所在位置水平，是等离子体边缘和参考轴线之间的距离；
-该设备进一步包含屏(8)，屏(8)布置在波导(5)和基底架(10)之间，屏(8)垂直于参考轴线(14)延伸，且部分地阻挡能够冲击基底的等离子体粒子；
-基底架(10)平行于参考轴线(14)布置，且到参考轴线(14)的距离大于R靶，从而将基底布置在等离子体的外侧；
-靶(9)和基底架(10)面对面布置。
2.根据前述权利要求所述的设备，其中，屏(8)由非磁性材料构成。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，屏(8)由导电材料构成。
4.根据权利要求1或2所述的设备，该设备包含由有机材料制备而成的基底，基底置于基底架(10)上。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，靶布置在约束镜(15)的区域内磁场B最小的水平处。
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