CN110284109A - 径向等离子体射流脉冲真空电弧蒸发源及薄膜沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向等离子体射流脉冲真空电弧蒸发源及薄膜沉积装置；脉冲电弧蒸发源通过采用可进行脉冲电弧放电的圆柱形对置电极，将镀膜材料蒸发产生等离子体，在电极端面的限制下，等离子体在高压強驱动下产生均匀分布的径向射流，提高了薄膜沉积均匀性；蒸发源的上下往复运动，可提高膜料利用率和沉积速率；薄膜沉积装置，提供了配套的运动工件台机构，可以实现大面积均匀、高膜料利用率的薄膜沉积；提高批量工件一致性；整个沉积室机构紧凑，在相同产能的前提下，较传统设备具有更低的成本；更低的沉积温度；无需考虑影响均匀性的复杂因素和应对措施，操作更简单，降低对操作人员的要求。

Description

径向等离子体射流脉冲真空电弧蒸发源及薄膜沉积装置

技术领域

本发明属于薄膜沉积技术领域，具体涉及一种基于径向等离子体射流的脉冲电弧蒸发源及薄膜沉积装置。

背景技术

为了把所需的材料镀制到工件表面，就需要进行薄膜沉积(镀膜)。因此首先要有薄膜沉积设备，工业上常称为镀膜机。其基本点是用加热、溅射等方法，在真空室中把待镀材料加热熔化蒸发或溅射出来。在真空中这些蒸发或溅射出来的材料以分子的形态飞向工件，沉积在上面形成薄膜(图1)。为了叙述的方便，以下称这个由大量分子组成的定向流动为沉积射流。目前形成沉积射流的主要方法有电阻加热蒸发、电子束加热蒸发、电弧加热蒸发和磁控溅射，并形成了商品化的工业镀膜设备。

电弧镀膜技术的基本原理为，在真空室中，待蒸发材料作为阴极，高熔点金属作为阳极。由外部电源为电极供电。阴极与阳极之间产生电弧放电，由此产生高温使阴极材料熔化蒸发。蒸发的材料形成沉积射流，最终沉积在工件表面形成薄膜。

从工业应用的角度而言，一个镀膜机的指标有很多，一般包括：

1)所沉积的薄膜在工件上的均匀一致性(厚度、化学成分和微观结构)。只有均匀一致才能保证产品的质量和批量产品之间的一致性，对工业生产来说这是必须满足的刚性条件。然而到目前为止，实现大面积均匀沉积在很多场合还很困难。产生这种限制的根本原因在于蒸发过程固有的物理规律：沉积射流以蒸发面法线方向为轴线并且束流密度J随着夹角θ剧烈变化。其沉积射流在垂直于蒸发面的方向最强。在偏离垂直的方向，沉积射流的密度减弱，偏离愈多就愈弱。由此产生的薄膜沉积厚度也是不均匀的(图1)。这个物理规律称为克努曾余弦分布定律。对于电弧镀膜过程，它产生的沉积射流比通常电阻加热、溅射等技术产生的沉积射流更加集中于蒸发面法线方向，形成更加不均匀的沉积，问题更加严重。

2)膜料利用率对工业规模的生产，膜料利用率是一个重要指标。工业镀膜设备(特别是大型镀膜设备)中对镀膜材料的消耗较大，当膜料本身很昂贵时，会产生很高的成本。例如镀金、铂或其它更贵甚至非常稀有的材料。但是膜料利用率一般很低。之所以会这样，也是由于沉积射流的不均匀性造成的。为保证薄膜厚度不均匀性在可以接受的范围，通常只能利用沉积射流中较为均匀的一部分甚至是小部分，其余不能利用的部分则沉积于真空室的器壁，为无效沉积(图1)。这浪费膜料同时也降低沉积速率。

由上述薄膜沉积过程的原理可知，造成薄膜沉积厚度不均匀的根本原因是沉积射流本身分布不均匀，沉积射流利用率不高也与这个不均匀性间接有关。

图2是目前常用的改善镀膜均匀性的方法，工件位于旋转的圆盘上。这可以改善薄膜厚度的均匀性。但是位于不同半径上的工件线速度不同，其与蒸发源的夹角也不同。因此只有相同半径上的工件可以得到厚度均匀的沉积。进一步的修正措施包括工件的自转和使用修正挡板。由图2中可见，大部分沉积射流没有到达工件，无效的沉积射流造成膜料利用率很低。因此，如果能改进蒸发源使沉积射流本身分布达到均匀，则对提高沉积均匀性和膜料利用率而言更具有根本性的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于径向等离子体射流的脉冲电弧蒸发源及薄膜沉积装置，可以提高薄膜沉积厚度的均匀性、膜料利用率以及沉积速率。

一种形成径向等离子体射流的脉冲电弧蒸发源，具体为：

a)真空沉积室中设置两个对置的电弧放电电极；其中对置电极中的阴极采用镀膜材料制作，外部电源引燃和驱动下在两电极的间隙中形成脉冲真空电弧放电；

b)利用上述真空电弧放电使阴极表面材料汽化，在两电极间隙中生成瞬间膨胀并具有连续流体性质的高密度等离子体；

c)利用固态边界约束，即电极端面对等离子体膨胀的阻挡作用和连续流体中压强各向同性传递的性质，将膨胀的高密度等离子体转化为360°均匀分布的径向等离子体射流用于薄膜沉积。

较佳的，保证形成密度大于10²⁴/m³的具有连续流体性质的等离子体的条件为：对置电极的端面为圆形面，电极端面直径至少为2倍的电极间距；真空电弧脉冲峰值功率>1000kW、电弧能量>50J、电弧电流>10kA。

一种基于上述脉冲电弧蒸发源的薄膜沉积工件台，利用工件台底座公转、工件架自转和脉冲电弧蒸发源直线往复多维运动的组合来实现全部工件表面均匀的薄膜沉积；

工件台包括圆盘状旋转底座和一个以上的工件架，所述工件台底座3可绕垂直于圆盘的中心轴转动，即公转；工件架布置在以该中心轴为轴线的圆周上，并安装在工件台底座的上表面，在随工件台公转的同时可进行自转；脉冲电弧蒸发源的对置电极与工件台底座的转动轴同轴布置,对置电极组件做匀速往复运动。

本发明具有如下有益效果：

本发明的脉冲电弧蒸发源，通过采用可进行脉冲电弧放电的圆柱形对置电极，将镀膜材料蒸发产生等离子体，在电极端面的限制下，等离子体在高压強驱动下产生均匀分布的径向射流，提高了薄膜沉积均匀性；蒸发源的上下往复运动，可提高膜料利用率和沉积速率；

本发明的薄膜沉积装置，提供了配套的运动工件台机构，可以实现大面积均匀、高膜料利用率的薄膜沉积；提高批量工件一致性；整个沉积室机构紧凑，在相同产能的前提下，较传统设备具有更低的成本；更低的沉积温度；无需考虑影响均匀性的复杂因素和应对措施，操作更简单，降低对操作人员的要求；缩短生产准备、工艺定型时间，缩短生产周期和降低工艺成本；沉积射流为完全电离的等离子体，具有高化学活性，使薄膜质量更好，附着力更强，并且可以用于非晶金刚石(ta-C)等亚稳态薄膜沉积。

附图说明

图1为已有的余弦分布沉积射流的原理示意图；

图2为目前常见于镀膜机的薄膜沉积均匀化方法示意图；

图3为本发明全方位径向沉积射流的形成原理图；

图4为本发明径向射流沉积室示意图；

图5(a)为本发明的平板型工件对应的沉积室机构的结构示意图；

图5(b)为本发明的圆柱形、圆环形或者柔性薄膜工件对应的的结构示意图；

图6为本发明实施例中的薄膜沉积样品图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的核心思路在于改进蒸发源的沉积射流本身使其分布达到均匀。具体来说是使电弧等离子体从不均匀的轴向余弦分布射流转变为均匀分布的径向射流。在此基础上，设计了配套的运动工件台机构，以实现大面积均匀、高膜料利用率的薄膜沉积。

实现上述沉积射流转变的关键是利用了高密度脉冲等离子体所具有的流体力学特征，具体的机理为：对持续时间短至微秒甚至纳秒量级的脉冲电弧，放电期间所形成的等离子体还来不及充分膨胀，在此阶段密度和压强都很高，可视为一种“连续流体”。用真空技术的术语，在这种条件下等离子体中电子和离子的平均自由程很短(10微米量级)。由于流体中压力各向同性传递的特性，在遇到障碍(受到约束)时其流动方向就会发生改变。因此使用特定形状的“障碍物”，就可以控制这种高密度等离子体的流动，正如可以利用管道约束气体和水流的流动一样。作为对比，目前镀膜技术(包括连续电弧镀膜技术)使用的沉积射流都是极为稀薄的蒸汽沉积射流，遇到障碍就会沉积在上面而不是流动发生转变，无法实现对沉积射流的控制。

根据上述流体力学机制，本发明以脉冲电弧镀膜技术为基础，通过设计一种基于脉冲等离子体约束的沉积射流产生装置，形成全方位均匀分布的径向沉积射流，以替代传统技术中不均匀的余弦分布沉积射流。与此相适应，提出了一种相应的工件/径向沉积流组合运动机构设计方案(图4、图5(a)、(b)。这个机构的设计保证了上述径向沉积射流在工件表面上移动扫描，并由此获得大面积均匀的薄膜沉积。

如图3所示，在镀膜机的真空沉积室中，布置一对进行脉冲电弧放电的圆柱形对置电极，由专门设计的脉冲电流源给对置电极供电。对置电极形成电弧放电间隙，阴极本身由导电镀膜材料构成(例如金属、石墨)，由激光或脉冲高压引燃电极之间高功率脉冲电弧放电使镀膜材料蒸发，在两电极间隙中生成瞬间膨胀并具有连续流体性质的高密度(大于10²⁴/m³)等离子体；其中，等离子体温度～20000K,压强～10⁴-10⁶Pa。由于流体中压力各向同性传递的特性，在高压强的驱动下，等离子体迅速膨胀，由于上下电极的两个端面同时作为障碍物，这个膨胀在轴向受阻后转变为径向膨胀，从电极端面的环状间隙中逸出，形成一个径向的沉积射流。本实施例中，为达到更好的均匀性，对置电极间距设计为等于或小于1/2电极直径；电极直径为1cm。由于对置的圆柱状电极具有轴对称性，因此电极之间产生电弧放电时所形成的等离子体也是轴对称的。圆柱状对置电极形状简单，在电极端面产生一个局域化的轴对称分布电场。这种集中在端面的电场使电弧位置稳定可控，不易产生不受控的异常放电状态，有利于获得稳定的沉积条件。

以上脉冲电弧蒸发源产生的等离子体射流在360°(图3中Φ角度)范围内均匀分布，但沿电极轴向仍然不够均匀，这个问题要结合工件台的运动来解决。

图4为薄膜沉积装置示意图，包括一个笼状工件台，工件台包括工件台底座3和一个以上的工件支撑架4；工件支撑架4上安装待镀膜工件5。工件台底座3可绕转动轴转动，脉冲电弧蒸发源与工件台的转动轴同轴布置；工件支撑架4布置在脉冲电弧蒸发源的外围，并固定在工件台底座3的上表面上。这个设计的主要点是蒸发源与工件台同轴，沉积射流与工件相交的环状区域，沿圆周方向(Φ角度0-360°)沉积是均匀的。由于沿着Z方向(θ角方向)并是不均匀的，为此增加了Z方向运动维度。放电电极相对于笼状工件台做轴向匀速往复运动。这样径向射流沿各柱体轴线方向上下扫描，由此实现沿Z方向的均匀沉积。工件台的转动(公转)则可以消除由于电弧的随机不稳定性的影响，并且在不增大镀膜机尺寸的前提下获得大面积均匀沉积并同时高膜料利用率。

本发明还提供了两种不同形式工件的薄膜沉积装置，如图5(a)所示，当工件为平板型工件时，镀膜时，将平板型工件直接安装在工件支撑架4上，工件镀膜面朝向蒸发源。在这种蒸发源与工件台同轴的情况下，各个工件的沉积条件完全相同。沉积射流与工件相交的环状区域，沿圆周方向(Φ角度方向)沉积是全方位均匀的；又由于蒸发源可上下匀速往复运动。这样径向沉积射流沿各柱体轴线方向上下扫描，由此实现沿轴线方向的均匀沉积，即消除了沉积射流强度随θ角度变化带来的不均匀性。工件台的公转则可以消除径向沉积射流在Φ角度方向的随机不均匀性(电弧的随机涨落)。

如图5(b)所示，对于圆柱形、圆环形和柔性薄膜工件，图5(a)所示的薄膜沉积装置就不能完成工件周向的沉积镀膜，因此在上述薄膜沉积装置的基础上，将每个工件支撑架4设计为可自转的形式。进行薄膜沉积时，工件台底座3进行公转并通过齿轮机构带动每一个工件支撑架4自转，工件的圆周表面可以获得均匀沉积。

沉积射流为完全电离的等离子体，具有高化学活性，因此具有电弧镀膜技术的所有优点。可以沉积强附着的薄膜，特别是适用于难熔金属及其合金、难熔金属化合物、超硬材料(如氮化铬CrN,碳化钨WC)、非晶态薄膜(如四面体非晶态碳ta-C)等。这些都是电阻蒸发、磁控溅射等方法难以或无法进行的工作。

图6为应用本发明的薄膜沉积装置对硅晶圆表面的薄膜沉积，蒸发材料为石墨。由图中可见，原本黑色的石墨已经转变为透明的薄膜，在光线的照射下呈现出鲜明的干涉色彩。更多的物理仪器分析(X射线光电子能谱、拉曼光谱、红外吸收光谱和俄歇电子能谱)证实了该薄膜为非晶金刚石薄膜(ta-C)。这个结果验证了本方法的物理机制和技术上的可行性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种形成径向等离子体射流的脉冲电弧蒸发源，其特征在于：

a)真空沉积室中设置两个对置的电弧放电电极；其中对置电极中的阴极采用镀膜材料制作，外部电源引燃和驱动下在两电极的间隙中形成脉冲真空电弧放电；

b)利用上述真空电弧放电使阴极表面材料汽化，在两电极间隙中生成瞬间膨胀并具有连续流体性质的高密度等离子体；

c)利用固态边界约束，即电极端面对等离子体膨胀的阻挡作用和连续流体中压强各向同性传递的性质，将膨胀的高密度等离子体转化为360°均匀分布的径向等离子体射流用于薄膜沉积。

2.如权利要求1所述的脉冲电弧蒸发源，其特征在于，保证形成密度大于10²⁴/m³的具有连续流体性质的等离子体的条件为：对置电极的端面为圆形面，电极端面直径至少为2倍的电极间距；真空电弧脉冲峰值功率>1000kW、电弧能量>50J、电弧电流>10kA。

3.一种基于权利要求1或2所述的脉冲电弧蒸发源的薄膜沉积工件台，其特征在于，利用工件台底座公转、工件架自转和脉冲电弧蒸发源直线往复多维运动的组合来实现全部工件表面均匀的薄膜沉积；

工件台包括圆盘状旋转底座和一个以上的工件架，所述工件台底座3可绕垂直于圆盘的中心轴转动，即公转；工件架布置在以该中心轴为轴线的圆周上，并安装在工件台底座的上表面，在随工件台公转的同时可进行自转；脉冲电弧蒸发源的对置电极与工件台底座的转动轴同轴布置,对置电极组件做匀速往复运动。