CN110923673A - 一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备及系统，包括：真空室、平板放电电极上极板、平板放电电极下极板、下极板基片台、真空泵组、质量流量计、高压电源，所述下极板基片台设置于所述平板放电电极下极板的正面，还包括：磁场发生装置，所述磁场发生装置设置于所述平板放电电极下极板背面，并与所述下极板基片台相对。本发明的优点在于能够有效的约束等离子体放电过程中产生的粒子，提高单位体积内的粒子密度，提高薄膜的沉积速率和薄膜质量，同时又可以提高真空镀膜的薄膜沉积速率，缩短整个真空镀膜的镀膜时间。

Description

一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备及系统
技术领域
本发明涉及真空镀膜领域，尤其涉及一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备及系统。
背景技术
纳米无机非金属氧化物薄膜，由于其透明性和阻隔性能，广泛的应用于透明阻隔薄膜包装，金属抗腐蚀防护，介质层和表面自清洁应用领域。
常规纳米无机非金属氧化物的制备主要有化学溶胶凝胶方式和真空镀膜方式。溶胶凝胶法主要是通过相应有机单体，在有机溶剂溶解和催化剂的作用下，通过水解方式形成相应的氧化物薄膜。整个工艺需要对溶剂进行蒸发，容易生产副产物，并且工艺比较复杂，对工艺条件要求较高。真空镀膜方式，主要分为磁控溅射方式，蒸镀和等离子体化学气相沉积。磁控溅射主要通过高能粒子在磁场的约束下溅射相应的氧化物靶材，溅射出相应的纳米无机非金属氧化物薄膜，并在基材表面沉积。但是磁控溅射需要较高的能量，并且磁控溅射氧化物的沉积速率较慢。蒸镀方式主要采用高温蒸镀和电子枪蒸镀，其原理也主要是通过形成的高温，达到1000℃甚至2000℃以上的高温，使得氧化物材料在高温作用下升华，在基材表面形成薄膜材料。热蒸发需要消耗很高的能量，而高功率电子枪蒸发需要对所产生的电磁辐射提供良好的屏蔽，对真空设备的设计要求更高。等离子体化学气相沉积(PECVD)主要是通过相应的有机单体和辅助放电反应气体在高压电源的作用下，发生裂解反应，生产相应的氧化硅薄膜。常规的平板放电镀膜结构和线圈放电镀膜结构，沉积速率虽然比磁控溅射速率高，但是仍然不能够满足工业化生产的高效快速的镀膜需求。
针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备及系统，针对以上制备方案中所存在的问题和不足，通过在平板放电等离子体化学气相沉积结构中增加磁场的约束作用，提高单位体积内放电粒子的密度，从而提高薄膜的沉积速率。
一方面，本发明实施例提供了一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备，包括：真空室、平板放电电极上极板、平板放电电极下极板、下极板基片台、真空泵组、质量流量计、高压电源，所述下极板基片台设置于所述平板放电电极下极板的正面，还包括：磁场发生装置，所述磁场发生装置设置于所述平板放电电极下极板背面，并与所述下极板基片台相对。
进一步的，所述磁场发生装置的表面磁场强度为300mT-550mT。
进一步的，所述磁场发生装置为永磁体。
进一步的，所述磁场发生装置由圆柱形磁铁组成，并且以相邻的所述圆柱形磁铁磁场极性相反的方式排布。
进一步的，所述磁场发生装置的面积大于所述下极板基片台。
本发明的优点在于能够有效的约束等离子体放电过程中产生的粒子，提高单位体积内的粒子密度，显著地提高了薄膜的沉积速率，并且提高了纳米薄膜材料的薄膜质量，为薄膜的应用创造有利条件，同时又可以提高真空镀膜的薄膜沉积速率，缩短整个真空镀膜的镀膜时间，增加经济效益。在不改变电极结构的前提下，降低了设备改造成本，拓宽了平板放电结构的镀膜应用。
另一方面，本发明实施例提供了一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积系统，包括：真空室单元、平板放电电极上极板单元、平板放电电极下极板单元、下极板基片台单元、真空泵组单元、质量流量计单元、高压电源单元，所述下极板基片台单元位于所述平板放电电极下极板单元的正面，还包括：磁场发生单元，所述磁场发生单元位于所述平板放电电极下极板单元的背面，并与所述下极板基片台单元相对。
进一步的，所述磁场发生单元的表面磁场强度为300mT-550mT。
进一步的，所述磁场发生单元由永磁体组成。
进一步的，所述磁场发生单元由圆柱形磁铁组成，并且以相邻的所述圆柱形磁铁磁场极性相反的方式排布。
进一步的，所述磁场发生单元的面积大于所述下极板基片台单元。
本发明的优点在于能够有效的约束等离子体放电过程中产生的粒子，提高单位体积内的粒子密度，显著地提高了薄膜的沉积速率，并且提高了纳米薄膜材料的薄膜质量，为薄膜的应用创造有利条件，同时又可以提高真空镀膜的薄膜沉积速率，缩短整个真空镀膜的镀膜时间，增加经济效益。在不改变电极结构的前提下，降低了设备改造成本，拓宽了平板放电结构的镀膜应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的设备结构图；
图2是根据本发明实施例的磁场发生装置的布置图；
图3是根据本发明实施例的系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备，包括：真空室11、平板放电电极上极板12、平板放电电极下极板13、下极板基片台14、真空泵组15、质量流量计16、高压电源17，所述下极板基片台14设置于所述平板放电电极下极板13的正面，还包括：磁场发生装置18，所述磁场发生装置18设置于所述平板放电电极下极板13的背面，并与所述下极板基片台14相对。
所述平板放电电极上极板12、所述平板放电电极下极板13为不锈钢金属极板，不锈钢金属极板之间的间距可调，间距为10mm-50mm，在本实施例中，不锈钢金属极板间间距为20mm，所述平板放电电极上极板12、所述平板放电电极下极板13分别与所述高压电源27相连，所述平板放电电极上极板12为接地端，所述平板放电电极下极板13为放电电压高压端，所述磁场发生装置18按一定方式固定于所述平板放电电极下极板13背面，镀膜基材放置于所述下极板基片台14上。
所述质量流量计16包括气体质量流量计，用于向所述真空室11输入气体；还包括液体质量流量计，用于向所述真空室11输入液体。
所述高压电源17为13.56MHz射频电源或者40KHz中频电源，放电功率为50W-300W，在本实施例中为13.56MHz射频电源，放电功率为100W。
如图2所示，在其中一种实施方式中，所述磁场发生装置18由圆柱形的永磁铁组成，并且以相邻的所述圆柱形磁铁磁场极性相反的方式排布。在其中一种实施方式中，所述磁场发生装置18的面积大于所述下极板基片台14，以保证所述磁场发生装置18的磁场范围可以覆盖整个所述下极板基片台14，保证镀膜基材镀膜的均匀度。
在使用本实施例的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备时，将所述镀膜基材放置于所述下极板基片台14上后，关闭所述真空室11，通过所述真空泵组15对所述真空室11进行抽真空，所述真空泵组15可由多个不同真空度的真空泵组成。待所述真空室11中真空度达到本底真空后，通过所述质量流量计16输入放电气体，在其中一种实施方式中，所述放电气体为氩气(Ar)，气压稳定后，打开所述高压电源17，对所述下极板基片台14的镀膜基材进行表面放电预处理，本发明中，所述真空室中气压为0.5Pa-5Pa，放电预处理时间为3分钟-10分钟，在本实施例中，所述真空室中气压为2Pa，处理时间为5分钟。所述本底真空为3.0×10-3Pa，通过所述质量流量计16输入氩气，流量为150sccm，气压2Pa，射频电源功率为50W，放电处理时间为5分钟。表面放电预处理结束后，关闭所述高压电源17及所述质量流量计16，打开所述真空泵组15，对所述真空室11重新抽真空。待真空度重新达到本底真空后，按照工艺参数要求输入反应气体，所述反应气体由反应单体和辅助放电气体组成，在其中一种实施方式中，所述反应单体为有机硅烷单体，如硅酸乙酯(TEOS)、六甲基二硅氧烷(HMDSO)、八甲基环四硅氧烷等，所述辅助放电气体为氧气(O2)。在另一种实施方式中，所述反应单体为四氯化钛，所述辅助放电气体为氧气(O2)。所述反应气体的输入量由所述质量流量计16进行控制，在本实施例中，通过所述质量流量计16输入300sccm六甲基二硅氧烷单体(HMDSO)，通过所述质量流量计16输入50sccm辅助放电气体氧气，待气压稳定后，在本实施例中，稳定的气压为1.5Pa，打开所述高压电源17，所述平板放电电极上极板12、所述平板放电电极下极板13产生等离子体，反应气体在所述高压电源17的作用下，发生反应，并在所述下极板基片台14上的镀膜基材表面沉积功能性纳米薄膜。放电过程中，通过所述平板放电电极下极板13背面的所述磁场发生装置18产生的磁场，约束等离子体中放电粒子的分布，能够有效的提高单位体积内放电粒子的密度，进而提高等离子体化学气相沉积工艺流程的沉积速率，所述磁场发生装置18的表面磁场强度为300mT-550mT，在本实施例中，表面磁场强度为450mT。完成基材表面镀膜后，关闭所述高压电源17及所述质量流量计16，打开所述真空泵组15，对所述真空室11重新抽至本底真空。最后所述真空泵组15，所述真空室11恢复至大气压，取出镀膜样品，完成整个镀膜过程。
在本实施例中，以上反应过程均在室温下进行。
使用本实施例的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备，能够有效的约束等离子体放电过程中产生的粒子，提高单位体积内的粒子密度，显著地提高了薄膜的沉积速率，并且提高了纳米薄膜材料的薄膜质量，为薄膜的应用创造有利条件，同时又可以提高真空镀膜的薄膜沉积速率，缩短整个真空镀膜的镀膜时间，增加经济效益。在不改变电极结构的前提下，降低了设备改造成本，拓宽了平板放电结构的镀膜应用。
实施例2
一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积系统，包括：真空室单元21、平板放电电极上极板单元22、平板放电电极下极板单元23、下极板基片台单元24、真空泵组单元25、质量流量计单元26、高压电源单元27，所述下极板基片台单元24位于所述平板放电电极下极板单元23的正面，还包括：磁场发生单元28，所述磁场发生单元28位于所述平板放电电极下极板单元23的背面，并与所述下极板基片台单元24相对。
所述平板放电电极上极板单元22、所述平板放电电极下极板单元23均由不锈钢金属极板组成，不锈钢金属极板之间的间距可调，间距为10mm-50mm，在本实施例中，不锈钢金属极板间距为20mm，所述平板放电电极上极板单元22、所述平板放电电极下极板单元23分别与所述高压电源单元27相连，所述平板放电电极上极板单元22为接地端，所述平板放电电极下极板单元23为放电电压高压端，所述磁场发生单元28按一定方式固定于所述平板放电电极下极板单元23背面，镀膜基材放置于所述下极板基片台单元24上。
所述质量流量计单元26包括气体质量流量计，用于向所述真空室单元21输入气体；还包括液体质量流量计，用于向所述真空室单元21输入液体。
所述高压电源单元27为13.56MHz射频电源或者40KHz中频电源，放电功率为50W-300W，在本实施例中为13.56MHz射频电源，放电功率为100W。
如图2所示，在其中一种实施方式中，所述磁场发生单元28由圆柱形的永磁铁组成，并且以相邻的所述圆柱形磁铁磁场极性相反的方式排布。在其中一种实施方式中，所述磁场发生单元28的面积大于所述下极板基片台单元24，以保证所述磁场发生单元28的磁场范围可以覆盖整个所述下极板基片台单元24，保证镀膜基材镀膜的均匀度。
在使用本实施例的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积系统时，将所述镀膜基材放置于所述下极板基片台单元24上后，关闭所述真空室单元21，通过所述真空泵组单元25对所述真空室单元21进行抽真空，所述真空泵组单元25可由多个不同真空度的真空泵组成。待所述真空室单元21中真空度达到本底真空后，通过所述质量流量计单元26输入放电气体，在其中一种实施方式中，所述放电气体为氩气(Ar)，气压稳定后，打开所述高压电源单元27，对所述下极板基片台单元24的镀膜基材进行表面放电预处理，本发明中，所述真空室中气压为0.5Pa-5Pa，放电预处理时间为3分钟-10分钟，在本实施例中，所述真空室中气压为2Pa，处理时间为5分钟。所述本底真空为3.0×10-3Pa，通过所述质量流量计单元26输入氩气，流量为150sccm，气压2Pa，射频电源功率为50W，放电处理时间为5分钟。表面放电预处理结束后，关闭所述高压电源单元27及所述质量流量计单元26，打开所述真空泵组单元25，对所述真空室单元21重新抽真空。待真空度重新达到本底真空后，按照工艺参数要求输入反应气体，所述反应气体由反应单体和辅助放电气体组成，在其中一种实施方式中，所述反应单体为有机硅烷单体，如硅酸乙酯(TEOS)、六甲基二硅氧烷(HMDSO)、八甲基环四硅氧烷等，所述辅助放电气体为氧气(O2)。在另一种实施方式中，所述反应单体为四氯化钛，所述辅助放电气体为氧气(O2)。所述反应气体的输入量由所述质量流量计单元26进行控制，在本实施例中，通过所述质量流量计单元26输入300sccm六甲基二硅氧烷单体(HMDSO)，通过所述质量流量计单元26输入50sccm辅助放电气体氧气，待气压稳定后，在本实施例中，稳定的气压为1.5Pa，打开所述高压电源单元27，所述平板放电电极上极板单元22、所述平板放电电极下极板单元23产生等离子体，反应气体在所述高压电源单元27的作用下，发生反应，并在所述下极板基片台单元24上的镀膜基材表面沉积功能性纳米薄膜。放电过程中，通过所述平板放电电极下极板单元23背面的所述磁场发生单元28产生的磁场，约束等离子体中放电粒子的分布，能够有效的提高单位体积内放电粒子的密度，进而提高等离子体化学气相沉积工艺流程的沉积速率，所述磁场发生单元28的表面磁场强度为300mT-550mT，在本实施例中，表面磁场强度为450mT。完成基材表面镀膜后，关闭所述高压电源单元27及所述质量流量计单元26，打开所述真空泵组单元25，对所述真空室单元21重新抽至本底真空。最后所述真空泵组单元25，所述真空室单元21恢复至大气压，取出镀膜样品，完成整个镀膜过程。
在本实施例中，以上反应过程均在室温下进行。
使用本实施例的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积系统，能够有效的约束等离子体放电过程中产生的粒子，提高单位体积内的粒子密度，显著地提高了薄膜的沉积速率，并且提高了纳米薄膜材料的薄膜质量，为薄膜的应用创造有利条件，同时又可以提高真空镀膜的薄膜沉积速率，缩短整个真空镀膜的镀膜时间，增加经济效益。在不改变电极结构的前提下，降低了设备改造成本，拓宽了平板放电结构的镀膜应用。
本发明的优点在于能够有效的约束等离子体放电过程中产生的粒子，提高单位体积内的粒子密度，显著地提高了薄膜的沉积速率，并且提高了纳米薄膜材料的薄膜质量，为薄膜的应用创造有利条件，同时又可以提高真空镀膜的薄膜沉积速率，缩短整个真空镀膜的镀膜时间，增加经济效益。在不改变电极结构的前提下，降低了设备改造成本，拓宽了平板放电结构的镀膜应用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备，包括：真空室、平板放电电极上极板、平板放电电极下极板、下极板基片台、真空泵组、质量流量计、高压电源，所述下极板基片台设置于所述平板放电电极下极板的正面，其特征在于，还包括：
磁场发生装置，所述磁场发生装置设置于所述平板放电电极下极板背面，并与所述下极板基片台相对。
2.如权利要求1所述的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备，其特征在于，所述磁场发生装置的表面磁场强度为300mT-550mT。
3.如权利要求1所述的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备，其特征在于，所述磁场发生装置为永磁体。
4.如权利要求3所述的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备，其特征在于，所述磁场发生装置由圆柱形磁铁组成，并且以相邻的所述圆柱形磁铁磁场极性相反的方式排布。
5.如权利要求1所述的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备，其特征在于，所述磁场发生装置的面积大于所述下极板基片台。
6.一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积系统，包括：真空室单元、平板放电电极上极板单元、平板放电电极下极板单元、下极板基片台单元、真空泵组单元、质量流量计单元、高压电源单元，所述下极板基片台单元位于所述平板放电电极下极板单元的正面，其特征在于，还包括：
磁场发生单元，所述磁场发生单元位于所述平板放电电极下极板单元的背面，并与所述下极板基片台单元相对。
7.如权利要求6所述的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备，其特征在于，所述磁场发生单元的表面磁场强度为300mT-550mT。
8.如权利要求6所述的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备，其特征在于，所述磁场发生单元由永磁体组成。
9.如权利要求8所述的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备，其特征在于，所述磁场发生单元由圆柱形磁铁组成，并且以相邻的所述圆柱形磁铁磁场极性相反的方式排布。
10.如权利要求6所述的一种磁场增强平板等离子体化学气相沉积设备，其特征在于，所述磁场发生单元的面积大于所述下极板基片台单元。
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GR01 Patent grant
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Zhao Gao

Inventor after: Zhu Huiqin

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