CN114182212A - 一种使用真空紫外光提高气相沉积过程离化率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气相沉积技术领域，具体涉及一种使用真空紫外光提高气相沉积过程离化率的方法，使用真空紫外光对气相沉积过程中的气相粒子(或固相靶材表面的原子)进行光电电离，从而提高气相/固相粒子离化率，这种使用真空紫外光提高气相沉积过程离化率的方法，通过控制真空紫外光源的输出功率，可以实现对其照射区域内的气相沉积粒子的离化率提高幅度进行有效控制；选用通过控制真空紫外光源的输出功率密度，可以实现对单位体积内的气相沉积粒子的离化率提高幅度进行有效控制。

Description

一种使用真空紫外光提高气相沉积过程离化率的方法
技术领域
本发明涉及气相沉积技术领域，具体涉及一种使用真空紫外光提高气相沉积过程离化率的方法。
背景技术
气相沉积制备薄膜的过程中，高的离化率是实现对离子束流能量、方向、密度、分布状态等进行有效控制的重要前提。现有提升离化率的技术手段带来了各种问题，如镀膜基材温度上升(如电弧镀)、大颗粒(如电弧镀)、沉积速率低(如高功率脉冲磁控溅射，即HiPIMS)、成本高(如HiPIMS，激光引弧电弧镀——需要单独的脉冲激光器及相关配套电源等)等。
对于物理气相沉积技术，主要包含磁控溅射技术、真空蒸发镀技术、真空电弧镀技术及近些年出现并获得快速发展的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术等。传统的磁控溅射技术及真空蒸发镀技术的离化率均很低，使得沉积制备的薄膜在生长过程中缺少高能离子对成膜表面的持续轰击作用，导致薄膜致密性较差，与基体材料结合力不佳等。真空电弧镀技术的沉积粒子离化率高，制备涂层致密。然而，电弧的产生往往伴随着大颗粒液滴的形成，使得制备的薄膜存在表面颗粒缺陷，影响薄膜光洁度、附着力、耐蚀性、耐磨性及力学性能等；另外，电弧产生的离子初始能量高，易导致基体明显升温，因此不适用于温度敏感基体(如前序处理经过低温热处理的材料、轻合金、有机高分子材料等)。高功率脉冲磁控溅射技术可产生高度离化的溅射材料，并且产生高密度且不含金属液滴等大颗粒缺陷的离子束流。辅以适当基体偏压，可实现对生长中的薄膜的可控离子轰击，从而实现对薄膜结构、内应力等的有效控制，获得性能显著提升的高质量薄膜。然而，高功率脉冲磁控溅射技术当前最大的缺点是沉积速率慢，主要原因是溅射阴极回吸效应，气体稀释效应以及较低的金属离子自溅射产额等。另外，HiPIMS放电稳定性和工艺重复性都较差。
对于化学气相沉积技术，通常是通过加热或加压等手段控制反应方程，或提高反应速率。通过提高参与化学反应的各类气相反应粒子的离化率，可以大幅增加气体反应速率，同时显著降低反应温度，增加成膜率，从而实现对温度敏感基体的表面镀膜，在工业生产中具有重要意义。目前，提高气相反应粒子离化率的方式主要有添加高频(射频、高频等)电场、介质层阻挡放电增强、电子回旋共振等方法或技术手段。然而，上述手段成本较高，结构复杂。而且，引入电场的手段，会影响镀膜腔室内的电磁场分布，对腔室内的等离子体分布状态及均匀性、离子束流控制等，都需要在镀膜设备设计阶段即进行统筹的一体化设计，增加了设计难度，提高了设计成本，且通用性差，后期改动困难。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的提高气相反应离子离化率的方法成本较高，结构复杂，增加了设计难度和设计成本，通用性差的问题，提供了一种使用真空紫外光提高气相沉积过程离化率的方法。
为了实现上述目的，本发明公开了一种使用真空紫外光提高气相沉积过程离化率的方法，基于光电效应原理，使用真空紫外光对气相沉积过程中的气相粒子(或固相靶材表面的原子)进行光电电离，从而提高气相/固相粒子离化率。
所述气相粒子为中性粒子或低价离子。
所述真空紫外光的光谱中，包含光子能量高于所述气相粒子的第n电离能的光子，其中n为不小于1的整数
这种使用真空紫外光提高气相沉积过程离化率的方法，通过控制真空紫外光源的输出功率，可以实现对其照射区域内的气相沉积粒子的离化率提高幅度进行有效控制；选用通过控制真空紫外光源的输出功率密度，可以实现对单位体积内的气相沉积粒子的离化率提高幅度进行有效控制。
紫外激光提高气相粒子离化率的机理是光电效应，其基础理论描述是爱因斯坦提出的光电效应方程，如公式(1)所示。
Ek＝hυ-W0 (1)
其中，Ek为逸出电子的最大初动能，h为普朗克常数，υ为入射光光子的频率，W0为金属的逸出功。
发生光电效应时，电子克服原子核的引力逸出后，所具有的的动能并不相同。对金属而言，其表面的电子吸收光子后逸出时动能最大，称为最大初动能，也就是公式(1)中的Ek。而逸出功则对应金属被光子照射时，电子直接从金属表面逸出所需要做的功。
虽然气相粒子的光致离化基本原理是光电效应，但逸出功与电离能并不等同。金属材料的逸出功(一般是基于材料整体的表面)不但与材料的性质有关，还与金属表面的状态有关。例如，在金属表面涂覆不同的材料也可以改变金属逸出功的大小。而第n(n≥1，为整数)电离能考虑的是气相原子(只考虑单个原子)失去n个电子所需要的最小能量。因此，逸出功与电离能的数值一般不同。例如，几种金属的逸出功与第一电离能如表1所示。
表1几种金属的逸出功与第一电离能
金属 逸出功/eV 电离能/eV
钾 2.25 4.31
钠 2.29 5.14
锂 2.69 5.36
钙 3.20 6.11
银 4.63 7.54
使用光子电离气相粒子，在分析测试领域已经获得成熟应用，如光离子化检测器(Photo Ionization Detector，简称PID)。PID在石油、石化、化工、制药等工业生产领域，用于检测挥发性有机化合物(简称VOC)，其为工业生产领域诸多危险、隐患的根源。PID具有精度高、检出限低(partperbillion量级，即ppb，十亿分之一量级)、对检测气体无破坏、响应速度快、寿命长等特点。
本发明使用光致电离原理，用于增强气相沉积过程中气相粒子的离化率，并与气相沉积中的电场调控、磁场调控等技术手段相结合，从而显著提高薄膜沉积过程可控性。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
1、不干扰气相沉积腔室中的电场分布状态；
2、不干扰气相沉积腔室中的磁场分布状态；
3、可以有效的提高气相沉积粒子的离化率；
4、离化率提高后，与气相沉积腔室中的电场调控或磁场调控或两者同时相结合，可以实现对离化离子束流方向、能量、分布、振荡等多种行为的有效控制，从而实现对薄膜显微组织结构、化学成分等的有效调控；使用该方法后，可以有效的控制气相沉积粒子离化率的提高程度。
上述特征的实现，可优化多层结构、梯度结构、纳米复合结构等气相沉积薄膜的性能/功能，如：机械性能、力学性能、摩擦学性能、光学性能、电学性能、磁学性能、介电性能、半导体带隙及特性等各类性能/功能，因此具有重要意义。
附图说明
图1为包含一套真空紫外离化光源的气相沉积腔室内的Ti气相原子分布、真空紫外离化后Ti+气相离子分布示意图。
图中数字表示：
101-真空气相沉积腔室；102-峰值波长为165nm的氘灯真空紫外光源；103-峰值波长为165nm真空紫外光束；104-Ti气相原子；105-Ti+气相离子；106-待镀膜工件。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种使用真空紫外光实现气相沉积中离化率的方法，其为包含一套真空紫外离化光源的气相沉积腔室内的Ti气相原子分布、真空紫外离化后Ti+气相离子分布示意图。具体包括101-真空气相沉积腔室；102-峰值波长为165nm的氘灯真空紫外光源；103-峰值波长为165nm真空紫外光束；104-Ti气相原子；105-Ti+气相离子；106-待镀膜工件。
具体的，在真空气相沉积腔室101内，增加了峰值波长为165nm的氘灯真空紫外光源102；，其通电后可发射峰值波长为165nm的真空紫外光束103。此峰值波长为165nm的真空紫外光束中紫外光的光子能量为7.52eV，与Ti原子的第一电离能，具体为6.82eV相匹配(光电离概率由光电离截面公式来定义)，使Ti原子发生有效的光致电离，离化后产生Ti+气相离子105。随后，通过调控基体表面的电场强度、电场方向、电场频率、电场占空比等，使得离化后的Ti+气相离子105以特定的速度、角度或运动形式等撞击到待镀膜工件106的表面，对生长中薄膜的致密度、微观结构等特征进行精细调控。具体的，对基体表面电场强度的调控，一般可以通过改变施加在工件转架上的电压(又称偏压)来实现，如物理气相沉积的常用范围为0V(或浮动电位)至200V左右，化学气相沉积(如等离子体增强化学气相沉积，即PECVD)常用范围为500V～1000V等。对基体表面电场方向的调控，一般可以通过工件架的公转、自转来实现，其实质上改变了基体(工件)与等离子体相对位置及方向，从而改变了离子束流对基体表面的轰击角度。对基体表面的电场频率、电场占空比等的调控，主要通过选用不同种类的偏压电源(如直流电源、直流脉冲电源、射频电源等)，以及选用电源的不同输出参数(如电源输出频率、占空比等)来实现。
进一步地，Ti原子被电离形成Ti+离子后，形成的自由电子经电场作用加速，获得动能，可以与其他未被电离的Ti原子碰撞；配合电场、磁场同时使用，产生协同作用，可进一步提高Ti气相原子的离化率。此处的作用机理与已经获得成熟应用的磁控溅射相似。磁控溅射的基本原理为磁场约束自由电子，电场为自由电子提供动能，从而显著提高靶材表面的离化率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种使用真空紫外光提高气相沉积过程离化率的方法，其特征在于，通过至少一束真空紫外光，对气相沉积过程中的气相粒子进行光致电离。
2.如权利要求1所述的一种使用真空紫外光提高气相沉积过程离化率的方法，其特征在于，所述气相粒子为中性粒子或低价离子。
3.如权利要求1所述的一种使用真空紫外光提高气相沉积过程离化率的方法，其特征在于，所述真空紫外光的光谱中，包含光子能量高于所述气相粒子的第n电离能的光子，其中n为不小于1的整数。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6028225A (ja) * 1983-07-26 1985-02-13 Nec Corp 光気相成長法
JPH06264228A (ja) * 1993-03-15 1994-09-20 Sumitomo Metal Mining Co Ltd 高純度複合膜製造装置
JPH0794427A (ja) * 1993-09-21 1995-04-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> ドーピング方法
US5468296A (en) * 1993-12-17 1995-11-21 Lsi Logic Corporation Apparatus for igniting low pressure inductively coupled plasma
US5565036A (en) * 1994-01-19 1996-10-15 Tel America, Inc. Apparatus and method for igniting plasma in a process module
US6265033B1 (en) * 1998-09-11 2001-07-24 Donald Bennett Hilliard Method for optically coupled vapor deposition
US20040182702A1 (en) * 2003-03-21 2004-09-23 Roman Chistyakov Plasma generation using multi-step ionization
CN1982499A (zh) * 2005-12-16 2007-06-20 中国科学院物理研究所 一种气相沉积材料生长和成型的方法及装置
JP2019160404A (ja) * 2018-03-07 2019-09-19 株式会社ブイ・テクノロジー 有機ｅｌパネルの製造装置及び製造方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6028225A (ja) * 1983-07-26 1985-02-13 Nec Corp 光気相成長法
JPH06264228A (ja) * 1993-03-15 1994-09-20 Sumitomo Metal Mining Co Ltd 高純度複合膜製造装置
JPH0794427A (ja) * 1993-09-21 1995-04-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> ドーピング方法
US5468296A (en) * 1993-12-17 1995-11-21 Lsi Logic Corporation Apparatus for igniting low pressure inductively coupled plasma
US5565036A (en) * 1994-01-19 1996-10-15 Tel America, Inc. Apparatus and method for igniting plasma in a process module
US6265033B1 (en) * 1998-09-11 2001-07-24 Donald Bennett Hilliard Method for optically coupled vapor deposition
US20040182702A1 (en) * 2003-03-21 2004-09-23 Roman Chistyakov Plasma generation using multi-step ionization
CN1982499A (zh) * 2005-12-16 2007-06-20 中国科学院物理研究所 一种气相沉积材料生长和成型的方法及装置
JP2019160404A (ja) * 2018-03-07 2019-09-19 株式会社ブイ・テクノロジー 有機ｅｌパネルの製造装置及び製造方法

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