CN1220707A - 形成碳膜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成碳膜的方法,包括在具有石墨源(115)的真空电弧沉积设备(100)中使电弧(122)脉动的步骤。该方法包括使来自电弧电源(116)的电流信号(119)脉动。电流信号(119)为100～300安培。功率MOSFET开关电路(200)使电流信号(119)脉动以提供脉冲电弧信号(120)。脉冲电弧信号(120)的脉冲宽度为0.5～2微秒,且为脉冲电弧信号(120)周期的20～30%。脉冲电弧信号(120)还具有5～20纳秒的上升时间。

Description

形成碳膜的方法
                    发明领域
本发明涉及阴极电弧沉积，更具体地涉及形成碳膜的阴极电弧沉积。
                    发明背景
采用阴极真空电弧沉积方法形成碳膜在本领域内已经公知，用阴极真空电弧沉积方法形成场发射碳膜也已公知。但是，用现有技术的方法产生的碳膜布满了大量的粗大颗粒。电弧在碳源处产生非常高的温度和压力，这些状况通常会使得粗大颗粒从碳源的电弧接收表面排出。要形成均匀平滑的薄膜，需要清除这些粗大颗粒。
在现有技术的一种真空电弧方案中，沉积设备中包含一个过滤弯管以清除粗大颗粒。石墨源蒸发并直接进入过滤弯管。过滤弯管包含一个弯曲的、被磁线圈包围的封闭通道。在通道内形成磁场，以控制弯管附近的带电类碳。理论上，未充电颗粒和重的粗大颗粒不能导到弯管周围从而紧贴在过滤弯管的封闭室的壁上。未过滤的种类就沉积在基体上形成碳膜。这种过滤方案不能形成具有足够均匀性和足够低粗大颗粒含量的碳薄膜。
在现有技术的另一真空电弧方案中，是周期性地而不是连续地起弧。在该方案中，电容器从阳极到阴极定期充电和放电。每放电一次触发一次电弧。电弧熄灭期间允许碳源的局部冷却。通过降低局部温度，减小了粗大颗粒的通量。然而，该方案的缺点在于其沉积速率非常低，大约为10埃/分钟的数量级。这种低的沉积速率是由电容器的低的充电速率造成的。
因此，需要一种改进的真空电弧沉积方法以生产粗大颗粒含量低的碳膜。而且还需要一种改进的真空电弧沉积方法，能以高的沉积速率生产碳膜。
                        附图简述
图1是用于实施本发明的方法的真空电弧沉积设备的简略示意图。
图2是根据本发明的脉冲电流信号的图形表示。
图3是用于实施本发明方法的开关电路的示意图。
可以理解，为了使说明简化和清楚起见，附图所示的元件没有必要按比例画出。例如，一些元件的尺寸与其它相比是被夸大了。
                    优选实施方案描述
本发明是形成碳膜的一种改进方法。本发明降低用真空电弧沉积技术形成的碳膜中的粗大颗粒含量。粗大颗粒含量的降低通过减小电弧寿命，从而降低碳源的局部加热来实现。局部加热的降低还提高了等离子体的充电状态分布，提高了的等离子体的离子化程度，因此更加有效。通过利用以高频率产生高脉冲电流的开关电路并提供具有提高的快速上升时间的电弧电流信号，根据本发明的方法进一步提高了沉积速率。
图1所示是用于实施本发明的真空电弧沉积设备100的简略示意图。真空电弧沉积设备100包括真空室110，电弧电源116，开关118。真空室110包括阳极112和阴极114。石墨源115设置在阴极114上。石墨源115包含固体片状石墨，如波克石墨(Poco-Graphite)、石墨纤维纸等，在阳极112上设置沉积衬底117。沉积衬底117包含诸如玻璃晶片、硅晶片之类的东西，在其上沉积碳膜。电弧电源116的负极与阴极114相连，电弧电源116的正极端与开关118的输入端相连。
真空电弧沉积设备100的操作包括：首先，触发一个电弧122，用图1真空室110中的箭头表示。阳极112包含紧贴着石墨源115的触发器121，用于形成并传输电弧122。电弧122触发后，电弧电源116产生电流信号119。电流信号119馈入开关118的输入端。电流信号119在开关118处脉动，以在开关118的输出端产生脉冲电流信号。脉冲电流信号120馈入阳极112，脉冲电流信号120向脉冲电弧122提供电流。以这种方式在石墨源115形成脉冲电弧信号以产生碳等离子体。
图2是根据本发明的脉冲电流信号120的图形表示。脉冲电流信号120具有周期脉冲123。每一个脉冲123的脉冲宽度PW对应于不小于最大脉冲电流imax的70％的电流的脉冲宽度。而且每一个脉冲123的上升时间RT对应于把电流信号从底线值imin增加到最大脉冲电流imax所需的时间。脉冲电流信号120的周期P也标在图2中。
根据本发明，脉冲宽度值和脉冲宽度与周期的比值被预先设定以减小石墨源115的局部加热。电弧122在石墨源115上的驻留时间的减少降低了被传递到该位置的局部热负荷。局部加热降低的好处在于减小了从该位置发出的粗大石墨颗粒的数目、大小和尺寸分布的宽度。局部加热降低还具有改善等离子体的充电状态分布的优点。还有，根据本发明，提供了大的最大脉冲电流和短的上升时间以实现高的沉积速率。
脉冲宽度的大小为0.25～100微秒，优选为0.25～10微秒，最优选为0.5～2微秒。脉冲宽度也预定为脉冲电流信号120的周期的10～50％，优选地为脉冲电流信号120的周期的20～30％。脉冲123的短的持续时间限制了加热时间，脉冲123之间的时间允许石墨源115的热扩散。脉冲电流信号120的脉冲宽度PW和周期P的比值根据电弧电源116的占空周期确定。
脉冲电流imax的最大值为20-500安培，优选为100～300安培。这些高的电流值使重新起弧更加容易，还可以提供来自石墨源115的等离子体离子的高通量。
上升时间RT小于100纳秒，优选小于50纳秒，最优选为5～20纳秒。快的上升时间提高了每个脉冲123期间中的等离子体通量，提高了碳膜在沉积衬底117上的沉积速率。
图3所示是实现开关118功能的功率MOSFET开关电路200。功率MOSFET开关电路200能够提供高电流信号的高频脉动，还能够得到快的上升时间。功率MOSFET开关电路200包括电流信号119向其馈入的第一输入端子210，还包括驱动信号217向其馈入的第二输入端子14。驱动信号217确定脉冲电流信号120的波形。从功率MOSFET开关电路200的输出端子212传输脉冲电流信号120。
功率MSFET开关电路200具有与四个模块225串连的前级激励晶体管216。模块225彼此平行相连。为了易于理解起见，图3的虚线框中只画出了一个模块225。每个模块225包括加速电容器222、限流电阻226、激励场效应晶体管(FET)228、抑瞬变二极管218、滤波电容器220、推拉电阻224、输出功率MOSFET 230。这些组件按图3所示方式连接。
输出功率MOSFET 230提供快的开关时间和高的电源效率。在图3的实施方案中，每个输出功率MOSFET 230包含一个200伏FET。虽然已经根据该方案描述了功率MOSFET开关电路，但本领域的技术人员会认识到利用其它方案也可以实施本发明。
总之，根据本发明的形成碳膜的方法得到的碳膜具有低的粗大颗粒含量和高的均匀性。根据本发明的方法通过利用开关电路还提高了碳膜的沉积速率，该开关电路以高频率使大电流脉动并提供上升时间短的电弧电流信号。根据本发明的方法还通过降低石墨源的局部加热改善了等离子体的离子化特性。
虽然已经描述了本发明的特定实施方案，但本领域的技术人员可以进行变更和改进。因此，应当这样理解，本发明并不限于所示的特定形式，在后面的权利要求中将试图涵盖不脱离本发明精神和范围的所有变更。

Claims (10)

1．一种形成碳膜的方法，包括下列步骤：
在真空电弧沉积设备(100)中设置石墨源(115)；
在真空电弧沉积设备(100)的石墨源(115)和阳极(112)之间形成电弧(122)；以及
使电弧(122)脉动，限定脉冲电弧信号(120)的脉冲宽度为0.25～100微秒，而且为脉冲电弧信号(120)周期的10～50％。
2．如权利要求1所述的形成碳膜的方法，其特征在于：
使电弧(122)脉动的步骤包括下列步骤：使电弧(122)脉动以限定脉冲电弧信号(120)的脉冲宽度为0.25～10微秒。
3．如权利要求2所述的形成碳膜的方法，其特征在于：
使电弧(122)脉动的步骤包括下列步骤：使电弧(122)脉动以限定脉冲电弧信号(120)的脉冲宽度为0.5～2微秒。
4．如权利要求1所述的形成碳膜的方法，其特征在于：
使电弧(122)脉动的步骤包括下列步骤：使电弧(122)脉动以提供其脉冲宽度为周期的20～30％的脉冲电弧信号(120)。
5．如权利要求1所述的形成碳膜的方法，其特征在于：
形成电弧(122)的步骤包括下列步骤：形成电弧电流为20～500安培的电弧(122)。
6．如权利要求5所述的形成碳膜的方法，其特征在于：
形成电弧(122)的步骤包括下列步骤：形成电弧电流为100～300安培的电弧(122)。
7．如权利要求1所述的形成碳膜的方法，其特征在于：
使电弧(122)脉动的步骤包括下列步骤：使电弧(122)脉动以限定脉冲电弧信号(129)具有小于100纳秒的上升时间。
8．如权利要求7所述的形成碳膜的方法，其特征在于：
使电弧(122)脉动的步骤包括下列步骤：使电弧(122)脉动以限定脉冲电弧信号(120)具有小于50纳秒的上升时间。
9．如权利要求8所述的形成碳膜的方法，其特征在于：
使电弧(122)脉动的步骤包括下列步骤：使电弧(122)脉动以限定脉冲电弧信号(120)具有5～20纳秒的上升时间。
10．如权利要求1所述的形成碳膜的方法，其特征在于，使电弧(122)脉动的步骤包括下列步骤：
把功率MOSFET开关电路(200)的输入端(210)与电弧电源(116)的输出端相连；
把功率MOSFET开关电路(200)的输入端(212)与真空电弧沉积设备(100)的阳极(112)相连；以及
使来自功率MOSFET开关电路(200)的电弧电源(116)的电流信号(119)脉动，以后阳极(112)提供脉冲电流信号(120)。
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