专利名称：一种气相沉积材料生长和成型的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气相沉积材料生长和结构一次性成型的方法和装置，特别涉及一种激光准直放电进行材料生长和结构花样的一次性成型的方法和装置。
背景技术：
薄膜是当今材料应用的主要方式，薄膜厚度均匀性是薄膜生长技术的关键指标。对于许多现有薄膜生长方法来说，如采用热蒸发或离子溅射的方式，薄膜厚度的均匀性一直是一个必须采取措施解决的问题。一般地，薄膜生长过程会采取转动样品台，使用多个(多角度入射)粒子源等方式力求获得均匀的薄膜，但效果并不理想。
另一方面，薄膜生长作为微结构器件制作的主要过程，大面积上相同器件的制作要求薄膜形成一定的花样(由小尺寸的单元周期性地排列而成)。目前，一般采取的方法是先生长大面积的均匀薄膜，覆盖上一层掩膜，将所需花样利用曝光复制到掩膜上，然后要经过化学刻蚀，清洗等工序才能得到所需的花样；或者利用扫描电子束或离子束直接刻蚀出所需花样。但是这些方法都有工艺复杂、耗时耗能、效率低等问题。
人们期望，如果材料生长按点状生长进行，则对衬底平面按阴极射线管成像的方式进行扫描，则很容易获得严格均匀的薄膜。同时，如果按照特定的花样进行扫描并控制生长时间，即按照(x，y，t)三个参数控制材料生长过程，则可以获得三维结构花样的生长。进一步地，在定点材料生长过程中再加入成分c的控制，则可以实现(x，y，t，c)四维结构的一次性成型。此种生长方法将会对以薄膜为材料基础的微纳技术与工业所设计的器件制作，包括电子器件和未来的光子器件，具有广泛的应用前景和重大经济价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种崭新的以点状方式进行气相沉积材料生长和复杂结构一次性成型的方法；本发明的另一个目的是提供一种崭新的材料生长方法，定向的、带有适当能量的离子微束配合光照对生长表面的活化过程提供新的材料生长方法；本发明还有一个目的是能在指定的位置上灵活地实现多种材料结构花样的生长。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案一种气相沉积材料生长和成型的方法，包括如下步骤1)在真空室中通入生长该种材料所需的工作气体；2)使一激光束垂直入射到真空室内的衬底台上的衬底样品表面，并将一针尖电极置于激光光路上；3)衬底台上的衬底样品置于低电位，针尖电极置于高电位；4)在扫面电镜的配合下找到要开始的生长位置；加电压引发放电，开始气相沉积过程；5)使激光准直的放电相对于衬底台按照定模式扫描；6)控制指定位置上的生长时间实现所要求的厚度(t)；控制指定位置上工作气体的组分实现材料化学成分(c)的调节。
在上述技术方案中，还包括步骤7)撤掉针尖电极上的高压，利用激光束做薄膜的后处理；所述后处理指薄膜生长完毕后采取的退火，冷却，辐照改性等步骤。
在上述技术方案中，进一步地，步骤3)采取衬底接地，针尖加载正的高电压，电压值一般为千伏(kV)量级，依赖于工作气体和工作气压以及对具体的材料生长所要求的粒子到达生长表面的能量，以产生放电进行所要求的材料生长为宜。
在上述技术方案中，进一步地，步骤2)的激光束采用高光子能量的紫外光激光或高功率脉冲激光；激光的作用为预先产生一个离子通道，因此激光束能离化所使用的工作气体是基本要求，采用高光子能量的紫外光激光离化或高功率脉冲激光离化方式。
在上述技术方案中，进一步地，步骤2)中所述激光束采用光纤导入真空室，导入激光的光纤最前端与针尖集成；光纤前端和针尖做成一个整体，使得光束造成的离子通道所约束的放电稳定性，从而保证薄膜定点方式生长在(x，y)平面内的位置与尺寸的精确度。
在上述技术方案中，进一步地，所述衬底台和针尖/光纤端口在同一个防震平台上的集成。这样可以有效避免生长过程中针尖/光纤端口相对于衬底的无规运动，提供(x，y)平面内生长的精确度。
在上述技术方案中，进一步地，在步骤6)中还包括调节激光束的参数改变离子通道的直径，配合工作气体气压和工作电压的改变，从而改变逐点生长模式之生长点的直径。
在上述技术方案中，进一步地，可以与放电装置不相互干扰的扫描电镜配合生长点的定位和实际生长结构的在线监测。
一种气相沉积材料生长和结构成型装置，包括真空室10，该真空室设有常规的用于气相沉积所需的工作气体的导入口31和导出口32；所述导入口31连接气体源(图中未示出)，所述导出口32与一真空泵(图中未示出)连接；其特征在于，还包括衬底台11，处于所述真空室10内，在(x，y)平面内做二维任意方式移动，衬底12固定在该衬底台11上；电极13，处于真空室10内，与一高压电源14连接，使所述电极13有正高压；所述衬底台11上的衬底样品接地；所述电极13有一个支撑架15，所述支撑架15和所述衬底台11之间的距离可以调节；激光器16，处于所述真空室10外；激光导入构件17，将激光器16发出的激光导入真空室10并垂直于所述衬底12；电子枪20和探测器21组成的扫描电镜装置；所述电极(13)处于所述激光的光路上，使所述电极(13)和所述衬底样品(12)表面之间沿激光束提供的离化通道形成一放电区(18)；所述电极13为针尖电极；在上述技术方案中，进一步地，所述激光导入构件17包括光纤，通过真空室上的法兰同所述激光器16相接，用于将激光束垂直于衬底地导入真空室内。
所述针尖电极13和光纤的端口19集成在一起，光纤的另一端口与激光器16的激光输出口相耦合。
在上述技术方案中，进一步地，激光的导入还可以采用另一种方式，所述激光导入构件17包括所述真空室有一透明窗口，所述激光器16发出的激光透过所述透明窗口垂直入射到所述衬底12的表面。
在上述技术方案中，进一步地，所述衬底台11由步进电机或压电陶瓷控制做(x，y)平面内的二维任意移动。
本发明利用准直的气体放电，依据气相沉积生长的原理，实现逐点进行的材料生长。辅以衬底的二维扫描和生长时间的控制，提供一种能直接生长大面积内高厚度均匀性薄膜、或具有特定四维花样的材料结构的这样一种生长与成型技术。其本质为等离子体辅助化学气相沉积。
与现有技术相比，本发明的优点在于1)逐点生长生长方式，提高了控制薄膜参数的精度；2)配合扫描方式和工作气体成分的调节可以实现(x，y，t，c)四维结构的一次性成型；3)在材料结构生长完成后，可以利用现成的激光束作必要的后处理；4)可以用于点状，线状，二维花样，各点厚度不同的三维花样以及成分变化+前述空间花样而成的各种花样结构的生长。
图1表示本发明的激光准直气体放电薄膜生长装置的示意图；具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述附图1为发明所公开的能够以定点方式生长的激光准直气体放电增强化学气相沉积材料生长和结构一次性成型技术的原理图。一束激光沿金属针尖入射到接地的衬底上，激光离化工作气体形成的纤细的等离子体导电通道用来规范针尖和衬底之间由高压引起的放电过程，使得针尖放电被限制在很细的柱状范围，从而在衬底上实现逐点模式的薄膜生长。衬底由电机驱动在XY平面内做精确的依照设定花样的移动。化学组分变化由改变气体前驱物的组分来实现。生长室内配置的扫描电镜用来定位和在线监测。
参照图1制造一种薄膜生长装置，包括真空室10，该真空室设有常规的用于气相沉积所需的工作气体的导入口31和导出口32；所述导入口31连接气体源(图中未示出)，所述导出口32与一真空泵(图中未示出)连接；还包括衬底台11，处于所述真空室10内，在(x，y)平面内做二维任意方式移动，衬底12固定在该衬底台11上；电极13，处于真空室10内，与一高压电源14连接，使所述电极13有正高压；所述衬底台11上的衬底样品接地；所述电极13有一个支撑架15，所述支撑架15和所述衬底台11之间的距离可以调节；激光器16，处于所述真空室10外；激光导入构件17采用光纤，通过真空室上的法兰同所述激光器16相接，用于将激光导入真空室10并垂直于所述衬底12；电子枪20和探测器21组成的扫描电镜，用于定位和监测；针尖电极13处于所述激光的光路上，使所述电极13和所述衬底样品12表面之间沿激光束提供的离化通道形成一放电区18；在本实施例中，所述针尖电极13和光纤的端口19是集成在一起的。所述衬底台11由步进电机控制做(x，y)平面内的二维任意移动。
结合上述装置，下面以两个实施例对本发明的材料生长和结构成型方法详细描述。
实施例1依照本发明提供的方法，作为实施例，以类金刚石结构花样在硅衬底上的生长为例，包括具体如下步骤(1)在真空室内导入工作气体，工作气体包括甲烷，氢气。
(2)以光纤导入He-Gd激光电离工作气体；(3)衬底接地，在电极上加1千伏电压，调节针尖-衬底间的距离和工作气体的气压，获得自针尖到衬底的柱状的放电区域；类金刚石在衬底上开始生长；本领域技术人员熟知，在给定的工作气压下，工作距离和工作电压的相当大的耦合参数空间内都可以获得放电；(4)在扫描电镜引导下把针尖移至指定的生长起始点，保持针尖/衬底相对位置不动，实现点状生长；使针尖/衬底相对位置做线性扫描，获得一维结构的生长；使针尖/衬底相对位置做二维连续扫描，获得二维的连续薄膜；使针尖/衬底相对位置按设定的花样做二维扫描，配合各点上生长时间的控制，获得期望的三维结构；(5)利用的激光束对所生成的薄膜的加热效应，对薄膜逐点进行后处理。
实施例2对于包含成分控制的结构花样的薄膜生长，以SiC-Si-C体系为例，具体步骤包括(a)在实施例1的步骤(1)工作气体中加入硅烷，然后执行实施例1的步骤(2)-步骤(4)；(b)定点生长模式下，逐渐增加硅烷的含量而降低甲烷的含量，该点处沉积物则会由SiC过渡到纯硅。
(c)配合实施例1中步骤4)的各种空间扫描方式，获得添加了成分控制的各种结构花样。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种气相沉积材料生长和成型的方法，包括如下步骤1)在真空室中通入生长材料所需的工作气体；2)使一激光束垂直入射到真空室内的衬底台上的衬底样品表面，并将一针尖电极置于激光光路上；3)衬底台上的衬底样品置于低电位，针尖电极置于高电位；4)在扫面电镜的配合下找到要开始的生长位置；加电压引发放电，开始气相沉积过程；5)使激光准直的放电相对于衬底台按照定模式扫描；6)控制指定位置上的生长时间实现所要求的厚度(t)；控制指定位置上工作气体的组分实现材料化学成分(c)的调节。
2.根据权利要求1所述气相沉积材料生长和成型的方法，还包括步骤7)撤掉针尖电极上的高压，利用激光束做沉积结构的后处理；所述后处理指生长完毕后采取的退火、冷却、辐照改性处理。
3.根据权利要求1所述气相沉积材料生长和成型的方法，所述步骤3)采取衬底接地，针尖电极加载正的高电压。
4.根据权利要求1所述气相沉积材料生长和成型的方法，步骤2)的激光束采用高光子能量的紫外光激光或高功率脉冲激光以实现至少一种工作气体的离化。
5.根据权利要求1所述气相沉积材料生长和成型的方法，步骤2)中所述激光束采用光纤导入真空室，导入激光的光纤最前端与针尖电极集成，所述衬底台和针尖/光纤端口在同一个防震平台上集成。
6.根据权利要求1—5任一项所述气相沉积材料生长和成型的方法，其特征在于，与放电装置不相互干扰的扫描电镜实现生长点的定位和生长结构的在线监测；在进行定点生长时，改变工作气体成分，实现包含成分控制的结构花样的生长。
7.一种气相沉积材料生长和成型的装置，包括真空室(10)，该真空室设有用于气相沉积所需的工作气体的导入口(31)和导出口(32)；所述导入口(31)连接气体源，所述导出口(32)与一真空泵连接；处于所述真空室(10)内的衬底台(11)；其特征在于，还包括所述衬底台为能在平面内做二维任意方式移动，衬底(12)固定在该衬底台(11)上；电极(13)，处于真空室(10)内，与一高压电源(14)连接，使所述电极(13)有正高压；所述衬底台(11)上的衬底样品接地；所述电极(13)有一个支撑架(15)，所述支撑架(15)和所述衬底台(11)之间的距离可以调节；激光器(16)，处于所述真空室(10)外；激光导入构件(17)，将激光器(16)发出的激光导入真空室(10)并垂直于所述衬底(12)；电子枪(20)和探测器(21)组成的电镜扫描装置；所述电极(13)处于所述激光的光路上，使所述电极(13)和所述衬底样品(12)表面之间沿激光束提供的离化通道形成一放电区(18)；所述电极(13)为针尖电极。
8.根据权利要求7所述气相沉积材料生长和成型的装置，其特征在于，所述激光导入构件(17)包括光纤，用于将激光束垂直于衬底地导入真空室内；所述针尖电极(13)和光纤的一端口(19)集成在一起，光纤的另一端口与激光器的输出口相耦合。
9.根据权利要求7所述气相沉积材料生长和成型的装置，其特征在于，所述激光导入构件(17)包括所述真空室10有一透明窗口，所述激光器(16)发出的激光透过所述透明窗口垂直入射到所述衬底(12)的表面。
10.根据权利要求7-9任一项所述气相沉积材料生长和成型的装置，其特征在于，所述衬底台(11)由步进电机或压电陶瓷控制做二维任意移动。
全文摘要
本发明公开了一种气相沉积材料生长和成型的方法与装置。该方法包括步骤1)通入工作气体；2)入射一束激光到衬底表面建立离化通道；3)在置于光路上的针尖电极上加一正高压；4)确定起始生长位置，开始气相沉积过程；5)使柱状放电按设定模式扫描；6)配合衬底的空间扫描，控制指定位置上的生长时间和当时的工作气体的成分，实现平面上的位置、厚度和组分的四维结构的一次性成型。该装置包括真空室，衬底台，针尖电极，激光器，激光导入构件，扫描电镜，所述电极沿激光束建立的离子通道和衬底表面之间形成一准直的柱状放电区。本发明的优点逐点生长，提高控制薄膜参数的精度；四维结构的一次性成型；可利用现成的激光束作后处理。
文档编号C23C14/58GK1982499SQ20051013210
公开日2007年6月20日 申请日期2005年12月16日 优先权日2005年12月16日
发明者曹则贤 申请人:中国科学院物理研究所