一种基于虚拟阴极沉积(VCD)的薄膜制造工艺的制作方法

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一种基于虚拟阴极沉积(VCD)的薄膜制造工艺的制造方法与工艺

本发明涉及一种在衬底上沉积薄膜的装置。



背景技术:

在衬底上制造薄膜一般需要分子流、原子流或离子流流向衬底。这些流束在衬底表面的合适位置凝结形成一固体膜,通常这些沉积的方法称为物理气相沉积(pvd)。例如包括脉冲激光沉积(pld)和脉冲电沉积(ped)。来自激光或电子束的绝对高能量密度脉冲可以消融靶材(将一定量的固体靶材转变为等离子体)。该等离子体以等离子羽流的形式向外扩展至目标物,该等离子羽流具有目标化合物的组合物。

脉冲电沉积(ped)需要在靶材表面提供一个电子束能量密度大于等于瓦/平方厘米的电子束源。已知的用于产生电子束的设备或方法(us7557511orwo2011it00301)是基于一种渠道火花放电(csd)工序,该工序在申请号为5,576,593发明人为舒尔特海斯的美国专利中记载。该渠道火花放电装置包括一空心阴极等离子体源,该空心阴极等离子体源与激活组触发等离子体的产生,和一介电的管状元件。介电的管状元件将从空心阴极等离子体提取的电子流导向阳极靶。在最佳条件下,这很依赖于工作室中的压力,如专利us7557511所述,有可能产生直线状的光束,该光束由管状元件引导,并从管状元件的出口射出,并由于光束引起的空间电荷中和能够传播超出管状元件。

ped技术已被用来制造不同类型的薄膜,包括金属、半导体和高质量的介质材料涂层。尽管全世界的实验室都有成功的沉积实验,但是没有成功的脉冲电子束沉积薄膜的工业应用。基于csd的电子束源在工业应用失败的主要原因是因为介质的管状元件的生命周期短(一般小于射击),从射击到射击的脉冲重复性低,和大面积沉积的可扩展性问题。



技术实现要素:

一种新的薄膜沉积装置和方法被提出。沉积设备的操作是基于高电压(1-60kv)大电流(0.1-10ka)电脉冲的应用,由脉冲电源组到虚拟阴极组产生。虚拟阴极组装置从气体容器中提供的气体中产生初始等离子体。该初始等离子体,被注入在靶材的前面,形成一个虚拟等离子体阴极。该虚拟阴极等离子体获得负电位偏置,该负电位偏置由脉冲电源所提供,从而导致电子束的产生。电子束的形成发生在薄鞘之间,该薄鞘形成在作为虚拟阴极的等离子体边界和作为阳极的靶材之间。由于等离子体边界和靶材之间的距离小使得空间电荷限制是高的,这使得高能量和高电流脉冲的电子束产生,该电子束足够将固体靶消融。

虚拟等离子体阴极在靶材前面短暂出现,通过电子束将靶材消融,然后消失并允许消融的靶材向衬底流去,在衬底那里凝结形成薄膜。靶材消融后以等离子体羽流的形式,从位于具有虚拟阴极等离子体部分的靶材表面向外扩散流出。这样,由于限制电子束源时间的因素-由靶材消融带来的阴极污染运是可避免的,因为阴极是一个虚拟的阴极,由等离子体形成,它不能像常规的固体材料阴极一样被污染。

本发明的第一方面提供了一种薄膜沉积装置,包括,一空心阴极、一衬底托架和一靶材托架,所述衬底托架和所述靶材托架相对设置在所述空心阴极两侧,一等离子体供应元件,用于在所述空心阴极的端部靠近所述靶材托架时向所述空心阴极内部提供等离子体,和一动力单元,与所述空心阴极连接,用于给所述空心阴极提供一高压脉冲,当所述等离子体供应元件向所述空心阴极提供等离子体且所述空心阴极受到高压脉冲时,一虚拟等离子体阴极会形成,所述虚拟等离子体阴极形成一电子束,所述电子束朝向所述靶材托架上的靶材,其中被消融的靶材羽流通过空心阴极。

所述等离子体供应元件包括一与所述空心阴极相邻并且限定一气体容器的空心帽形电极。

所述空心帽形电极通过绝缘环与所述空心阴极隔开,气流狭缝从所述气体容器延伸到所述空心阴极内部。

所述气流狭缝的宽度范围为0.1毫米至10毫米。

薄膜沉积装置还包括与空心帽形电极连接的电触发单元,用于在所述空心帽形电极内部产生初始等离子体。

所述电触发单元产生电脉冲的电压范围为1kv至60kv。

所述电触发单元产生电脉冲的电流范围为0.01ka至1ka。

所述电触发单元产生电脉冲的持续时间小于1微秒。

薄膜沉积装置还包括用于向气体容器提供气体的气体导管。

所述气体导管将所述空心阴极与电触发单元导通连接。

所述空心阴极是圆柱形的。

所述空心阴极具有一纵轴,所述纵轴是所述靶材托架上靶材表面以及所述衬底托架上衬底表面的法线。

所述空心阴极的直径范围为0.1毫米至100毫米。

所述空心阴极的直径范围为2毫米至40毫米。

所述空心阴极的直径范围为0.1毫米至2毫米。

所述空心阴极的直径长度比的范围为0.1至10。

所述靶材托架上靶材表面到所述空心阴极的距离与所述空心阴极的直径的比值范围为0.1至10,最优为1。

所述动力单元产生电脉冲的电压范围为-1kv至-60kv,最优为-5kv至-20kv。

所述动力单元产生电脉冲的电流范围为0.1ka至10ka以为靶材消融提供能量。

所述动力单元产生电脉冲的持续时间范围为0.1微秒至100微秒。

薄膜沉积装置还包括一工作室和一泵元件,所述工作室内部包括空心阴极、衬底托架,靶材托架和等离子体供应元件,所述泵元件用于保持所述工作室内部的压力。

所述工作室内的压力的保持范围在0.001帕至1帕。

薄膜沉积装置包括多个空心阴极。

薄膜沉积装置进一步包括一辅助气体容器,所述辅助气体容器与所述气体容器之间通过多个孔连通。

薄膜沉积装置进一步包括设置在所述气体容器上的辅助触发电极。

薄膜沉积装置进一步包括与所述辅助触发电极连接的辅助触发电触发单元。

本发明的第二方面提供了一种薄膜沉积方法,包括,提供一空心阴极、一衬底和一靶材,所述衬底和所述靶材相对设置在所述空心阴极两侧,在所述空心阴极的靠近所述靶材的端部处所述空心阴极内部提供等离子体,同时给所述空心阴极提供一高压脉冲,从而形成一虚拟等离子体阴极,所述虚拟等离子体阴极形成一电子束,所述电子束朝向所述靶材托架上的靶材,其中被消融的靶材羽流通过空心阴极流向衬底。

薄膜沉积方法还包括向与所述空心阴极相邻并且限定一个气体容器的空心帽形电极提供气体,并向所述空心帽形电极提供一电触发脉冲以在所述空心帽形电极内产生等离子体。

所述电触发脉冲的电压范围为1kv至60kv,电流范围为0.01ka至1ka。

所述电触发脉冲的持续时间小于1微秒。

薄膜沉积方法还包括定位靶,使得所述靶材表面到所述空心阴极的距离与所述空心阴极的直径的比值范围为0.1至10,最优为1。

高压脉冲的电压可高达-60kv,电流范围为0.1ka至10ka。

高压脉冲的持续时间的范围为0.1微秒至100微秒。

本发明的第三方面提供了一种薄膜沉积方法,根据本发明第二部分的方法并使用本发明第一部分的装置。

附图说明

为了对本发明及其技术优势进行更完整的说明,参考如下所述的附图和附图说明:

图1,图1为本发明的虚拟阴极装置的剖视图。

图2,图2为图1中装置形成初始等离子体和虚拟阴极等离子体的示意图。

图3,图3为图1中装置等离子体羽流传输的示意图。

图4,图4为广域沉积的替代设备。

图5,图5显示了进一步的替代设备。

本发明的最佳实施例

具体在附图中详细描述,强调这只是通过举例的方式进行详细描述,目的是本发明的优选实施例的说明性讨论,且所提出的内容被认为是本发明最有用和最容易理解的原则和概念。在这方面,尽量更详细地显示本发明的结构细节是为了对本发明的基本了解所必要的,附图说明使得这些技术如何在发明中以多种实施例方式实践更为清楚。

在详细说明本发明的至少一个实施例之前,必须了解本发明不限于其在下列描述或图纸说明中的结构细节的详细应用和元件的具体设置。本发明适用于其他实施例,或以各种方式被实施,或可以运用到各种方法中。而且,这是可以被理解的,本文以描述目的所采用的用词和术语不应被视为限制。

一个虚拟阴极沉积(vcd)装置,在等离子体激活之前,如图1所示。该vcd装置在图1中由参考数字1完全表示。本发明的装置1包括一工作室131。所述工作室131是由一个恒定的泵提供(不在图1显示)气体,所述气体为所述工作室提供一个范围为至100毫巴的压力。显然,工作室131是以与外部环境真空严密隔离的方式建立的。装置1进一步包括一虚拟阴极组,由参考数字3完全表示。

装置1进一步包括一供给支撑组,由参考数字5完全表示。

装置1进一步包括一脉冲功率组,由参考数字7完全表示。

装置1进一步包括一个靶材组,由参考数字9完全表示。

靶材组9进一步包括一靶材115,该靶材115设置在合适的靶材托架117上。靶材材料包括必须以薄膜的形式沉积在衬底表面125上的化学元素。

衬底125也保持在工作室131中,并且可以由例如太阳能电池、有机晶体管、显示器、光源等的全部或部分电子器件或电气设备构成,甚至由机械部件或元件构成,没有任何限制。

靶材托架117至少部分包含在工作室131中,且由任何已知的材料组成,该材料需要导电性大于s/m和熔融温度大于300°c,最好是不锈钢、钨、铜、青铜或其他金属合金。靶材托架117提供工作室131和靶材115的电连接。工作室131,靶材115和靶材托架117的电势在装置操作过程中必须尽可能接近零值(接地电位)。这可能需要靶材托架117为最小电感,且工作室,靶材托架和靶材需要紧密电接触。

靶材115的形状可以是杆状,圆柱体,球体,平行六面体,或任何其他不受限制的形状,只需要在虚拟阴极组3对称轴处提供至少1平方毫米的表面。这是靶材的消融区,在图1中指定为116,相对于虚拟阴极组3对称轴具有表面法线方向,且在旋转过程中最好不改变它的位置或方向,或任何其他由靶材托架117以任何已知的方式提供的靶材运动。

虚拟阴极组3适合在靶材115附近产生等离子体。等离子体作为虚拟阴极以产生电子束来消融靶材表面,后面会更详细地描述。由初始等离子体供给组件提供的初始等离子体形成虚拟阴极等离子体。在本发明的优选实施例中,虚拟阴极组3完全包含在工作室131中。虚拟阴极组3包括空心阴极101、绝缘体环103和空心帽形电极105。

空心阴极由任何已知的材料制成,该材料的导电性需要大于

s/m和熔融温度大于300°c,最好是不锈钢,钨,铜,青铜或者其他金属合金。空心阴极的形状为空心圆柱体,该空心圆柱体的直径长度比的范围为0.1-10,壁厚大于0.05毫米。空心阴极101的直径范围为0.1-100毫米,主要取决于工作室中的气体的压力。更具体地,对于毫巴(帕)的压力,直径的范围在2-60毫米内,如100毫巴(帕)的压力,直径的范围在0.1-l0毫米,为非限制性的例子。

空心阴极圆柱的对称轴是靶材消融区116的法线,靶表面到空心阴极的距离与空心阴极直径的比值在0.1-10范围内,最优为1。

绝缘体环103与空心阴极101连接。绝缘体环103由任意绝缘材料组成,该绝缘材料的熔化温度大于300°c,优选氧化铝或其它陶瓷或塑料材料。绝缘体环103以任何已知的方式连接到空心阴极上,以防止气体泄露,且在空心阴极101上的位置固定。

空心帽形电极105与绝缘体环103连接。空心帽形电极105以任何已知的方式连接到绝缘体环103上,以防止气体泄露,且在空心阴极101上的位置固定。空心帽形电极105由任何已知的材料组成,该材料的导电性需要大于s/m和熔融温度大于300°c,最好是不锈钢、钨、铜、青铜或其他金属合金。

另外,空心帽形电极105与气体导管107连接。气体导管107以任何已知的方式连接到空心帽形电极105上,以防止气体泄露,且在空心帽形电极105上的位置固定。

空心帽形电极的形状如图1所示,连同空心阴极101和绝缘体环103一起形成气体容器127。更详细地说,由气体导管107提供的气体进入气体容器,然后通过狭缝129流入在靶材115附近的空心阴极的内部。狭缝129所定义的间隙应小于或等于空心帽电极105半径与空心阴极101半径的差值的一半。这反过来又等于绝缘环103的径向尺寸-即其宽度。狭缝宽度决定了它的气体通过量,因此有了气体容器127内部和工作室131内部的气体压力差。狭缝宽度可以控制在0.1-10毫米范围内,使得气体容器内部的压力至少高于工作室131内部压力的两倍,并通过工作室内不间断工作的泵实现。

气体导管107、气体限流器109、真空接头113,和一个支撑元件111组合在一起形成供给支撑组5。供给支撑组5作为虚拟阴极组3的支撑和气体供应设备以及电源。

气体导管107是内径为1-10毫米的管,为非限制性的例子。气体导管107是由任何已知材料组成的,该材料的导电性需要大于s/m和熔融温度大于300°c,最好是不锈钢、钨、铜、青铜或其他金属合金。

此外,气体导管107作为电导体,以提供电触发单元121和空心帽形电极105之间的电连接。

更详细的,电触发单元以任何已知的方法产生一个高电压(从1-60kv作为非限制的例子)电脉冲,电流范围在0.01ka-1ka,并通过电缆将气体导管传输到工作室外。气体导管107引导电脉冲通过绝缘的真空接头113到空心帽形电极105。

气体导管107通过真空接头113连接空心帽形电极105。更详细地,如图1所示,气体管道107由其末端部分插入空心帽形电极105的内部腔中,以这种方式,气体导管107与气体容器127的内部空腔连通。

真空接管113由任何已知的绝缘材料组成,该材料的熔化温度大于300°c,最好是铝的氧化物或任何其他已知的陶瓷或塑料材料,如聚四氟乙烯作为一种非限制性的例子。真空接管113以任何已知的方式提供真空紧密连接到气体导管107。这样,工作室的内部空间和气体导管的内部空间与工作室131外部的大气不连通。

另外,真空接头113以某种方式连接到支撑元件111以提供真空密封连接(无气流从连接处流出从工作室)。支撑元件111是由任何已知的材料组成的,该材料需要导电性大于s/m和熔融温度大于300°c,最好是不锈钢、钨、铜、青铜或其他金属合金。支撑元件111作为电导体,以提供电脉冲功率单元119和空心阴极101之间的电连接。

更详细的,电脉冲功率单元119以任何已知的方法生成一高电压(从-60kv到-1kv作为非限制的例子)大电流(0.1-10ka)电脉冲并通过电缆传输到工作室外的支撑元件111。支撑元件111引导电脉冲通过绝缘的真空接头113到空心阴极101。

在工作室外的气体导管107上设有气体限流器109。气体限流器109连接供气组件123–未在图中示出-提供的气体压力高于或等于大气压力。作为非限制性的例子,气体可以氧,氮,氩,氦,氙等。气体限流器109提供气体的压力差。在气体管道107内腔的气体压力低于大气压力(-100毫巴,作为一个非限制性的例子)。

该vcd操作动态将结合图2显示。每个vcd的初始脉冲由脉冲功率组激活。脉冲功率组7完全置于工作室131外部,包括电脉冲功率单元119和电触发单元121。

脉冲功率单元119包括具有总电容为1-60nf的电容器组,作为非限制例子。同时,脉冲功率单元119包括允许电容器组的充电电压为-1到-60kv的高压充电器和合适的高电压开关,该高电压开关允许存储在电容器中的电荷通过电缆快速传递(小于50微秒为非限制性的例子)到支撑元件111外端。脉冲功率组7内部的内容没有显示出来,可以是任何已知的设备具有生产0.1-100微秒脉冲的能力,在电压范围为-1kv到-60kv,重复率高达20khz的情况下。在实践中,对于大多数材料脉冲电压为-5kv至-20kv是合适的。

高压开关激活导致空心阴极101的负电位偏置触发初始等离子体供应操作。

此时,该空心帽形电极有零电位所以导致空心阴极和空心帽形电极之间存在电势差。通过电触发单元可以辅助初始等离子体的触发。也就是说,当电触发单元激活提高初始等离子体的形成,电位差是可以被额外增加的。在脉冲功率单元形成高电压脉冲初始阶段期间,电触发单元提供空心阴极和空心帽形电极之间的1-60kv的电位差。也就是说,当空心帽形电极在脉冲上升时间有了零电位,空心阴极101具有上升的负电位。然后,电触发单元可以产生短暂(<1s)的正脉冲来提供空心帽形电极的正偏置,增加与空心阴极的电位差。电位差结合了气体容器中的气体高压来促成等离子体的形成。电触发单元121有了1-10nf的出口电容导致电流脉冲流经初始等离子体201来补偿电位差。

在某些压力范围内不需要触发脉冲,并且主脉冲电压足以点燃初始等离子体。

更详细地说,脉冲功率单元119提供一个电流从空心阴极通过初始等离子体201流到空心帽形电极。电流流向电触发单元121以给入口电容充电。当入口电容充电时,空心帽形电极获得负高压电位。此电流脉冲增加了初始等离子体的密度-更大出口电容的电触发单元,更高的电荷通过初始等离子体被转移,因此得到更密集的初始等离子体。当初始等离子体201的密度≥时,由于这种初始等离子体的高电导率,空心阴极和空心帽形电极之间的电势差会<100v。主脉冲提供等离子体加热和消融靶材所需的能量。

该初始等离子体201将从气体容器127通过气体狭缝129流入到空心阴极腔中,并将形成空心阴极等离子体203。这种空心阴极等离子体将空心阴极的电位加上约50伏特,由于空心阴极效应。相对于接地靶材该等离子体将具有很高的负电位,即由脉冲功率组提供的电位加50伏特(从-0.95到-59.95千伏,取决于脉冲功率单元电压)。具有高负电位的空心阴极等离子体作为虚拟阴极向靶材发射电子束。在vcd装置运行的这一阶段,脉冲功率组提供负电荷到空心阴极,空心阴极发射电子到空心阴极等离子体203。该空心阴极等离子体反过来发射电子束到接地的靶材115。脉冲功率单元将存储在电容器组中的能量提供给电子束。

虚拟阴极等离子体的密度将增加,随着由于靶材的消融,残余的气体电力以及由于箍缩效应而通过等离子体转移的电荷的增加。箍缩效应是指等离子体电流与其自身产生的磁场相互作用,使等离子体电流通道收缩、变细的效应。

当脉冲功率单元电容器组放电-空的-包含消融靶材的等离子体就会像爆炸一样开始扩展,由于等离子体的压力不受磁场补偿。此时,等离子体密度可以大于

vcd操作的下一个阶段将与图3结合呈现。脉冲功率组7在这个阶段已经完成了高电压脉冲产生,且空心阴极101和空心帽形电极相对于工作室131的接地电位有绝对值小于1千伏的电势。

等离子体包括靶材材料的化学元素将朝向衬底125以速度厘米/秒沿虚拟阴极组3的对称轴和靶材消融区116的法线传播。传播速度将取决于靶材材料,电脉冲的功率,和在工作室内的压力。该等离子在对称轴的正交方向扩展-径向膨胀-由于温度膨胀效应或双极等离子体扩散效应。

结合传播和径向速度将导致等离子体中的离子轨迹如图3中的箭头所示。这些离子轨迹导致羽毛状的等离子体相对于虚拟阴极组对称轴是对称的。当等离子体羽流305到达衬底125时,它会在衬底表面凝结成薄膜303。沉积的薄膜303相对于虚拟阴极组的对称轴厚度分布均匀。沉积的薄膜将在中心处较厚,在沉积点的边缘处较薄。

沉积薄膜组合物包括靶材料元素。此外,沉积薄膜组合物可以包括由气体供给组件123提供的气体的化学元素。

沉积薄膜晶体结构可以随电离状态,动能,和等离子体羽流305的流通密度种类变化,而等离子体羽流305的流通密度可以随电脉冲电压,持续时间,电流和工作室中的气体压力变化。

广域积沉积装置基于两个或两个以上的vcd设备操作现在将与图4结合呈现。该广域沉积装置还包括一个以上的虚拟阴极组3。

广域沉积装置进一步包括作用于每个虚拟阴极组的供给支撑和脉冲功率组组群-不在图4中显示。虚拟阴极组可沿y方向设置且与对称轴相互平行,作为非限制性的例子。

广域沉积装置还包括靶材415。靶材415可以具有圆柱形形状,其直径大于空心阴极101的直径,且长度大于两个横向虚拟阴极组对称轴之间的距离。此外,靶材415可以具有任何其它已知的形状,为所有与相应阴极组具有相同的配置的虚拟阴极组3提供靶材消融区域116。此外,靶材可以由独立的靶材组组成,该靶材组类似于前面如图1所示的靶材组9。

在靶材409为圆柱形状的例子中,靶材支撑系统-未显示-任何已知的类型可以结合如图4所示的y方向的位移围绕对称轴旋转,以在操作过程中由所有虚拟阴极组提供统一完善的靶材409。

广域沉积装置进一步包括衬底125。衬底在其长度方向上可以呈带状或片状形式,作为非限制的例子。该衬底可以由一个移动系统提供-没有显示。该移动系统可以在y方向上移动衬底125。

在y方向的一行中的虚拟等离子体组,在y方向上具有旋转和移位圆柱靶材,以及平行于y-z平面的衬底的相互定位限定了沉积薄膜的均匀性。更详细地说,由每个虚拟阴极组提供的等离子体羽流在到达衬底之前可以相混融合成一个均匀的等离子体。该等离子体沉积薄膜在衬底的y方向上具有均匀的厚度分布如果衬底和靶材之间的距离大于或等于虚拟阴极组对称轴之间的距离。等离子体羽流的径向膨胀速度约等于或小于在x方向上的传播速度。等离子体羽流的轨迹在图4所示。

衬底在z方向上的匀速运动在衬底的z方向上提供了均匀薄膜剖面,结合脉冲功率组提供的作用在每个虚拟阴极组上的恒定重复率脉冲。

虚拟阴极设备如图5所示的另一实施例。在一些应用中,特别是类金刚石碳(“金刚石”)薄膜在衬底上的沉积,一个更高的电子束能量密度被需要以消融靶材表面。在dlc沉积的例子中,这是一个石墨靶材。

现在参考图5,另一实施例在1’中显示。类似于图1的装置,该装置1’包括空心阴极101和空心帽形电极105。气体导管107向工作室127供气。该装置1’进一步包括定义辅助气体工作室506的绝缘体103’。辅助气体工作室通过限流器504连接到另外的气体供应设备503,允许对于辅助气体工作室506的气体供应率可以被控制。辅助气体工作室506通过多个通孔507连接到气体工作室127,优选地至少为三个,以使工作室127中气体的密度均匀。附加电极501位于工作室127内,在这个例子中包括了普遍的圆柱形不锈钢网格。在这个例子中,在上升时间低于5微秒的条件下3-30kv的触发脉冲电压和大于0.1j的总能量被辅助触发脉冲功率源502产生。这些变化使电子束在石墨靶材表面聚焦成一个直径小于1毫米的光斑。气体的压力,最好是氩气,在工作室应该是小于毫巴(1帕)。脉冲功率单元119产生10-20kv的脉冲,其脉冲总能量超过2j以消融石墨靶材和在衬底上提供dlc薄膜沉积。衬底可以是任何熔化温度超过40°c的固态材料或器件,包括塑料、金属、陶瓷、电子和光学器件,或3d打印件作为非限制性实例。

在一个示例方法中,该装置1’具有石墨靶材117’(99%纯度)和衬底125,它可以是玻璃、不锈钢、高尔夫球、3d打印部件或任何其他合适的材料。工作室127内部压力被抽到低于毫巴(帕)。然后,从源123和源503引入的氩气使得工作室中的压力增大到毫巴(-10帕),基于源503的气体供应设备提供80%-100%的气体流量。脉冲功率源119在20hz至20khz的重复率下产生10-30千伏的电压脉冲。当脉冲达到其最大电压时,触发脉冲发生器121,502提供触发脉冲。触发脉冲的电压范围为+5至+15kv,持续时间的范围为100纳秒-1微秒,最好100纳秒。第一个触发脉冲由触发脉冲发生器502产生,第二个触发脉冲由触发脉冲发生器121产生,第一脉冲和第二脉冲之间的延时范围为100-500纳秒。电脉冲导致虚拟等离子体阴极的形成,如图1中的例子所示,这反过来又产生一个电子束来消融靶材。等离子体羽流然后凝结在衬底上,衬底与靶材之间的距离为10-50厘米。dlc薄膜在衬底上以10至1000纳米/分钟的速率形成,取决于脉冲重复率(线性关系)和距离(平方反比关系)。衬底温度不超过40摄氏度,在脉冲重复率为200hz,与靶材距离为15厘米的情况下。dlc薄膜得到了一个紧凑的,表面光滑(~100nmrms)的部分无定形的部分结晶结构为厚度为200毫米的薄膜。靶材117可以在操作期间利用把靶材表面的较大部分旋转。这使得靶材材料更加均匀地消耗。

dlc薄膜沉积具有这些参数,取决于靶材表面的电子束功率密度的变量sp3/sp2比率。dlc薄膜的硬度可大于20gpa,表面是纳米晶体且光滑,摩擦系数低。也可以灵活、不分层具有向上弯曲到2毫米的半径-在塑料(pet为例)衬底上。

这种类型的dlc薄膜的应用可能包括保护疗法或硬质层或光学生物相容涂层,医疗目的,或体育设备。低摩擦系数也可以减少表面的空气阻力,减少飞机,汽车,或高尔夫球的空气摩擦损失,作为非限制的例子。高尔夫球可增加10-20%的平均飞行距离,如果在球体上通过vcd方法设置dlc薄膜涂层。dlc薄膜应用的另一应用示例是提供化学保护层,例如用于znse,该dlc薄膜对红外光是透明的且可抵制大多数化学活性溶剂,同时提高了znse或其他红外光学的抗划伤性。设置在3d打印部件上的dlc涂层将提高部件的耐磨性,并使它们生物相容。因此具有dlc涂层的塑料配件能够用于医学应用如针,导管,手术仪器,作为非限制的例子。

使用vcd技术沉积dlc薄膜的进一步优点是超过100纳米/分钟的快速沉积速率,沉积温度小于60°c,低成本,硬度可灵活性改变,沉积薄膜的表面光滑,在衬底或设备上具有广泛合适的沉积范围,且在沉积过程中不会通过热负荷损害设备。

这里所示的装置和方法所提供的其他应用包括透明导电氧化物薄膜(“tco”)的沉积,如和其他任何合适的透明掺杂半导体。在一个例子中,一个薄膜可以用图1装置沉积。该装置具有一靶材(纯度99.99%),和一衬底(玻璃、pet等)设置在离靶材10-50厘米处。在工作室137中的压力降低到毫巴(帕)。氧气通过气体源使工作室中的压力增加到-毫巴(-0.8帕)。脉冲功率源在20hz-20khz的重复频率下产生10至30千伏电压的脉冲。当脉冲达到最大电压时,触发脉冲由触发脉冲发生器提供。电脉冲使得虚拟等离子体阴极形成,虚拟等离子体阴极产生电子束来消融靶材。等离子体羽流然后凝结在衬底上。透明导电氧化物薄膜以10-1000纳米/分钟的速率形成在衬底上,速率取决于脉冲重复率(线性关系)和距离(平方反比关系)。在一个测试中,衬底温度不超过60°c,在脉冲重复频率为200hz、离靶材距离为15厘米情况下(pet衬底不被羽流损坏)。得到的tco薄膜具有致密的柱状晶体结构,表面光滑(nmrms)形成100纳米厚的薄膜。100纳米厚的薄膜在1分钟内在200hz的脉冲重复率下沉积完成。薄膜在电磁光谱的可见光区域具有80%的透明度,其方块电阻小于100,在操作过程中靶材可以旋转使靶材材料均匀地暴露在靶材表面的大区域内。

厚度大于100纳米的薄膜在可见光区域的透明度大于90%,并且具有20欧姆的电阻率。达到沉积速率高于100纳米/分钟。tco沉积使用vcd装置是有利的因为衬底温度低,沉积速率高,和高质量的tco薄膜不需要退火,它是可扩展的低成本工业。

vcd半导体薄膜制造的进一步额外优势是具有精确控制掺杂分布和数量的基本tco材料掺杂的可能性,例如通过向靶材添加掺杂材料或引入第二vcd源,在基体靶材的沉积过程中以脉冲的方式将沉积掺杂材料从一个独立的靶材引到相同的衬底。通过这样的方式,在基体靶材内的掺杂材料分布,达到掺杂类型的能量,掺杂通量的密度,掺杂的相对量可通过独立的第二vcd源频率控制,脉冲的能量,电压,电子束的聚焦,和基体靶材沉积vcd脉冲方面的延迟。这种技术将促进新材料组合物的发展,例如,作为一个非限制性的例子,具有li或n的p型掺杂zno。传统沉积技术的主要问题是掺杂在碱性材料中的低溶解度,该问题可以通过第二vcd源迫使高能量的掺杂物种浸入基体靶材的方法解决。

另一个可能的应用是将锂磷氧氮(lipon)形成固态电解质用于固态电池中。具有lipon的固态电池具有优越的性能,但通过射频溅射的lipon沉积过程工艺具有非常低沉积率,几纳米/分钟极其昂贵使得商业不可持续。使用如本文所述的vcd技术和设备的低成本沉积,结合工业的可扩展性,使lipon薄膜制造在商业上是可持续的。使用vcd的lipon薄膜沉积的优点是将复杂成分的靶材转变成薄膜,要获得高质量的lipon薄膜需要具有s/cm以上的高离子电导率和低的电子电导率。

在上述描述中,一实施例是本发明的一个例子或一个实施方式。“一个实施例”、“一实施例”或“一些实施例”的各种表述并不一定都指相同的实施例。

尽管本发明的各种特征可以在单个实施例的上下文中被描述,特征也可以被单独提供,也可以在任何合适的组合中被提供。相反,为了清楚本发明也可以在不同的实施例中描述,但本发明也可以在单个实施例中描述。

此外,可以理解,本发明可以以多种方式运行或实施,并且本发明可以在上述描述中所述的其他实施例中实现。

此处所使用的技术术语和科学术语的含义通常被理解为本发明在本领域中的普遍技术,除非另有定义。

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