[發明專利]一種減少化學氣相沉積過程中雜質沉積的裝置及方法

無效

• 申請號: 201210272170.6
• 申請日: 2012-08-02
• 公開（公告）號: CN102787305A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 相炳坤;朱其豹;王信智;楊也;李文帥;孟兆升
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C23C16/52
• 分類號: C23C16/52;C23C16/50
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 裴詠萍

技術領域

????本發明涉及一種化學氣相沉積的裝置及方法，具體涉及一種利用等離子體由下而上進行沉積來減少薄膜中雜質的裝置及方法，可用于采用等離子體噴射化學氣相沉積法、熱絲化學氣相沉積法等的鍍膜設備。

背景技術

在金剛石膜及其他超硬膜（如立方氮化硼、氮化碳等）的沉積方法中，熱絲化學氣相沉積法（hot-filament-assisted?chemical?vapor?deposition?簡稱HFCVD）、直流電弧等離子體噴射化學氣相沉積法（DC?Arc?Plasma?Jet?CVD??簡稱DC-Arc?PJ?CVD）及微波等離子體化學氣相沉積法（Microwave?plasma?chemical?vapor?deposition?，簡稱MPCVD）是化學氣相沉積方法中幾種常用的沉積方法。

HFCVD法是制備金剛石涂層薄膜最有效方法之一，與其他方法相比具有設備簡單，成膜過程易于控制的優點，目前已經較廣泛用在金剛石涂層工具制備當中。在HFCVD法中，熱絲與基底間距一般小于10mm，沉積金剛石時，是將熱絲（通常為鉭絲或鎢絲）加熱到2000℃以上，以活化和分解碳氫混合氣體而獲得金剛石生長所需的前驅基團和原子氫。熱絲在高溫時極易發生相變生成金屬碳化物，特別是在熱絲工作初期碳化速率很高，如果熱絲在沉積金剛石膜前不進行碳化處理，將會有大量的碳消耗在熱絲上，導致基底上金剛石成核不足，甚至不能在基底上生長出連續的金剛石膜。所以，熱絲碳化在沉積金剛石膜工藝之中是必須處理工藝，碳化時間通常需要幾個小時。由于熱絲持續在含碳氣體氛圍中工作，所以碳化過程不僅僅存在于工作初期而是存在于整個薄膜生長過程中，只是在初始碳化處理之后，工作過程中碳化速率降低并趨于穩定。在熱絲碳化處理過程中，高溫熱絲蒸發的金屬雜質和分解的含碳鍵的基團在重力作用下，將會在離開熱絲下方很近的基底上沉積含有大量雜質的薄膜，這種膜將會減低后續金剛石薄膜或其他超硬膜的成核密度和生長；另外由于夾持固定熱絲陣列的固定電極和移動電極離熱絲陣列較近和分解碳源氣體擴散，在這兩個電極上會生長一些附著不牢的含大量石墨鍵的碳膜，在沉積過程中這些碳膜經常會從電極上脫落，落到生長的超硬膜表面上，雜質的加入將會增加薄膜內應力，增大孿晶,孔洞甚至裂紋等缺陷的產生從而降低了膜基附著力和薄膜純度等諸多性能。

現有技術主要采用以下三種方法來降低HFCVD法中雜質的不利影響：一是采用熱絲碳化后再放入基底進行沉積，但熱絲碳化后會變脆，極易斷絲，因而這種方法極少采用；二是在熱絲碳化階段將基底與熱絲間距調大，減小落到基底上的雜質數量，但仍然在基底上沉積含有金屬及大量石墨碳鍵的非金剛石膜；三是在熱絲碳化處理過程中在熱絲與基底之間加入擋板來阻止雜質沉積到基底上，但這種方法只能解決薄膜沉積初期問題，無法解決后續生長過程中雜質沉積對薄膜純度和性能的影響。

DC-Arc?PJCVD法是高速生長高質量金剛石膜或其他超硬膜的方法，目前此法制備的高質量金剛石膜已廣泛用于金剛石膜工具、金剛石膜熱層領域中。它主要由真空沉積室（等離子炬和水冷支撐臺）、進氣系統、等離子射流電源、真空系統、操作控制系統等組成；其原理是在圓環狀的陽極和通過其中的棒狀陰極之間通入沉積氣體（如CH₄，H₂等），這些反應氣體被旋轉的高溫電弧加熱到高溫狀態，急劇膨脹的高溫氣體以很高的速度從圓環狀陽極噴口噴出，形成一個大約5～10cm長的等離子體，溫度達到4000℃以上，高溫等離子體使氣體離解充分，從而在基底上沉積金剛石膜。等離子體的溫度很高，即使是低溫等離子體，電弧軸心溫度也達上萬度，在陰陽極接通電源的瞬間，反應氣體被迅速加熱，急劇膨脹，產生層流和紊流，電弧處于一種不穩定狀態，此時電極易受到電蝕產生雜質并沉積到基底上，影響薄膜初期成核及后期生長。另外當碳源氣體在電弧高溫區分解后，一部分碳會擴散到電弧以外的區域，由于遇冷后形成碳微粒，并在溫度場作用下向著穩定梯度相反方向運動，附著在陽極環上，陽極環某些區域出現石墨或無定型碳微胚核，這些胚核并沒有被活性氫原子完全刻蝕掉，隨著時間的增加而不斷長大，這些附在陽極環上的非金剛石雜質，主要是石墨，隨著體積的增大，在雜質與等離子體炬內壁之間的增大應力和等離子體高溫噴射氣體沖擊力共同作用下，有些雜質會從陽極環上脫落，當它們落在制備的金剛石膜上時，將導致金剛石膜含石墨等雜質顆粒，降低超硬膜的純度和性能。